Teme

Tražilica

Primjena u neenergetske svrhe

Nuklearna fizika našla je vrlo široku primjenu u raznim područjima ljudske djelatnosti.atnosti.  Najranija a i najčešća primjena nuklearne fizike je u medicini što je rezultiralo formiranjem nove grane u medicini, tzv. nuklearne medicine. Nuklearne tehnike koriste se se u medicini za otkrivanje bolesti (dijagnostika) i liječenje (terapija) raka. Dijagnostičke tehnike u nuklearnoj medicini  su: Glossary Link radiografija korištenjem X zraka, gama kamera, kompjuterska tomografija (CT), tomografija emisijom pozitrona (PET), te nuklearna magnetska rezonancija (NMR). Terapijske tehnike u nuklearnoj medicini uključuju: ozračivanje fotonima i elektronima, korištenje radionuklida, ozračivanje neutronima i ozračivanje teškim nabijenim česticama. Različite vrste zračenja koriste se za uništavanje tkiva tumora ili vanjskim ozračivanjem (teleterapija) ili  unutarnjim ozračivanjem stavljanjem izvora zračenja u tumorsko tkivo (brahiterapija). Sljedeća značajna primjena nuklearne fizike je u industriji. Primjena nuklearne fizike u industriji može se kategorizirati prema ulozi i načinu korištenja nuklearnog zračenja i to: a) zračenje se koristi kao obilježavač procesa, b) karakteristike zračenja se mijenjaju prolazom kroz materijal, c) karakteristike materijala se mijenjaju prolazom zračenja i d) zračenje se koristi kao izvor energije. Primjene u kojima se zračenje koristi kao obilježavač uključuju: otkrivanje mjesta curenja cijevi, mjerenje načina i brzine protoka fluida, praćenje različitih materijala, istraživanje metabolizma, ispitivanje mehanizama kemijskih reakcija, ispitivanju istrošenosti i korozije, određivanje starosti predmeta i određivanje visokih temperatura metalnih površina. Primjene u kojima se koristi da se karakteristike zračenja mijenjaju prolazom kroz materijal uključuju: mjerenje gustoće, mjerenje debljine sloja, mjerenje razine tekućine u zatvorenim spremnicima, ispitivanje kvalitete varova, otkrivanje plastičnih eksploziva, istraživanje nalazišta nafte, detektiranje šupljina u materijalu, utvrđivanje nečistoća i elemenata u tragovima, ispitivanje kvalitete odljeva, otkrivanje defekata u materijalu, te detektore dima. Primjene u kojima se koristi da se karakteristike materijala mijenjaju prolazom zračenja uključuju: konzerviranje hrane, bakterijska sterilizacija, modifikacija polimera, kontrola insekata, istraživanje bioloških mutacija i katalitičko djelovanje zračenja na kemijske reakcije. Raspadom radioaktivnog nuklida oslobađa se energija koja se apsorpcijom emitiranog zračenja u okolnom mediju pretvara u toplinu tako da se spremnik koji sadrži odgovarajući radioaktivni Glossary Link nuklid može koristiti kao izvor toplinske energije. Ugradnjom uređaja koji direktno pretvara toplinsku energiju u električnu spremnik postaje generator električne energije. Takvi toplinski i električni generatori na bazi radioaktivnih izotopa koriste se u istraživanjima svemira. Mnogobrojne nuklearne tehnike koriste se u znanstvenim i tehnološkim istraživanjima. Valja napomenuti da se zračenje proizvedeno u akceleratorima može jednako upotrijebiti kao i zračenje iz raspada radioizotopa. Dapače, zbog većeg raspona u energijama zračenja, kao i većem izboru čestica zračenja omogućene su primjene koje s radioizotopima nisu bile moguće (npr. radiografija vrlo masivnih komada materijala betatronskim zračenjem, zračenje tumora i druge).

Primjene nuklearne fizike u medicini su toliko razvijene i dalje se razvijaju da se formirala posebna disciplina u medicini, nuklearna medicina. Nuklearne tehnike koriste se se u medicini za otkrivanje bolesti (dijagnostika) i liječenje (terapija) raka. Dijagnostičke tehnike u nuklearnoj medicini  su: radiografija korištenjem X zraka, gama kamera, kompjuterska tomografija (CT), tomografija emisijom pozitrona (PET), te nuklearna magnetska rezonancija (NMR). Terapijske tehnike u nuklearnoj medicini uključuju: ozračivanje fotonima i elektronima, korištenje radionuklida, ozračivanje neutronima i ozračivanje teškim nabijenim česticama. Različite vrste zračenja koriste se za uništavanje tkiva tumora ili vanjskim ozračivanjem (teleterapija) ili  unutarnjim ozračivanjem stavljanjem izvora zračenja u tumorsko tkivo (brahiterapija).

Dijagnostičke tehnike u nuklearnoj medicini

Radiografija korištenjem X- zraka i γ- zraka

Korištenjem X-zraka iz rentgenskih aparata  i γ-zraka mogu se ozračivanjem dobiti slike različitih organa i tkiva ljudskog tijela na filmu ili nizu detektora. Tehnika nije pogodna za diferencijaciju između različitih tipova mekog tkiva (npr. identificiranje tumora posebno u mozgu). Radiografija korištenjem X-zraka izvrsna je za snimanje detalja skeleta.

Gama kamera

Gama kamera je posebno razvijen instrument koji omogućuje detektiranje unutarnjeg zračenja. Sastoji se od kolimatora, scintilacijskog kristala, svjetlovoda, fotomultiplikatorskih cijevi, elektroničke jedinice i računala. Mnogostruki kolimator, koji se sastoji od uskih kanala, ograničava da samo gama zrake koje dolaze pod malim kutem u kolimator prolaze do detektora (scintilacijski kristal), tako da prostorna raspodjela detektirane svjetlosti sa scintilatora predstavlja projiciranu sliku raspodjele radioaktivnog izotopa kod pacijenta. Glossary Link Detektor je veliki komad scintilacijskog kristala natrijevog jodida oblika diska, promjera 50 cm i debljine 1 cm, u kojem apsorpcijom gama zrake dolazi do emisije svjetlosti. Niz fotomultiplikatorskih cijevi, koje su svjetlovodom optički povezane sa stražnjom stranom scintilacijskog kristala, emitiranu svjetlost pojačava i uz pomoć elektroničke jedinice pretvara u mjerljive signale. Relativni intenziteti tih signala ovise o položaju točke stvaranja svjetlosti i korištenjem računala može se locirati izvor scintilacijske svjetlosti. Time se na ekranu računala dobiva slika raspodjele radioaktivnog izotopa kod pacijenta. Tipična prostorna rezolucija gama kamere je 8-12 mm, ovisno o geometriji kanala kolimatora. Uvođenjem u tijelo radioaktivog izotopa vezanog na radioaktivni obilježavač (tzv. radiofarmaceutik) dolazi do njegovog širenja po tijelu. Korištenjem gama kamere prati se raspodjela radioizotopa u tijelu iz čega se može dobiti informacija ne samo o anatomskoj strukturi nego i o fiziološkoj funkciji tijela. Najefikasniji Glossary Link radionuklid korišten kod pretraga gama kamerom emitira samo jednu gama zraku (bez beta zraka) i ima Glossary Link vrijeme poluraspada dovoljno dugačko da se može dobiti slika ali ne i predugačko kako pacijent ne bi nepotrebno bio izložen zračenju. Najčešće korišteni radionuklid je tehnecij-99m.

Shema gama kamere

Kompjuterska tomografija (CT)

Princip rada temelji se na atenuaciji X-zraka prolaskom kroz snimani dio tijela, do čega dolazi zbog apsorpcije i raspršenja X-zraka. Nakon prolaska kroz tkiva različitih organa, oslabljeno zračenje pada na detektore koji ga pretvaraju u električne signale proporcionalne atenuaciji snimanog objekta. Iz niza takvih projekcija nastalih tijekom rotacije izvora X-zraka i detektora, metodom konvolucije uz pomoć kompjutera rekonstruira se slika objekta i prikazuje na ekranu. U modernom CT uređaju pacijent je okružen s nekoliko stotina detektora a izvor X-zraka giba se po kružnoj putanji oko pacijenta emitirajući lepezaste snopove X-zraka. Podaci dobiveni detektorima za puni okret izvora X-zraka omogućuju stvaranje slike organa pacijenta za ravninu okreta izvora X-zraka. Pomicanjem pacijenta ili izvora u aksijalnom smjeru dobiva se slika sljedećeg sloja (segmenta) organa pacijenta. Najnovijom CT tehnikom (spiralni CT) značajno je povećana kvaliteta i brzina snimanja. Tijekom snimanja stol s pacijentom kontinuirano se linearno giba kroz primarni lepezasti snop X-zraka uz simultanu kontinuiranu rotaciju izvora X-zraka i niza detektora. Na taj način dobivaju se slike tankih dodirnih slojeva što omogućuje trodimenzionalnu rekonstrukcije slike pacijenta u vrlo visokoj rezoluciji.

 CT uređaj

Pozitronska emisijska tomografija (PET)

Pozitronska emisijska tomografija se temelji na trodimenzijskoj rekonstrukciji presjeka organa uporabom radionuklida koji emitiraju pozitrone. Ciljano se injekcijom unosi u organizam radionuklid koji emitira pozitrone i koji se akumulira u snimanom organu. Dolazi do anihilacije pozitrona i emisije dvije gama zrake koje se detektiraju u koincidenciji. Prsten detektora oko pacijenta definira ravninu odnosno presjek za koji se mjere koincidencije gama zraka za sve moguće smjerove u toj ravnini. Iz tih mjerenja metodom konvolucije uz pomoć kompjutera rekonstruira se slika organa pacijenta i prikazuje na ekranu. Kod PET pretraga se kao radiofarmaceutik najčešće koristi fluoro-deoksi glukoza koja sadrži radionuklid F-18 čije je vrijeme poluraspada dva sata. Simultana primjena PET tehnike i CT tehnike dobivanja slika (tzv. PET/CT tehnika) značajno je poboljšala dijagnostiku širokog spektra bolesti.

PET slika (PET scan) cijelog tijela

 

PET/CT uređaj u Kliničkom bolničkom centru u Zagrebu

Nuklearna magnetska rezonancija (NMR)

Nuklearna magnetska rezonancija je spektroskopska metoda kojom se mjere promjene usmjerenja magnetskih momenata jezgre u vanjskom magnetskom polju, a dobiju informacije o strukturnim i dinamičkim svojstvima molekule bilo da su slobodne ili vezane. Upotreba NMR-e u medicini kao dijagnostičke metode temelji se na činjenicama da pojedine kemijske grupe u makromolekulama imaju signale koji se mogu razlučiti, da su signali osjetljivi na promjene u okolini, da teorija dobro opisuje veze između parametara koji se mjere i informacija koje se mogu pročitati i da energija koja se pri mjerenju prenosi na biološki sistem ne uzrokuje biološka oštećenja. Originalno je NMR tehnika u medicini razvijena za prikazivanje anatomske strukture jer je posebno pogodna za diferenciranje mekih tkiva, što se teško može dobiti CT tehnikom. NMR tehnika je unaprijeđena za provođenje kinetičkih ispitivanja tako da se njome mogu dobiti detalji lokaliziranih aktivnosti u mozgu i drugim dijelovima tijela. Zbog fleksibilnosti korištenja i velike osjetljivosti NMR je najsofticiranija tehnika koja se danas koristi u kliničkoj dijagnostici i medicinskim istraživanjima.

NMR slike ljudske glave

 

Uređaj za nuklearnu magnetsku rezonanciju

Terapijske tehnike u nuklearnoj medicini

Ozračivanje fotonima i elektronima

To je najčešći način u terapiji karcinoma. Fotoni X-zraka generiraju se malim linearnim akceleratorom koji ubrzava elektrone do energije 6 MeV-a. Snop elektrona udara u metu koja emitira X-zrake i Glossary Link zakočno zračenje. Nastale X-zrake i gama zrake koriste se za ozračivanje bolesnog tkiva. U nekim slučajevima sam elektronski snop se koristi za ozračivanje kancerogenog tkiva. U terapeutske svrhe koristi se radionukld Glossary Link kobalt-60 kao vanjski izvor gama zračenja (tzv. kobaltna bomba). Kod ozračivanja bolesnog tkiva unutarnjih organa treba paziti da ne dođe do oštećenja zdravog tkiva kroz koje zračenje prolazi. To se postiže fokusiranjem zračenja iz različitih smjerova na bolesno tkivo tako da bolesno tkivo primi letalne doze zračenja dok je zdravo tkivo izloženo manjim dozama zračenja koje ga neće ugroziti. Fokusiranje zračenja omogućeno je fleksibilnošću položaja izvora zračenja.

fotoni

Korištenje radionuklida

Mnogi lokalizirani karcinomi tretirani su zračenjem radioaktivnih nuklida. Ti se radioaktivni nuklidi stavljaju u oboljelo tkivo bilo operacijom ili ingestijom radioaktivnih nuklida koji se selektivno nakupljaju u kacerogenom tkivu. Idealni radionuklidi za takav tretman su čisti beta emiteri. Naime, zbog kratkog dosega elektrona Glossary Link doza zračenja predaje se samo lokalno kancerogenom tkivu. Najčešće korišteni radionuklidi u terapeutske svrhe su lutecij-177 i itrij-90. Radionuklid jod-131 koristi se u terapiji raka štitnjače i hipertireoze.

Terapija neutronima

Neutronsko zračenje je prodorno i ima veliki prijenos energije (tzv. LET) i trebalo bi biti efikasnije od fotona u tretiranju nekih vrsta tumora. Terapija neutronima nije ispunila očekivanja uglavnom zbog poteškoća u kolimiranju neutronskog snopa kojim bi  se postigla optimalna raspodjela doza između tumorskog i normalnog tkiva. Pored toga za terapiju neutronima potrebno je korištenje reaktora ili akceleratora što takvu terapiju čini skupljom od  terapije fotonima i elektronima. To je rezultiralo smanjenim korištenjem neutronske terapije. Interes za terapijom sporim neutronima obnovljen je uvođenjem tehnike ciljane alfa terapije (Targeted Alpha Therapy – TAT) za tretiranje proširenih karcinoma. Tehnika se bazira na uništenju tumorskog tkiva energetskim alfa zračenjem koje je inducirano sporim neutronima na nuklidima ciljano dovedenim u tumorsko tkivo. Nuklid pogodan za tehniku ciljanom alfa terapijom je Glossary Link bor-10.

Ozračivanje teškim nabijenim česticama

Teške nabijene čestice koriste se za ozračivanje duboko smještenih tumora zbog svojstva  da pri kraju dosega deponiraju najviše energije i na taj način postižu bolju raspodjelu doza od fotona i neutrona. Pored toga nabijene čestice je lakše kolimirati i akceleratorima se mogu ubrzati na željenu energiju. Najčešće se koriste teški ioni ugljika jer se mogu zbog zadržavanja početnog pravca precizno fokusirati na oboljelo tkivo.

Primjena nuklearne fizike u industriji može se kategorizirati prema ulozi i načinu korištenja nuklearnog zračenja i to:

  • zračenje se koristi kao obilježavač procesa
  • karakteristike zračenja se mijenjaju prolazom kroz materijal
  • karakteristike materijala se mijenjaju prolazom zračenja
  • zračenje se koristi kao izvor energije.

Primjene u kojima se zračenje koristi kao obilježavač uključuju: otkrivanje mjesta curenja cijevi, mjerenje načina i brzine protoka fluida, praćenje različitih materijala, istraživanje metabolizma, ispitivanje mehanizama kemijskih reakcija, ispitivanju istrošenosti i korozije, određivanje starosti predmeta i određivanje visokih temperatura metalnih površina.

Primjene u kojima se koristi da se karakteristike zračenja mijenjaju prolazom kroz materijal uključuju: mjerenje gustoće, mjerenje debljine sloja, mjerenje razine tekućine u zatvorenim spremnicima, ispitivanje kvalitete varova, otkrivanje plastičnih eksploziva, istraživanje nalazišta nafte, detektiranje šupljina u materijalu, utvrđivanje nečistoća i elemenata u tragovima, ispitivanje kvalitete odljeva, otkrivanje defekata u materijalu, te detektore dima.

Primjene u kojima se koristi da se karakteristike materijala mijenjaju prolazom zračenja uključuju: konzerviranje hrane, bakterijska sterilizacija, modifikacija polimera, kontrola insekata, istraživanje bioloških mutacija i katalitičko djelovanje zračenja na kemijske reakcije.

Raspadom radioaktivnog nuklida oslobađa se energija koja se apsorpcijom emitiranog zračenja u okolnom mediju pretvara u toplinu tako da se spremnik koji sadrži odgovarajući radioaktivni nuklid može koristiti kao izvor toplinske energije. Ugradnjom uređaja koji direktno pretvara toplinsku energiju u električnu spremnik postaje generator električne energije. Takvi toplinski i električni generatori na bazi radioaktivnih izotopa koriste se u istraživanjima svemira.

Najvažnije primjene nuklearne fizike su u sljedećim industrijskim granama:

Kemijska tehnologija

U ovu grupu spadaju one primjene u kojima se koriste radioizotopi za utjecaj na kemijske procese (npr. proces polimerizacije odvija se brže djelovanjem zračenja), materijale (npr. ozračivanjem cinka, aluminija, čelika i drugih metala znatno se povećava otpornost na trošenje) i organizme (sterilizacija hrane i medicinske opreme ozračivanjem).

Metalurgija

Primjenom radioizotopa dobivene su informacije o procesima pri proizvodnji čelika i željeza (gibanje materijala u visokim pećima, hidrodinamika tekućeg željeza, raspodjela atoma u legurama). Te informacije omogućile su skraćenje proizvodnih procesa i povećanje proizvodnje. Debljina šamotskih obloga u visokim pećimakontrolira se radioizotopima. Dobivene su uštede u vremenu i spriječeni nesretni slučajevi.

Naftna industrija

Poznata je anomalija u raspodjeli prirodne aktivnosti nad ležištem nafte, tako da je na rubovima ležišta aktivnost povećana, a iznad ležišta smanjena. Detektiranje ovakvih anomalija je jedan od načina traženja naftnih ležišta. Na samom naftnom polju izotopi imaju vrlo različitu primjenu, npr. ispitivanje poroznosti slojeva, povezanosti bušotina, kontrola cjevovoda. Veza između bušotina može se odrediti upumpavanjem radioaktivnosti u jednu bušotinu, te opažanjem pojave aktivnosti. Propuštanje cjevovoda može se otkriti punjenjem s radioaktivnom tekućinom, koja izlazi kroz propusna mjesta, a ta se nakon pročišćavanja cijevi mogu detektirati.

Priprema za ispitivanje cjevovoda radioizotopima

Geološki i hidrotehnički radovi

Nuklearnim tehnikama određuje se vlažnost i gustoća tla bez uzimanja uzorka, a mogu se pratiti i podzemne vode. Pri gradnji hidroelektrana važno je znati kretanje i jačinu podzemnih voda. Klasične metode bojenja postaju nesigurne kad se voda probija kroz slojeve, jer oni djeluju kao filtri. Obilježavanjem vode pomoću radioizotopa tricija dobivaju se pouzdani rezultati, jer tricij kemijski identičan s ostalom vodom i ne ne može ni na koji način biti selektivno apsorbiran prolazom vode kroz slojeve. Ubrizgavanjem radioaktivnog materijala na jednom mjestu cjevovoda i detektiranjem prolaza zračenja nizvodno preko određene dužine može se izmjeriti protok u cjevovodu. Analiza vode pomoću aktivacijske analize po osjetljivosti premašuje klasične metode.

Kontrolni instrumenti

U nizu situacija koje se javljaju u svim granama industrije mogu se konstruirati kontrole procesa upotrebom radioizotopa prikladnije od drugih metoda.U ovu grupu dolaze instrumenti za mjerenje debljine, instrumenti za mjerenje razine tekućine, te instrumenti za otkrivanje defekata u materijalu.