Vad är en neutron och vad kan man göra med neutroner??

Transkript

1 Neutronen i Medicinens tjänst! Vad är en neutron och vad kan man göra med neutroner?? Bertil R.R. Persson PhD, MDhc Professor emeritus Medical Radiation Physics bertil_r.persson@med.lu.se

2 ?? ESS

3 Det började 1888 i Lund en gråkulen november natt då Johannes Janne Rydberg härledde en ekvation som beskrev de experimenella resultaten av spektrallinjerna i väte spektrum. H Niels Bohr i Köpenhamn härledde 1913 ekvationen teoretiskt baserat på sin atommodell. enligt vilken elektronerna rör sig i cirkulära banor runt atomkärnan, där centripetalkraften kompenserar coulombkraften och rörelsemängdsmoment är kvantiserad till ett heltal gånger Plancks konstant, p = nh/2π. / Detta leder till att elektronen endast kan inta vissa specifika energinivåer 4 4 me e 1 1 hc me e E h ; R H 8 0h n1 n 2 8 0ch

4 Centripetalkraften = Coulombs kraften p =mv= nh/2π me 1 1 hc me E h R H e e ; 2 3 0h n1 n2 0ch

5

6 1930 upptäckte de tyska fysikerna Walther Bothe och Herbert Becker att när de högenergetiska alfa-partiklar som polonium-210 utstrålar träffade på vissa lätta grundämnen som beryllium, bor och litium så uppstod en ovanligt genomträngande tä typ av strålning tål som dom trodde var någon form av gammastrålning dvs elektromagnetisk.

7 Z + Antal protoner Antal neutroner N Antal protoner Z

8 1932 gjordes nästa betydande upptäckt av Irène Joliot-Curie och Frédéric Joliot i Paris, som tidigare upptäckt och isolerat polonium. De visade att om den mystiska strålning som utstrålar från Po-210/Be preparat träffade paraffin, eller andra kemiska föreningar innehållandes väte så utsändes protoner med mycket hög energi. Detta motsade emellertid inte i sig själv tron på att det var fråga om någon form av elektromagnetisk strålning.

9 1932 utförde den brittiske fysikern James Chadwick en serie experiment som slutgiltigt g visade att hypotesen att neutroner var besläktade med gammastrålar var fel. Han föreslog i stället att strålningen utgjordes av oladdade partiklar (neutroner) med ungefär samma massa som protonen. Han utförde även experiment som stödde detta antagande Genom beräkningar baserade på rörelsemängen P=mv, hos de spridda protonerna kunde han visa att massan på den neutrala strålningens partiklar var nästan exakt lika stor som massan för en proton.

10 Utanför atomkärnan är neutronen instabil och sönderfaller med en medellivslängd 885,7 ± 0,8 s, motsvarande en halveringstid på 10 minuter och 14 s. Vid sönderfallet omvandlas neutronen till en elektron, en antineutrino och en proton: +

11 1932: Enrico Fermi, utförde detta år experiment med att bestråla tunga atomkärnor som uran med neutroner med avsikt att producera ännu tyngre grundämnen. Resultaten var emellertid svårtolkade men fick sin naturliga förklaring år 1939.

12

13 1939 upptäckte Otto Hahn och Lise Meitner i Berlin fissionsprocessen vilket blev upptakten till en kapplöpning mellan nazi-tyskland och den fria världen om vem som först kunde framställa en fissionsi bombb dagligt talat t en atombomb. Det blev USA som med hjälp av Enrico Fermi vann kapplöpningen och fällde den första atombomben över Hiroshima Vad som hände med Nazi- Tysklands atombomb är fortfarande höljt i dunkel.

14 Hade Hitler s Nazityskland utvecklat en egen Atom bomb?

15

16 Vi återvänder till Lund där det börjadenär Johannes Janne Rydberg den 5te november, 1888 härledde en ekvation som beskrev de experimenella resultaten av spektrallinjerna i väte spektrum. H Niels Bohr härledde 1913 ekvationen teoretiskt baserat på sin atommodell. enligt vilken elektronerna rör sig i cirkulära banor runt atomkärnan, där centripetalkraften kompenserar coulombkraften och rörelsemängdsmoment är kvantiserad till ett heltal gånger Plancks konstant, p = nh/2π. Detta leder till att elektronen endast kan inta vissa specifika energinivåer me 1 1 hc me E h R H e e ; 2 3 0h n1 n2 0ch

17 Louis de Broglie ( ) 1987) utvecklade Bohr's ideer och härledde en ekvation som kunde förklara elektronens och materiens vågegenskaper. Ekvationen innebar att elektronens våglängd är en funktion av Planck's konstant ( joule se) dividerad med dess rörelsemoment (massa multipicerad med dess hastighet)

18 Louis de Broglie ( ) p = nh/2π h /( m v) h / p vågtalet k = 2 / 2 = 5 Hans ekvation verifierades experimentellt 1927 då Lester Germer and Clinton Davisson riktade en stråle av elektonermot ee e ot en kristallin nickel target. Resulatet blev ett diffraktions mönster som matchade de Broglies ekvation..

19 De Broglie s ekvation De Broglie kombinerar Plancks ekvation E = h = h c/ : för sambandet mellan energin hos en foton E och dess våglängd Einsteins ekvation E=mc 2 för sambandet mellan vilomassan för en partikel med massan m och ljushastigheten c E = h = h c/ =mc 2 h / = mc = p rörelsemomentet = h/p de Brogle generaliserar denna ekvation till att gälla partiklar med impulsen p=mv där v är partikelns hastighet. Om vi inför Dirac s konstánt h 2 vågtalet k = 2 / och Vinkelfrekvensen = 2 får vi sambanden p E k observera att vågtalet är en vektor

20

21 c

22

23

24 Vågl ängd / nano-m MW 1 mm THz Fotoner = 1239 / E IR m Elektroner = 1,23 E -1/2 1 Å Neutroner 10-3 = E -1/ Moleky ylstrukture er UV E-4 1E-3 0,01 0, Energi / ev

25

26 1945 studerade CLIFFORD G. SHULL i USA kristall strukturer med hjälp av neutrondiffraktion vilket gav honom Nobelpriset 1994 tillsammans med Bertram N. Brockhouse som 1955 utvecklat neutron spektroskopin.. Neutron spridning och spektroskopi har sedan dess utvecklats till oehört kraftfulla verktyg för att studera molekyläralä processer och strukturer i olika material. Det är framför allt detta som den projekterade ESS anläggningen i LUND planeras att användas till. Men det finns också en vidsträckta möjligheter för medicinsk användning av neutroner både för diagnostik och tumörterapi

27 Parallellt med fissionsforskningen studerade man spridning av neutroner. Det visade sig då att neutronen hade både partikel och vågliknade egenskaper. Våglängden hos långsamma neutroner visade sig passa med atomära och molekylära lä stukturer Fotoner = 1239 / E 1000 nm nm 1 nm 0,1 nm Vå åglängd / nano-m Elektroner = 1,23 E -1/2 Neutroner = E -1/ E-4 1E-3 0,01 0, Energi / ev

28 6 High Angle Neutron Fiber Diffraction in the Study of Biological Systems

29 8 Small Angle Neutron Scattering

30 9 Small AngleNeutron Scattering from Proteins, Nucleic Acids, and Viruses chaperonins GroEL and GroES

31 10 Structure and Kinetics of Proteins

32

33 11 Complex Biological Structures: Collagen and Bone

34 Neutronen har 3 kvarkar med spinn ½ varav 2 är motsatt ritade och tar ut varandera Det resulterande spinnet ½½ år riktat motsatt banimpulsmomentet så att neutronens gyromagnetiska föhållandet blir negativt Neutronen är en magnet +½ ½ n N gyromagnetiska föhållandet = 1,913 ½

35 Ne tronerkan detetera magnetism påenlängdskala från1 100Å Neutroner kan detetera magnetism på en längdskala från Å och på en tidsskala från s dvs 1 pico s 1 nano s. Vilket innebär att de kan användas för att studera hur elektroner uppför sig i kemiska bindningar vid olika reaktioner.

36 Neutroner kan användas för att studera strukturer på en längd skala kl Å (0, nm) samt molekyl och elektronrörelser i en tidsskala som omfattar 1 pico s till 1 nano s ( s) Neutronspridning är det mest kraftfulla verktyg vi har för att studera magnetism i olika material. Det är bland annt detta ESS skall användas till.

37 Sames 14 MeV neutrongenerator Radiofysik i Lund på 1970 talet För 40 år sen Om <10 år ESS i Lund?? BNCT rbrp

38 European Spallation Source ESS AB ska konstruera, bygga och driva världens mest kraftfulla neutronkälla för materialforskning i nordöstra Lund. Anläggningen kommer att öppnas 2019 och har planerad byggstart CMSV Med dess kommer forskarna att få möjlighet att studera material på atom och molekylnivå. Tillsammans med synkrotronljuslaboratoriet Max IV, som byggs intill ESS, bildas i Lund ett världsledande Europeiskt centrum för materialforskning och Centrum för Medicinsk Strålningsvetenskap??

39

40

41 Medicinskt Forskningcenter?? Centrum för Medicinsk Strålningsvetenskap CMSV

42 Neutronkällan i ESS Högenergetiska protoner träffar en target av tungmetall (Kvicksilver, Bly/Vismut, eller Volfram). De tunga atomkärnorna splittras i kärnfragment (Spallation), varvid protoner, gamma strålning och neutroner bildas i stora mängder.

43 Neutronutbytet från en bly target ökar nästan linjärt med proton energin upp till omkring 12Giga Giga ev Neutron energi spektrum från kvicksilver och bly target.

44 Grafisk representation av neutron stråle för radiografi

45 Vid Medicinsk Strålnings Fysik i Lund arbetar vi sedan 1970 talet för medicinsk användning av neutroner. I början av detta millienium genomfördes bor-neutron-infångnings-terapi terapi (BNCT) av patienter med hjärntumörer vid R2 reaktorn i Studsvik. Det finns ett stort intresse för denna typ av behandling på oilka håll i världen främst i Japan. Även diagnostik med neutroner har visat sig ha unika fördelar jämfört med vanlig röntgendiagnostik.

46 Forskningens Dag 1983 Bertil R.R. till höger i bild med hyperthermiposter (skymd)

47 GLIOMA THERAPY THE HERBERT OLIVECRONA LECTURES KAROLINSKA HOSPITAL DECEMBER

48

49 Grows like an octopus. Sends migrating guerilla-cells into the surroun- ding normal brain Med dagens rutinmetoder kan endast ca 2 av 1000 patienter med Malignt Gliom botas. Salford

50 Neutron Behandling i två steg 1. Stabilt 10 B ges Intravenöst som Bor-fenyl-alanin B i tumören aktiveras ned Neutroner Termiska neutroner

51 Neutroninfångning i bor 10 4 He 9 m Prompt gamma n 10 B 5 m 7 Li Termiska neutroner infångas av 10 B Energin (2.3 MeV) deponeras mycket lokalt

52 Kärnreaktioner i hjärnan 4 He 10 B 7 Li

53 Forskningsreaktorn i Studsvik

54 Bestrålning

55

56 InTech is a multidisciplinary i li Open Access publisher of books and journals Bertil Persson PhD, MDhc,professor em Medical radiation physics Barngatan 2, SE Lund, Sweden tel ; Mobil: bertil_r.persson@med.lu.se persson/index.html

57 Neutroner kan också användas till medicinsk diagnostik som komplement till vanlig röntgendiagnostik.

58 I motsats till Röntgenstrålning g kan neutroner penetrera metaller som bly och uran. I motsats till Röntgenstrålning g penetrerar Neutroner med svårighet vatten och organiskt material. Med neutrondiagnostik kan man undersöka insidan av metallobjekt där inga andrametoder är möjliga.

59 Jämförelse av sannolikheten att absorberas (tråffytan) i ämnen med olika atomnummer för röntgenstrålning (gula) och neutroner (blåa)

60

61 Internalview e of Neutron Radiographic beam (shielding partially removed). The detector arrangement is shown at the front

62 Neutron bilder kan skapas med vanlig röntgenfilm med hjälp av en platta som absorberar neutroner (Cd) och avger fotoner (scintillator). På senare år har man ersatt filmen med digitala CCD kameror och en scintillator.

63 CCD kamera med scintillator t

64 Uppställning med CCD kamera som registtrerar bilden i scintillatorskärmen med Hjälp av en spegel för att undvika neutronstrålning direkt i CCD kameran.

65 th-neutrons X-rays 20 kev adenocarcinoma liposarcoma, leiomyoma Avbildning av tumörer imaged med termiska neutroner (upptill) och mjuk 20 kv röntgen strålning (nedtill). Neutron bilderna visar större kontrast beroende på högre halt av väteatomer I tumörvävnad.

66 thermal neutrons X-rays 42 kv Avbilning av en råttsvans och en råttfot med (A) termiska neutroner and (B) 42-kV röntgenstrålning

67 Epithermal neutrons X-rays 42 kv Avbildning av ett råtthuvud med: (A) epithermal (i.e., 0.5 to 2 ev) neutrons and (B) 42 kv röntgen strålning

68 Neutron computed tomography of rat lungs Neutrons (energy between 2 and 30 mev; V flux at target: 10 8 neutrons s 1 cm 2 2) enter a 16 m long evacuated aluminium flight tube through a collimator (typically 20 mm diameter), delivering a quasi parallel beam without intrinsic image magnification. A beam diameter at the sample position is cm, but for lung measurements typically 4 4 cm beam diameters were used. After penetrating the sample, neutrons are detected by a nuclear reaction ( 6 Li(n,α) ) 3 H) in a LiF+ZnS(Ag,Cu) scintillation screen. This reaction is highly exothermic with a kinetic energy of 4.7 MeV. Resolution is limited to about 100 μmon a standard screen (thickness: 200 μm) and to about 30 μm (thickness: 50 μm) on specially thinned screens, which were used here. A high resolution cooled CCD camera (Andor DW436, pixel, 16 bit) records the resulting image.

69

70

71

72

73 Sammanfattningsvis så kan neutron CT generera högkvalitativa lung bilder. Neutron CT befinner sig ännu på utvecklings stadiet, men har stor potential att utvecklas till att visualisera luftvägarna ända ner till 10:e förgreningen. Detta kan användas till att öka förståelsen för basal lung fysiologi och patologi till stor nytta för mångapatienter medt.ex KOL.

74 Tack för uppmärksamheten äk

75