Выравнивание пучка квантов бетатрона
Вследствие резкой направленности излучения бетатрона распределение его по сечению коллимированного пучка крайне неравномерно. В случае бетатрона на энергию 10 МэВ доза у края пучка составляет 66 % от дозы на оси пучка. Если пучок предназначен для терапии, такая неравномерность излучения по поверхности поля облучения недопустима, так как создает неодинаковое облучение участков ткани, охватываемых его сечением. Для устранения этой неоднородности применяют выравнивающий фильтр специальной конфигурации. В связи с высокой энергией излучения бетатрона, по сравнению с обычным рентгеновским излучением, необходимо выбрать особый материал для фильтра. Широко распространенный в рентгенотехнике материал для фильтра свинец при бетатронном излучении применять нельзя, так как он наиболее легко пропускает излучение с энергией ≈ 3 МэВ и для радиации с большой энергией не является хорошим фильтром. Средняя энергия излучения после прохождения через слой свинца становится меньше.
Для эффективного фильтрования излучений высокой энергии применяют легкие элементы – алюминий и углерод (графит), для которых эффективное сечение процесса образования пар невелико. Однако для того чтобы заметно ослабить излучение алюминиевым или графитовым фильтром, требуется большая толщина фильтра на оси пучка, что делает фильтр неудобным в эксплуатации. Медь имеет промежуточный атомный номер между свинцом и углеродом и обладает хорошим свойством: ослабляет излучение равномерно в области от 5 до 25 МэВ, оставляя спектральный состав излучения почти неизмененным. Толщина медного слоя, необходимого для ослабления излучения, невелика, фильтр получается компактным и удобным в эксплуатации. Поэтому медь часто используют в качестве материала для изготовления фильтра.
Выравнивающий фильтр помещают на пути коллимированного пучка, полностью перекрывая его сечение. Применяя фильтр, стремятся снизить интенсивность излучения в пучке до определенного значения в любой точке его сечения. Так как она уменьшается по мере удаления от оси пучка, толщина фильтра получается наибольшей по оси пучка, затем постепенно понижается и у края сечения пучка имеет минимальное значение. Таким образом, выравнивающий фильтр приобретает вид усеченного конуса.
Применение пучка электронов для терапии
Пучок ускоренных электронов, выведенный из камеры бетатрона любым из известных методов, можно использовать для лучевой терапии, а в некоторых случаях он имеет неоспоримые преимущества перед тормозным излучением. На рис. 4 показаны кривые распределения глубинных доз для пучков электронов различной энергии. Максимальное значение дозы принято для всех кривых за 100 %. Как видно из графика, максимальное значение интенсивности облучения достигается сразу же после входа пучка в объект. Чем выше значение энергии пучка, тем больше глубина, на которой эффективно действует излучение. При этом интенсивность излучения по достижении некоторой глубины, соответствующей среднему пробегу ускоренных электронов в биологической ткани, резко уменьшается и быстро доходит до нулевого значения. Это обстоятельство весьма ценно, когда непосредственно за опухолью находится жизненно важный орган, который нежелательно подвергать облучению во время сеанса лечения.
Рис. 4. Распределение изодоз в воде
Бетатроны с энергией менее 20 МэВ практически не могут удовлетворить требований глубокой электронной терапии, так как их пучок электронов не может доставить на необходимую глубину требуемую дозу. Если опухоль расположена глубже, то здоровые ткани, находящиеся на пути пучка между поверхностью кожи и опухолью, могут подвергнуться слишком большим дозам облучения. В этом случае и метод перекрестного (двухпольного) облучения, широко используемый при терапии γ-излучением, практически не спасает положения. Поскольку расстояние между кожей и опухолью при наклонном угле входа увеличивается, то это приводит к уменьшению дозы на опухоли, а если глубина при этом превысит 7 см, то доза на опухоли при энергии излучения 20 МэВ и вовсе станет равной нулю. Фирма Браун-Бовери для терапевтических целей выпускает бетатроны на энергию 35 и 45 МэВ. Пучки электронов с такой энергией на глубине 14-15 см сохраняют мощность дозы на уровне 60–70 % максимального значения, что весьма устраивает терапевтов-радиологов. Интенсивность излучения в пучках электронов чрезвычайно высока (на 2–3 порядка превышает интенсивность тормозного излучения бетатрона при той же максимальной энергии), и ее значение колеблется от сотых долей до 1,66 Гр · с –1 . Поэтому запас по интенсивности достаточно высок и позволяет снижать энергию пучка электронов до желаемого уровня, не опасаясь падения интенсивности. Полезная проникающая способность бетатронного пучка электронов приблизительно равна одной трети его энергии, выраженной в мегаэлектронвольтах. Изменение энергии пучка значительно расширяет возможности бетатрона. Высокоэнергетические γ-излучение и пучки электронов очень удобны для глубокой терапии. Пучок электронов при малой энергии – идеальное средство для лечения поверхностных опухолей.
Коллиматор пучка для терапии электронами состоит из экрана и тубуса. Экран предназначен для ограничения угла пучка и должен поглощать электроны за пределами установленных границ. При этом интенсивность тормозного излучения, возникающего в материале экрана при торможении в нем электронов, и поток вторичных электронов, образуемых на внутренних краях экрана, должны быть минимальными. Эти противоречивые требования удовлетворяются соответствующим выбором размеров экрана и специальной композицией точно определенных пропорций стали и свинца, из которых изготавливают экран. Тубус из оргстекла используют для совмещения выходного сечения пучка электронов с полем облучения объекта (пациента). Для уменьшения «загрязнения» пучка рассеянным излучением, генерируемым в материале коллиматора, его приближают вплотную к пациенту. Поэтому коллиматоры для пучка электронов съемные, отдельные для каждого размера и формы поля облучения и их прикрепляют к бетатрону с помощью специального держателя (рис. 5).
В пучке электронов интенсивность должна быть выравнена по сечению с точностью ±10 %. Конический выравнивающий фильтр, используемый при γ-излучении, заменяют очень тонкой медной пластинкой, при прохождении через которую пучок электронов заметно расширяется за счет рассеяния. При правильном подборе фильтра однородность пучка электронов получается вполне удовлетворительной.
Рис.5. Коллиматоры пучка электронов
Высокая интенсивность пучка электронов позволяет использовать короткие промежутки времени облучения – не более 1 мин, что существенно повышает дневную пропускную способность бетатрона. При выводе пучка электронов для медицинских целей приходится затрачивать много усилий для достижения параллельности осей тормозного излучения и пучка электронов [150]. Если удается совместить оси обоих пучков, то многие устройства и детали, предназначаемые для формирования и юстировки пучка тормозного излучения, можно использовать и при работе с пучком электронов. Однако, несмотря на эти усилия, полной параллельности осей пучков и их совпадения часто не удается достигнуть.
Эта проблема просто решена в медицинском бетатроне на энергию 18 МэВ, разработанном в Институте физики плазмы в Праге (Чехия). В этом бетатроне электронный и тормозной пучки распространяются в диаметрально противоположных направлениях перпендикулярно продольной оси бетатрона (рис. 6). Смена пучка электронов на пучок тормозного излучения и наоборот осуществляется механическим поворотом излучателя на 180°.
Рис.6. Бетатрон на энергию 18 МэВ для терапии электронами
и γ-излучением (Чехия)