درمان سرطان با شتاب دهنده ذرات

شتاب دهنده‌های ذرات اگر اینقدر بزرگ نبودند، می‌توانستند فوق‌العاده مفید باشند. به عنوان مثال شتاب‌دهنده "SLAC" تقریبا ۳.۲ کیلومتر طول دارد، در حالی که شتاب دهنده معروف آزمایشگاه "سرن"(CERN) موسوم به "LHC" بیست و هفت کیلومتر طول دارد.اکنون دانشمندان دانشگاه استنفورد موفق به کوچک کردن این فناوری برای قرار دادن آن در یک تراشه رایانه‌ای شده‌اند.این امر می‌تواند به روش‌های دقیق‌تر برای پرتودرمانی سرطان منجر شود.ذرات در شتاب دهنده‌های رایج از طریق تونل‌های خلاء تابیده می‌شوند و به سرعت‌های فوق العاده بالایی می‌رسند. شتاب دهنده "SLAC" با تابش مایکروویو ذرات، آنها را سرعت می‌بخشد، در حالی که شتاب دهنده "LHC" از الکترومغناطیس‌های ابررسانا برای این کار استفاده می‌کند.

ماشین آلات مورد نیاز برای انجام این کار باعث می‌شود این سیستم‌ها بسیار حجیم و برای استفاده در بیمارستان‌ها و مراکز علمی کوچک‌تر نامناسب باشند. در گذشته آزمایشگاه "CERN" موفق به ایجاد یک نمونه اولیه کوچک‌تر شده است که در حدود دو متر طول دارد و اکنون گروهی از محققان دانشگاه استنفورد و "SLAC" نسخه‌ای کوچک‌تر را ساخته‌اند که به اندازه یک تراشه سیلیکونی است.الکترون‌ها در این طراحی جدید از طریق یک کانال خلاء بسته شده که ۳۰ میکرومتر طول دارد و نازک‌تر از موی انسان است، تابیده می‌شوند. این دستگاه به جای مایکروویو یا آهن‌ربا، ذرات را با استفاده از نور مادون قرمز شتاب می‌بخشد که از طریق سیم‌های سیلیکونی که در دیواره‌های داخل کانال قرار دارند، حرکت می‌کنند.یک لیزر مادون قرمز اشعه‌ها را با سرعت ۱۰۰ هزار بار در ثانیه می‌تاباند و هر بار، تکه‌ای از فوتون‌هایی که الکترون‌ها را با زاویه صحیح آزاد می‌کنند، ارسال می‌کند تا آنها را شتاب دهد.

این شتاب دهنده ذرات در شکل فعلی بر روی تراشه آماده استفاده عملی نیست، اما نتایج نشان می‌دهد که این مفهوم عملی است. در حال حاضر این تراشه تنها موفق شده است به الکترون‌ها ۰.۹۱۵ کیلو الکترون ولت(keV) انرژی بدهد که تقریباً هزار برابر کمتر از مقدار مورد نیاز برای تحقیقات یا برنامه‌های پزشکی است.این گروه تا پایان سال به یک مگا الکترون ولت(MeV) یا چیزی در حدود هزار برابر بیشتر از شکل فعلی خواهد رسید.چگونگی انجام این کار واضح است، محققان همان قطعه کانال را هزار بار تکرار می‌کنند که به ایجاد یک تراشه با طول ۱ اینچ(۲.۵ سانتی متر) منتهی می‌شود.محققان می‌گویند که اولین کاربرد این تراشه می‌تواند در توسعه تشخیص و درمان‌های سرطان باشد. به عنوان مثال یک لوله خلاء می‌تواند در یک بیمار قرار گیرد که یک انتهای آن مستقیماً به سمت تومور باشد. الکترون‌های شتاب یافته از طریق این دستگاه می‌توانند از طریق این لوله مستقیماً بدون اصابت به سلول‌های سالم، سلول‌های سرطانی را هدف قرار دهند.

شتاب‌دهنده دستگاهی است که در آن ذرات باردار مانند ذرات بنیادی، هسته اتم‌ها یا اتم‌های یونیزه شده، مولکول‌ها یا قسمت‌های مولکول به وسیله میدان‌های الکتریکی یا مغناطیسی تا سرعت‌های بسیار زیادی شتاب داده می‌شوند، به‌طوری‌که سرعت بسیاری از آنها حتی تا نزدیکی‌های سرعت نور می‌رسد. انرژی جنبشی ذره در این حالت به این ترتیب، به اندازه چندین برابر انرژی در حال سکون آن می‌باشد.از شتاب‌دهنده‌ها در زمینه‌های مختلفی از فیزیک از جمله در اندازه‌گیری‌های متعددی در فیزیک هسته‌ای استفاده می‌شود. یعنی از طریق شلیک ذرات، توسط شتاب‌دهنده به سوی جسم در حال تحقیق(Target) و پراکنده شدن آنها و اندازه‌گیری توسط یک دوربین یا به‌ طور بهتر آشکارساز(Detector) عملی می‌شود.در حال حاضر، بزرگ‌ترین شتاب‌دهنده در جهان در آزمایشگاه "سرن" قرار دارد.شتاب‌دهنده‌ها اصولاً به دو دسته خطی و دایره‌ای تقسیم می‌شوند.

مشهورترین شتاب‌دهنده‌های خطی شتاب دهنده "واندگراف" است و معروف‌ترین شتاب‌دهنده‌های دایره‌ای عبارت هستند از بتاترون، سیکلوترون، مایکروترون و سنکروترون.همچنین شتاب دهنده‌های ایستابرقی(الکتروستاتیکی) که در آن یون‌های منفی هیدروژن از پتانسیل زمین تا پتانسیل زیاد شتاب می‌گیرند و سپس با گذار از محفظه‌ای گازی یا برگه‌ای نازک، هر دو الکترونِ یون از آن کنده می‌شوند و پروتون باقی‌مانده دوباره شتاب می‌گیرد و به پتانسیل زمین می‌رسد را شتاب دهنده دو مرحله‌ای می‌گویند.این تحقیق در مجله Science منتشر شده است.