Información detallada sobre iones pesados
Los iones pesados se refieren a núcleos con un número másico superior a 4, es decir, iones situados después del núcleo de helio en la tabla periódica de elementos (átomos con un número atómico superior a 2 que han perdido electrones). Como el carbono 12, el neón 22, el calcio 45, el hierro 56, el criptón 84 y el uranio 238, etc. Los iones pesados han comenzado a aplicarse a la radiobiología, el radiodiagnóstico y la radioterapia. En términos de radioterapia para el cáncer, en comparación con los rayos X, los iones pesados tienen un mayor valor de transferencia de energía en la línea media del organismo y pueden controlar con precisión la dosis y el rango. Tienen un buen rendimiento de posicionamiento y la energía liberada al final. El rango está concentrado, de modo que el efecto letal se puede concentrar donde sea necesario la irradiación dentro del rango local, al tiempo que se reduce el daño al tejido sano circundante. Introducción básica Nombre chino: ion pesado Nombre extranjero: ion pesado Tipo: partículas cargadas Composición: iones de carbono y neón Función: radiación Campos de aplicación: medicina nuclear, concepto de reactor de energía nuclear, reacción nuclear de iones pesados, física nuclear de iones pesados, radioterapia de iones pesados, Dispositivo de radioterapia, campo material, valor, acelerador de iones pesados, concepto Los iones pesados se refieren a núcleos con un número másico superior a 4, es decir, iones después del núcleo de helio en la tabla periódica de elementos (átomos con un número atómico superior a 2 que han perdido electrones). Como el carbono 12, el neón 22, el calcio 45, el hierro 56, el criptón 84 y el uranio 238, etc. Los iones pesados han comenzado a aplicarse a la radiobiología, el radiodiagnóstico y la radioterapia. Mientras se llevaban a cabo investigaciones básicas en profundidad sobre la física nuclear de iones pesados, los iones pesados han comenzado a aplicarse y tomarse en serio en otras disciplinas. La reacción nuclear de iones pesados es una reacción provocada por la aceleración del bombardeo de núcleos atómicos por iones con una masa mayor que la de una partícula. Los iones pesados pueden producir muchos más tipos de reacciones nucleares que los iones ligeros y son muy diferentes de las reacciones nucleares de iones ligeros en algunos aspectos importantes. La longitud de onda de De Broglie (ver dualidad onda-partícula) del movimiento relativo de los iones pesados es muy corta, con una magnitud típica de sólo 0,1 femtómetros (fm), que es mucho menor que el radio del núcleo en situaciones típicas de los pesados. Se puede utilizar el proceso de colisión de iones. Las colisiones de partículas clásicas se describen mediante imágenes orbitales. Desde mediados de la década de 1960, se han sintetizado varios elementos superelementos (Z=102~109) mediante reacciones nucleares de iones pesados, y se utilizan en el estudio de nucleidos alejados de la línea de estabilidad β, así como en nucleidos altamente excitados y de alta tensión. núcleos de espín. Desde mediados de la década de 1960 hasta principios de la de 1970, las reacciones nucleares de iones pesados se convirtieron gradualmente en el método principal para obtener elementos de supermandelio sintetizados artificialmente. Los iones pesados son partículas compuestas estructurales y el mecanismo de reacción nuclear causado por ellos es muy diferente del de las reacciones nucleares de iones ligeros en algunos aspectos importantes. Las personas también pueden elegir una combinación de varios núcleos objetivo y núcleos de bombas según las necesidades de la investigación, lo que también constituye una ventaja única de las reacciones nucleares de iones pesados. La longitud de onda de De Broglie λ del movimiento relativo de iones pesados es muy corta, con una magnitud típica de 1/10 fm. Es mucho más pequeño que el diámetro del núcleo atómico. Sin embargo, si un protón de 4MeV también bombardea Th, entonces λ≈2,25fm, que es mucho más grande que la onda de De Broglie de iones pesados. Por lo tanto, la situación típica del proceso de colisión de iones pesados se puede describir mediante la imagen orbital de la colisión de partículas clásica. El mecanismo de reacción del proceso de colisión de iones pesados se puede clasificar según el parámetro de colisión bo el momento angular orbital l, que. es decir, a medida que b o l disminuye, la interacción entre dos núcleos atómicos ocurre desde la superficie hacia el interior, y las reacciones de dispersión elástica, dispersión inelástica (principalmente excitación de Coulomb) y de transferencia ocurren en secuencia (en reacciones nucleares de iones pesados, dispersión elástica, dispersión inelástica y reacciones de transferencia generalmente se denominan dispersión cuasi elástica), colisión inelástica profunda de iones pesados y reacción de fusión completa (a veces, a medida que b disminuye, primero se producirá una reacción de fusión completa y luego se producirá una colisión inelástica profunda). La física nuclear de iones pesados es una rama de la física nuclear. Se utilizan iones pesados acelerados a diversas energías para bombardear núcleos atómicos y estudiar los cambios en la estructura y el movimiento nucleares. Este es un campo fronterizo activo de la física nuclear en los últimos 20 años. Los haces de iones pesados también se utilizan para estudiar la estructura y propiedades de átomos, moléculas y materia condensada. Radioterapia con iones pesados Radioterapia con iones pesados: La quintaesencia de la radioterapia con iones pesados es la ventaja de los protones en la distribución de la física de la radiación. También tiene un fuerte efecto radiobiológico y tiene un efecto de destrucción de tumores más fuerte que los protones, especialmente aquellos que son resistentes a la radiación de fotones y protones, como las células tumorales en las fases OO y S, las células inflamadas hipóxicas y las células cancerosas intrínsecas resistentes a la radiación. Tumores, como el melanoma. Tomando como ejemplo las células tumorales hipóxicas más comunes en los tumores, la cantidad de fotones para destruirlas requiere al menos 3 células de las células ricas en oxígeno que no han sido destruidas. La capacidad de Chong Mu Zao para matar células hipóxicas es tres veces mayor que la de los fotones.
Las partículas pesadas son un "arma de doble filo" debido a sus efectos radiobiológicos más potentes. Si se irradian iones pesados sobre tejidos y órganos normales. También se producirán daños graves por radiación. Por lo tanto, se deben aplicar técnicas de radioterapia precisas, incluidos dispositivos reproducibles de posicionamiento del paciente y localización precisa del tumor. Administración precisa de dosis de radioterapia, radioterapia guiada por imágenes, control del área objetivo del tumor en movimiento, etc. Haga que la distribución física de la dosis sea consistente con la forma tridimensional del tumor y concentre la dosis en el tumor. Y relativamente poca exposición a los tejidos y órganos normales del estómago. El principal tipo de radiación utilizada en la radioterapia de tumores son los iones de cloruro. La aplicación clínica de iones pesados se lleva a cabo principalmente en Japón y Alemania. El Instituto Nacional de Ciencias Radiológicas (NIRS) de Japón inició ensayos clínicos de radioterapia con iones de carbono en 1994. Desde junio de 1994 hasta febrero de 2008, el NIRS*** trató a 3.819 pacientes con tumores con partículas de carbono. Incluyendo 4.053 lesiones tumorales, incluidos 762 casos de cáncer de próstata. Hubo 550 casos de cáncer de pulmón, 53 casos de tumores de cabeza y cuello y 491 casos de tumores malignos de tejido óseo y hepático. 307 casos de cáncer primario. Hubo 177 casos de cáncer de recto, 128 casos de cáncer de útero y 101 casos de inflamación del sistema nervioso central. 82 casos de melanoma de retina. Hubo 52 casos de tumores de la base del cráneo, 53 casos de cáncer de esófago y 484 casos de otros tumores. Los resultados del tratamiento clínico muestran que la radioterapia auxiliar ha logrado buenos resultados en tumores de base de cráneo, tumores de cabeza y cuello, tM: cáncer de pulmón de células, cáncer de hígado hepatocelular primario, cáncer de próstata, tumores de huesos y tejidos blandos. En cáncer de pulmón en etapa temprana. La tasa de control local de tumores de cáncer de hígado y de próstata ha alcanzado la misma eficacia que la resección quirúrgica. Debido a que el tratamiento no es invasivo, más pacientes podrán recibir el tratamiento, como los pacientes de edad avanzada con problemas cardíacos, hepáticos o hepáticos. función que no pueden aceptarla pacientes de cirugía. Por tanto, se han ampliado las indicaciones para el tratamiento de tumores. El Hospital de Protones e Iones Pesados de Shanghai y el Centro de Radioterapia de Iones Pesados del Hospital Oncológico afiliado a la Universidad de Fudan están en construcción. El hospital proporcionará a los pacientes radioterapia con fotones. La radioterapia de protones e iones pesados integra la radioterapia de fotones moderna con la radioterapia conformada tridimensional y de intensidad modulada, la tecnología de radioterapia guiada por imágenes y la tecnología de radioterapia de protones e iones pesados, especialmente la tecnología de escaneo en forma de bolígrafo que genera radiación. Puede lograr un alto grado de adaptabilidad para la radioterapia de tumores y es la tecnología de tratamiento de tumores más avanzada hasta el momento. El hospital comenzó a construirse en agosto de 2009 y se espera que comience la radioterapia con protones e iones pesados en la segunda mitad de 2013. Equipo de radioterapia El principal acelerador a gran escala es fabricado por la empresa HIMAC y es un dispositivo especialmente utilizado para estudiar la radioterapia del cáncer con rayos de partículas pesadas. Los aceleradores incluyen principalmente el acelerador RFQ, un acelerador lineal con un diámetro de 0,6 metros y una longitud de aproximadamente 7,3 metros, que puede acelerar a 800 keV/nucleón (aproximadamente el 4% de la velocidad de la luz). El acelerador ALVARE, un acelerador lineal. con un diámetro de 2,2 metros y una longitud de unos 24 metros. Puede acelerar a 6 MeV/nucleón (aproximadamente el 11% de la velocidad de la luz). El electroimán de desviación del acelerador principal es un electroimán que desvía partículas pesadas para mantenerlas en una órbita de giro sincrónico. La fuerza del campo magnético cambia con la velocidad. Energía de aceleración. Finalmente, pasa por una cavidad de aceleración de alta frecuencia. Después de cien mil revoluciones, la energía más alta alcanza los 800 MeV/nucleón (aproximadamente el 84% de la velocidad de la luz). Cuando los iones pesados del campo material penetran en la película, se forma un fuerte culombio. La interacción ocurre con los electrones en el medio, y los electrones son La probabilidad de exfoliación es mayor que la probabilidad de recombinación, por lo que después de que los iones pesados de alta velocidad pasen a través de la película del medio, estarán en un estado altamente exfoliado. La medición de los espectros emitidos por iones excitados a diferentes distancias detrás de la película (en diferentes momentos después de la excitación) permite estudiar las propiedades y la vida útil de estos estados excitados (ver espectroscopia de haz-lámina). La aplicación de haces de iones pesados proporciona condiciones favorables para estudiar las características de la capa interna de los átomos, lo que está estrechamente relacionado con la investigación astrofísica. Además de la tecnología de implantación de iones utilizada en la fabricación de dispositivos semiconductores y el tratamiento de superficies de materiales (como cambiar la dureza de la superficie, el coeficiente de fricción y la resistencia a la corrosión de los materiales), también se pueden utilizar haces de iones pesados para cambiar las propiedades de películas delgadas. y crear poros con diámetros que van desde unos pocos nanómetros hasta varios nanómetros filtros de membrana nuclear de decenas de micras. La eficiencia del uso de la simulación de haces de iones pesados para estudiar el daño por radiación de los componentes que liberan calor y los materiales estructurales en reactores de fisión o reactores de fusión es mucho mayor que la de otros métodos. Valor El valor médico de la radiación de iones pesados es un método de radioterapia avanzado y eficaz reconocido en el tratamiento de tumores y cánceres. Esto está determinado por las propiedades físicas y biológicas únicas de la radiación de iones pesados. Las propiedades físicas son tales que los iones de carbono, al igual que otras partículas fuertemente cargadas, tienen la propiedad de invertir la distribución de dosis.
Cuando los iones pesados penetran en los materiales, pierden energía principalmente a través de colisiones con electrones fuera del núcleo del átomo objetivo. A medida que disminuye la energía de los iones, aumenta la probabilidad de tales colisiones. En la mayor parte del rango de iones que ingresan al cuerpo humano, la enorme energía inicial hace que los iones atraviesen el tejido muy rápidamente, por lo que la energía perdida es pequeña y forma una meseta de energía relativamente baja al final del rango; La pérdida de energía, el movimiento de los iones se ralentiza y la probabilidad de colisión con el electrón objetivo aumenta, formando eventualmente un pico de dosis alta (pérdida de energía) pronunciado al final del rango, el pico de Bragg, después del cual la dosis cae rápidamente. La profundidad del pico de Bragg se puede ajustar cambiando la energía inicial de los iones incidentes. Durante el tratamiento, el pico de Bragg ampliado se ajusta con precisión para cubrir toda el área objetivo del tumor, de modo que el tejido normal circundante reciba sólo una pequeña dosis de radiación. Utilizando la capacidad de carga de iones pesados, la tecnología de escaneo de rejilla se puede utilizar para lograr un "tratamiento conformado" guiando haces para realizar tomografías precisas de los tumores. Además, la dispersión de iones pesados es menor que la de protones y fotones, lo que también resulta muy beneficioso para una distribución precisa de la dosis. Las características biológicas son tales que los rayos de iones pesados causan directamente daños irreparables a las dobles hebras del ADN. En el caso de las células cancerosas hipóxicas que son insensibles a los rayos de fotones ordinarios, los rayos de iones pesados también pueden dañar las dobles hebras del ADN, volviéndolas irreparables. Con base en estas dos características, se puede ver que la radioterapia con iones pesados tiene un gran valor médico y se convertirá en uno de los principales tratamientos para tumores y cánceres en el futuro. Acelerador de iones pesados El acelerador de iones se refiere a un acelerador que se usa para acelerar iones más pesados que las partículas alfa. A veces también se puede usar para acelerar protones. Los aceleradores de iones pesados pueden acelerar una gran cantidad de iones pesados a velocidades muy altas, incluso cercanas a la velocidad de la luz. Los iones pesados de alta velocidad forman haces de iones pesados, que se utilizan para llevar a cabo investigaciones sobre la física de los iones pesados. La mayoría de los aceleradores de iones pesados nuevos y reconstruidos en el mundo son ciclotrones isocrónicos (es decir, ciclotrones centrados en sectores). El segundo es el acelerador electrostático tándem. Para obtener mayor energía, muchos dispositivos de nueva construcción utilizan dos o más aceleradores conectados en serie. Para formar un sistema acelerador de iones pesados, algunos son un acelerador electrostático en serie inyectado en un ciclotrón o un acelerador lineal, y otros son dos ciclotrones conectados en serie. Para transportar el haz desde el inyector al acelerador principal, se requiere un sistema de transporte de haz para transformar adecuadamente la forma del haz desde el inyector para satisfacer los requisitos del haz del acelerador principal. Además, para reducir la pérdida de iones causada por el intercambio de carga, se requiere que el acelerador y el sistema de transporte del haz tengan una directividad alta, generalmente alrededor de 1×10-7Torr. En la línea de transporte debe haber un dispositivo de análisis de carga. La estructura del acelerador de iones pesados determina que su depuración y operación son relativamente complicadas. Generalmente, se debe equipar un sistema de control automático para controlar la depuración y operación. Por supuesto, es esencial un equipo de diagnóstico de haz en el acelerador y en la línea de transporte. Menos. El primer acelerador médico de iones pesados desarrollado independientemente en China lanzó con éxito un haz. Esto significa que la radioterapia con iones pesados para pacientes con tumores ya no dependerá de equipos técnicos extranjeros. Este acelerador médico de iones pesados está ubicado en la ciudad de Wuwei, provincia de Gansu y fue desarrollado en mayo de 2012. En la actualidad, se ha logrado una aceleración del haz de iones de carbono y una extracción lenta por oscilación no lineal de 400 MeV por nucleón, alcanzando los objetivos de diseño. El equipo se puede utilizar para radioterapia con iones pesados para pacientes con tumores, especialmente para tipos de tumores que son difíciles, no aptos para cirugía y propensos a la recurrencia utilizando otros métodos de tratamiento.