Acceleratoare liniare vs. radiografe.

[Dr. Radu]

Care ar fi avantajele unui accelerator liniar in producerea de raze X fata de un radiograf clasic cu tub catodic?...este doar precizia fascicului? Aici explica cum  radiatiile X produse clasic pot fi modulate ca durata si intensitate in functie de administrarea tensiunii de alimentare. Si atunci...?...sa fie fiabilitatea?

[Adi]

In primul rand, diferenta intre producerea de raze X de catre atomi (cred ca la asta te referi prin "in tub catodic") si producerea de raze X cu un accelerator de particule (nu neaprat linear) este mecanismul de productie.

Un atom are mai multe straturi de electroni. Daca electronul de pe ultimul strat sare pe un strat mai mare si apoi revine pe stratul unde era, atomul emite lumina de o anumita energie, destul de mica, in spectul vizibil. Dar daca electronul de pe unul din primele straturi sare din atom (de exemplu daca un alt electron de foarte mare energie il loveste), atunci, cum atomul doreste sa revina la nivelul cel mai jos de energie, un atom de pe ultimul strat cade pe primul strat pentru a recupera locul electronului zburat. Cum diferenta de energie intre aceste straturi este mult mai mare, si fotonul emis va avea energie mult mai mare, si anume va fi un foton de raze X.

Acum, raze X se produc si in acceleratoarele de particule. Acestea se bazeaza pe efectul sincrotron. Adica o particula incarcata electric, atunci cand este accelerata, emite energie sub forma de fotoni de lumina. Cu cat accelerarea este mai mare, cu atat energia particulei mai intesnsa (cred). Asadar, daca ai un fascicul de electroni si ii rotestesti pe un cerc in un acccelerator circular (numit sincrotron) ei vor emite constant lumina, care se intampla sa fie raze X. Avantajul este ca poti crea fascicule foarte stranse si foarte intense raze X. Cele lmai mari tari din lume au cate un sincrotron sau mai multe. Aceste raze X sunt folosite la studiul structurii materialelor, moleculeler si aduc mari beneficii in chimie, biologie, medicina.

Acum se construiesc noi serii de sincrotroane, dar si "free electron laser" (lasere cu electroni liber) ce sunt bazate exact pe acelasi principiu, numai ca emit fascicule inca si mai intense si foarte rapide. Astfel se pot face filme de interactii de molecule, cu cateva milioane de poze pe secunda (nu doar 24 cat are un film clasic). Astfel, vom putea intelege interactiile chimice a multor molecule si poate vom rezolva astfel boli precum cancerul.

Sa concluzionez, avantajul cel mai important este in intensitate si in cat de strans e fascicolul. Poti citi mai multe despre "free electron laser" in romana, articol tradus din revista Symmetry.

[Dr. Radu]

  Asa este, razele X, in modalitatea clasica sunt produse de atomii carora le este zburat un electron. Prin tub catodic m-am referit la acel "x-ray tube" care genereaza raza de electroni indrepati impotriva atomilor tinta.

[uhu]

Draga Dr. Radu,

In principiu, un accelerator linear poate produce intensitati mult mai mari si/sau energii mult mai mari, evident, la un pret mai mare.

Daca va ganditi la aplicatii in domeniul radiografiilor medicale / CT, un tub de raze X modern ar trebui sa fie suficient.

Daca va ganditi la tratamentul tumorilor canceroase, deseori un fascicul de raze X:

• mai intens, si/sau
• de energie mai inalta (eventual fotoni gammma), si/sau
• mult mai bine colimat (pentru tratamente foarte localizate),

ar putea oferi precizie/eficienta/durata a tratamentului mult mai scazuta.

Cu un pas mai departe decat acceleratoarele lineare sunt sincrotroanele.

Daca puteti detalia intrebarea, sper sa pot da un raspuns mai la obiect.

[Adi]

Buna "uhu", bine ai venit pe forumul nostru! Este minunat sa contribuie cat mai multi cu raspunsuri. Acele "free electron lasers" sunt in general tot acceleratoare lineare, care dupa ce aduc electronii la energii foarte inalte, le curbeaza traiectoria in un fel de zig-zag foarte brusc pe o distanta scurta, emitand astfel fotoni de energie inalta. Poate Radu se referea la acceleratoare lineare de mica energie si intensitate, precum Cockroft-Walton.

[Dr. Radu]

   Nu Adi , ma refeream strict la uz medical cu uz diagnostic pt. ca in radioterapie daca ar fi sa ne referim numai la precizia sporita a linac-ului si tot ar fi un avantaj suficient pt. a incuraja folosirea lui. Deci in radiologie tubul de raze x ramane in continuare fezabil.

[uhu]

Salut Adi :-)

Am impresia ca sunt numai 2 FEL-uri in functiune acum (Argonne parca, si undeva in Japonia?). Pulsurile sunt relativ scurte si rare. Noul FEL in constructie la Desy (Hamburg) va produce pulsuri mult mai dese (cu brilianta medie mult mai ridicata).

In contextul intrebarii Dr. Radu, discutia aceasta e oricum pur teoretica; costul unui asemenea sistem e de ordinul miliardelor de euro. Pentru Romania, un FEL ramane de domeniul SF-ului.

De dragul argumentului: un principiu oarecum asemanator cu al FEL-urilor este uneori aplicat in sincrotroanele moderne, in care intensitatea unor beamline-uri este amplificata printr-o miscare similara in zig-zag a electronilor.

[uhu]

Draga Dr. Radu,

Da, pentru uz diagnostic, clasicul "tub cu raze X" ramane mai fezabil; un linac ar fi mult prea bun, fara sa imbunatateasca rezultatele.

Totusi tehnicile "clasice" se imbunatatesc incet-incet. Exemple:
- "photon-counting x-ray detectors" in locul clasicelor "imaging plates" sau CCD;
- "phase-contrast" si/sau "back-scattering" in locul / pe langa tehnica clasica de transmisie de raze X; eventual, chiar in combinatie cu CT;
- radiografii la 2-3 energii diferite, care fac posibila vizualizarea diferitelor structuri cu diferite "culori".

Tehnicile mentionate sunt mature tehnic, aduc imbunatatiri substantiale, dar sunt - inca - neacceptate de marii producatori si de lumea medicala.

[Adi]

Salut, uhu! Ai raspuns foarte bine si la obiect, pari in domeniu. Ne poti spune ce studiezi sau lucrezi?

De acord ca pentru radiografii medicale, razele X curente sunt bune. Ai putea poate cu raze X obtinute din accelerator sa obtii radiografii ce iradeaza mai putin, sau poate folosind mai multe lungimi de unda sa vezi "in mai multe culori", nu ma gandisem la asta.

Free electron laser este tehnologia viitorului in cercetarea reactiilor chimice. Eu am inteles ca sunt pana la 1 milion de pulsuri pe secunda, de foarte mare intensite. Nu inteleg la ce te referi tu cand zici ca sunt pulsuri "rare". Fii cantitativ. Daca nu esti de acord cu numarul propus de mine, voi cauta link.

Acceleratorul liniear SLAC va deveni un FEL de foarte mare intensitate. Iata un citat dintr-un articol tradus: "Astfel LCLS va crea pulsuri de lumină cu o durată de ordinul a numai câteva milionimi de miliardimi de secundă, foarte luminose şi coerente ca la un laser, cu toate lungimile aliniate în concordanţă de fază."

Si Jefferson Lab are un program de cercetare pe FEL. Vezi aici.  Si mai sunt si altele. Dar astea sunt pentru cercetare, nu pentru aplicatii medicale directe. Ci pentru studiul meloculelor ce vor rezolva boli genetice prin intelegerea moleculelor si interactiilor intre molecule.

[uhu]

Salut, Adi!

FEL, da, e tehnologia viitorului pentru reactii chimice sau structuri de proteine. Teoretic, poti determina structura unei proteine folosind o singura molecula. De fapt, masuratoarea unei singure molecule returneaza doar transformata fourier a densitatii de electroni 3d, proiectata pe o suprafata 2d. In practica, e nevoie de masuratori obtinute pe cateva sute de molecule.

In curand, duse vor fi zilele cand efortul principal pentru determinarea structurilor era de fapt cristalizarea proteinelor (pentru necunoscatori, asta e munca de Sisif).

Discutie calitativa despre "pulsuri rare":
Materialele de marketing de la FEL-uri vorbesc de obicei despre durata pulsurilor individuale (FWHM) si despre intervalul dintre pulsuri succesive dintr-un "burst". Dar exista si un interval de timp intre burst-uri succesive. Pe scurt, la fiecare "burst" se trimimte un pachet de electroni; parti ale pachetului devin coerente ("coherence length"); fiecare "pachetel coerent de electroni" dintr-un pachet mare emite propriul puls coerent de raze X. Diferenta mare intre XFEL si LCLS apare la "timpul de reincarcare" intre doua pachete mari.

Rezultatul final e vizibil in diferenta de cateva ordine de marime intre "average brilliance" la XFEL@Desy si la LCLS: slide 20, http://www.pppl.gov/R_Davidson_11_12JUN07Presentations/Wurtele.ppt
(Spre deosebire de "peak brilliance" care e similar: pag 6, http://tesla.desy.de/new_pages/tdr_update/executive_summary.pdf).

Candva voi aduna cifrele exacte in locul discutiei calitative de deasupra.

[Adi]

Buna Uhu, chiar te-am nimerit ca omul potrivit la momentul potrivit. Se vede ca stii bine lucrurile astea. Super frumos! Putem pregatii niste materiale pe care sa le facem disponibile cate public explicate cat mai usor! Putem chiar dezvolta o viziune a necesitatilor pentru Europa/Romania.

Eu am mari sperante pentru FEL pentru a se intelege structura moleculelor. Despre molecula "inghetata" la un cristal care apoi este studiata cu raze X, pentru ca apoi sa se faca o alta "poza inghetata" si apoi alta si alta pentru a vedea diferitele etape ale unei interactii chimice, s-a luat premiul Nobel pentru medicina pe 2006. O voluntara a noastra a tradus acest articol oficial al www.nobel.se pentru public.
Te invit sa scrii niste articolase de popularizare, pentru public despre tehniciile fizicii particulelor in biologie si medicina, precum free electron lasers. Vom publica pe fizicaparticulelor.ro si pe stiinta.info. Vom pregati materiale pentru licee astfel incat profesorii sa le prezinte direct la elevii lor. Vom antrena profesorii, pe internet sau pe viu. Ce zici, te tenteaza?

[uhu]

Salut Adi,

Tocmai am vazut vazut partea cu "filme de interactii de molecule" dedesubt, si m-am gandit sa dau o explicatie pe larg.

Acum se construiesc noi serii de sincrotroane, dar si "free electron laser" (lasere cu electroni liber) ce sunt bazate exact pe acelasi principiu, numai ca emit fascicule inca si mai intense si foarte rapide. Astfel se pot face filme de interactii de molecule, cu cateva milioane de poze pe secunda (nu doar 24 cat are un film clasic). Astfel, vom putea intelege interactiile chimice a multor molecule si poate vom rezolva astfel boli precum cancerul.

Toate bune si frumoase, dar densitatea de energie in pulsul de raze X e enorma. Rezultatul e ca orice structura masurata (molecule, cristale etc) se transforma in plasma aproape instantaneu.

O masuratoare inseamna de fapt ca pulsul de raze x vine, atinge "marginea" moleculei, si fotonii incep sa bombardeze electronii, producand scattering (Compton scattering si Rayleigh scattering) si "absorbtii" de fotoni.

Datorita scatteringului cu transfer de energie (Compton):

• Un singur foton cu energie suficient de mare (~keV) poate ejecta un electron al unui atom. (Acesta e mecanismul prin care se produce fluorescenta de raze X, de exemplu).
• Intr-un Free Electron Laser, numarul de fotoni incidenti e atat de mare incat toti electronii vor fi imprastiati. Un pic mai tarziu (la scala de timp a experimentului), dupa ce electronii au fost imprastiati, nucleele atomilor se departeaza din cauza respingerii electrostatice.
• Folosirea de lungimi de unda mai mici pentru a reduce Compton scattering si absorbtia de fotoni nu ajuta, pentru ca densitatea de fotoni e atat de mare incat are loc fluorescenta cu doi / trei / etc. fotoni.

Pentru vizualizare, dinamica experimetului arata cam asa:

• Pe o tabla de biliard se aseaza o "molecula" (o anumita configuratie de bile="electroni");
• Apoi, dintr-o parte, se arunca multe bile mici si usoare ("fotoni");
• Majoritatea bilelor mici ("fotoni") ajung in partea cealalta nedeviate, dar unele se izbesc de bilele mari ("electroni") si sunt deviate;
• Din cauza ciocnirilor, bilele mari ("electronii") sunt treptat puse in miscare;
• La distanta mare, bilele mici ("fotonii") sunt colectate. Modelul pe care il formeaza distributia bilelor mici (fotonii) reflecta modelul initial al "moleculei" (asezarea bilelor mari pe tabla).
• In practica, daca urmarim o singura bila mare, ea e pusa in miscare in timpul experimentului; interpretarea rezultatelor nu este deci triviala.

Asemanarile cu masa de biliard se opresc aici; in realitate, unii fotoni incidenti pe molecula sunt imprastiati (producand SAXS/WAXS/fluorescenta), iar altii sunt difractati in urma "rayleigh scattering" pe mai multi electroni (producand un "diffraction pattern").

Ideal, acest "diffraction pattern" e o transformata fourier a distributiei statice de electroni in molecula (aproape ca o poza cu blitzul).
In practica:

• Electronii sunt aruncati in toate partile in timpul unei masuratori, deci masuratorile trebuie interpretate cu grija.
• Ca totul sa fie un pic mai complicat, "subiectul" se transforma in plasma in timpul primului puls de fotoni; in nici intr-un caz nu poate fi vorba de masurarea unui "film".
• Urmatorul nivel de complicare e ca intr-o imagine, se masoara numai o proiectie 2D a fotonilor (adica numai o proiectie 2D a transformatei fourier a distributiei 3D a electronilor). Deci sunt necesare multe imagini, insa subiectul e distrus complet dupa numai o imagine!
• Urmatorul pas e sa masuram sute sau mii de molecule diferite.
• Pentru interpretarea rezultatelor (sutelor de imagini 2D), se foloseste un fel de reconstructie care combina elemente de tomografie (CT) cu algoritmi de clustering (pentru a separa eventuale molecule "straine").

Suna complicat, si asa si este; dar constructia unui FEL e numai inceputul muncii. Pe langa laserul FEL, trebuie construiti detectorii potriviti, trebuie imbunatatite strategiile de masura, trebuie dezvoltati/reconstruiti algoritmii de reconstruire etc.

Daca e atat de complicat, atunci de ce sa ne mai batem capul? Raspunsul e ca:

• Intr-un final, rezolvarea structurii unei molecule va deveni o tehnica de rutina, capabila sa masoare cantitati infime de substante (costul de a izola molecule mai exotice poate fi urias, si pentru cantitati mari e proportional cu cantitatea. Diferenta de pret/efort intre un gram si un microgram de substanta poate fi fantastica);
• In plus, substanta poate fi masurata in mediul sau natural, ceea ce rezolva urmatoarea problema grava: cat de reprezentativa e structura unei faze cristaline pentru structura in mediul natural a unei molecule? Rezultatele devin mult mai reprezentative.
• Ca bonus, efortul (de multe ori urias) de a cristaliza substanta este eliminat.

In concluzie, suntem departe de a fi rezolvat toate problemele de mai sus, dar atunci cand vom ajunge acolo, vom avea un instrument extrem de valoros. Insa e doar un instrument, care nu va rezolva prin sine insusi vreo problema (cancer sau altceva), ci doar va inlesni eforturile celor care lucreaza in domeniu.

[Adi]

Uhu, multe multe multimiri pentru explicatiile tehnice, dar pe inteles simplu, cu tot cu linkuri catre notiunile folosite. Pentru cei ce nu te stiu pe viu, Uhu a lucrat in acest domeniu al fizicii medicale si se pricepe la acestea. Zice bine ca este un instrument, dar ce valoros va fi pentru medicina. Tot asa cum microscopul a dus la multe descoperiri si intelegeri in structura celulelor, tot asa si acest laser cu electroni liberi va studia in detaliu structura meloculor chiar si in timpul interactiilor chimice si de aici avem mari sperante pentru medicina in viitor.