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Acelerador lineal

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  Para qué se usa este equipo

  Cómo funciona este equipo

  Quién maneja este equipo

  Cómo se garantiza la seguridad

Para qué se usa este equipo

Un acelerador lineal (LINAC) es el dispositivo que se usa más comúnmente para dar

radioterapia de haz externo a enfermos con cáncer. El acelerador lineal también se

 

puede usar para tratar todas las partes/órganos del cuerpo. Suministra rayos X de

 

alta energía a la región del tumor del paciente. Estos tratamientos con rayos X

pueden ser diseñados de forma que destruyan las células cancerosas sin afectar los

tejidos circundantes normales. El LINAC se usa para tratar todas las partes del

cuerpo usando terapias convencionales, radioterapia de intensidad modulada (IMRT) 

 

(www.RadiologyInfo.org/sp/info.cfm?pg=imrt), radioterapia con guía por imágenes

 

(IGRT) (www.RadiologyInfo.org/sp/info.cfm?pg=igrt), radiocirugía estereotáctica

 

(SRS) y radioterapia estereotáctica del cuerpo (SBRT) 

 

(www.RadiologyInfo.org/sp/info.cfm?pg=stereotactic).

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Cómo funciona este equipo

El acelerador lineal utiliza tecnología de microondas (similares a la que se usa para

radar) para acelerar los electrones en la parte del acelerador llamada "guía de

ondas", y luego permite que estos electrones choquen contra un blanco de metal

pesado. Como resultado de estos choques, los rayos X de alta energía son producidos

del blanco. Estos rayos X de alta energía son moldeados a medida que abandonan la

máquina para formar un haz que asemeja la forma del tumor del paciente, y este

haz personalizado es dirigido al tumor del paciente. El haz puede ser formado ya sea

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por bloques puestos en la cabeza de la máquina o por un colimador de multihoja

incorporado en la cabeza de la máquina. El paciente yace sobre un sillón movible de

tratamiento y se usan rayos láser para asegurar que el paciente esté en la posición

adecuada. El sillón de tratamiento se puede mover en varias direcciones, como ser

hacia arriba, hacia abajo, a la derecha, a la izquierda, hacia adentro y hacia afuera.

El haz sale de una parte del acelerador llamada gantry, que puede ser rotada

 

alrededor del paciente. La radiación se puede administrar al tumor desde cualquier

ángulo rotando el gantry y moviendo la camilla de tratamiento.

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Quién maneja este equipo

El radioncólogo del paciente determina cuál es el volumen apropiado del

tratamiento, cuáles estructuras normales deben evitarse, cuál dosificación esnecesaria para el tumor y cuál dosificación es segura para las estructuras normales.

El radiofísico médico y el dosimetrista determinan cómo suministrar la dosis

prescrita y calculan el tiempo necesario para que el acelerador lineal suministre esa

dosis. Los radioterapeutas manejan el acelerador lineal y administran a los pacientes

 

sus tratamientos diarios de radiación.

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Cómo se garantiza la seguridad

La seguridad del paciente es muy importante y se asegura de varias formas.

Antes de que se administre el tratamiento al paciente, el plan de tratamiento es

desarrollado y aprobado por el oncólogo radioterapeuta en colaboración con el

dosimetrista y el radiofísico médico. El plan es verificado dos veces antes de que se

administre el tratamiento, y procedimientos de control de calidad aseguran que el

tratamiento administrado sea igual al planeado.

El control de calidad del acelerador lineal también es muy importante. Hay varios

sistemas incorporados en el acelerador para que no suministre una dosis más alta

que la prescrita por el radioncólogo. Todas las mañanas, antes de iniciar los

tratamientos, el radioterapeuta realiza verificaciones en la máquina, usando un

equipo denominado "rastreador", para asegurar que la intensidad de la radiación sea

uniforme a través del haz y que esté funcionando correctamente. Además, el

radiofísico revisa de manera más minuciosa de forma semanal y mensual el

acelerador lineal y el equipo de control de la dosificación.

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Las máquinas de radiación modernas tienen sistemas de verificación internos que

ofrecen mayor seguridad de que la máquina no se encienda hasta que se hayan

cumplido perfectamente todos los requisitos de tratamiento prescritos por el

médico. Cuando todas las verificaciones se igualan y están perfectas, el

radioterapeuta encenderá la máquina para dar el tratamiento.

Durante el tratamiento el radioterapeuta vigila constantemente al paciente a través

de un monitor de televisión de circuito cerrado. Además, en la sala de tratamiento

hay un micrófono para que el paciente pueda hablar con el terapeuta si fuera

necesario. De forma regular se ven las películas de entrada (radiografías tomadas

con el haz de tratamiento) u otras herramientas de imágenes para cerciorarse de

que la posición del haz no se desvíe de la planificación original.

La seguridad del personal que opera el acelerador lineal también es importante. El

acelerador lineal se encuentra en una sala con paredes de plomo y concreto para

impedir el escape de los rayos X de alta energía. El radioterapeuta debe encender el

acelerador desde afuera de la sala de tratamiento. Debido a que el acelerador emite

radiación sólo cuando está encendido, el riesgo de una exposición accidental es

bajo. De hecho, a las mujeres embarazadas se les permite manejar los aceleradores

lineales.

Desarrollo del acelerador lineal

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Principo de construcción de un acelerador lineal según Ising y Wideröe.

Los primeros aceleradores de partículas con carga eléctrica se basaban en la aplicación de

un voltaje continuo; la energía máxima que alcanzan las partículas en este tipo de

acelerador es igual al voltaje multiplcado por su carga. La principal limitación de este

diseño es que, al aumentar el voltaje hasta unas decenas de megavoltios, se produce una

descarga eléctrica en el medio. Por este motivo se buscaron alternativas a este modo de

operación.3 Gustav Ising sugirió el uso de un voltaje alternante y Rolf Widerøe desarrolló

tal concepto por primera vez en el año 1928.4 5 

Este tipo de acelerador se compone de un número variable de tubos cilíndricos. Los tubos

alternos están conectados entre sí, de tal modo que se aplique una diferencia de potencial

oscilante entre los dos conjuntos de tubos. Debido a esta diferencia de potencial, las

partículas cargadas experimentan una aceleración en el espacio entre los tubos; una vez que

penetran en el tubo, este actúa como una caja de Faraday, aislándolas del campo eléctrico

oscilante hasta que emergen en el otro extremo, donde experimentan un nuevo empuje. El

tiempo que tardan las partículas en atravesar el tubo debe ser constante para mantenerse

sincronizado con el período de oscilación del campo eléctrico. Como la velocidad de las

partículas se incrementa a medida que viajan a lo largo del acelerador, los tubos deben tener

mayor longitud a mayor distancia de la fuente.1 Los primeros aceleradores de este tipo

funcionaban bien con partículas pesadas como iones, pero eran incapaces de impartir altas

energías a partículas subatómicas como protones o electrones. Debido a su poca masa, estas

partículas alcanzan una velocidad cercana a la de la luz y se requiere un campo oscilante a

frecuencias del orden de gigaherzios.3 La tecnología capaz de generar estas

radiofrecuencias no estuvo disponible para usos no militares hasta finalizar la SegundaGuerra Mundial.

Un acelerador de partículas líneal moderno es básicamente un cilindro que constituye una

guía de ondas, en la cual viaja una onda electromagnética. Consiste de:

  Una fuente de partículas.

  Una fuente de alto voltaje para la inyección inicial de las partículas.

  Un tubo hueco en el que se hace el vacío. Su longitud depende de las aplicaciones. Si es

para la producción de rayos X, su longitud es de 1 a 2 metros.

  Electrodos cilíndricos aislados eléctricamente. Su longitud depende de la distancia en el

tubo, así como del tipo de partícula a acelerar y de la potencia y la frecuencia del voltajeaplicado. Los segmentos más cortos están cerca de la fuente y los más largos, al otro

extremo.

  Fuentes de voltaje alterno, que van a alimentar a los electrodos.

  Un objetivo adecuado. Si se aceleran electrones para producir rayos X, entones se usa una

placa de tungsteno enfriada por agua. Si se aceleran protones u otros iones, se usan

diferentes materiales según la investigación a realizar.

  Se pueden requerir lentes magnéticas y eléctricas adicionales para mantener el haz

focalizado en el centro del tubo y los elementos aceleradores.

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  Los aceleradores muy largos pueden precisar el alineamiento de sus componentes

mediante servos y un haz de láser como guía.

Su tamaño va desde un tubo de rayos catódicos de un televisor hasta el acelerador lineal de

Stanford, California, de 3 kilómetros de longitud.

[editar] Ventajas del acelerador lineal

Los aceleradores lineales generan un haz de partículas cargadas de intenso, a alta energía y

un rango de características que lo convierten en un instrumento idóneo para múltiples

aplicaciones. Es posible obtener haces de pequeño tamaño, colimado, de pulsos

concentrados en el tiempo o con baja distribución de energías. Entre las ventajas de este

tipo de aceleradores se cuentan las siguientes:2 

  El haz atraviesa el acelerador una vez, lo que evita efectos de resonancia destructiva.  El haz viaja en línea recta, por lo cual no se producen pérdidas de energía por radiación

sincrotrón. 

  No se precisan de dispositivos complicados para inyectar y extraer el haz.

  Puede producir haces pulsados u operar a onda continua. 

[editar] Instalaciones de aceleradores lineales

Se pueden encontrar diferentes instalaciones de aceleradores lineales:

  Inyector en un sincrotrón de energías más altas en un laboratorio experimental de física

de partículas.  Inyector para láseres de electrones. El acelerador lineal de Stanford, en uso con este

propósito desde 2009, y el acelerador TESLA en DESY permiten obtener luz láser de rayos-

X.

  Desde un punto de vista práctico:

o  Terapia a base de rayos X contra tumores cancerígenos.

o  Pruebas del estado de materiales.

[editar] Aceleradores lineales en experimentos de altas energías

En la investigación física se suelen usar aceleradores de anillo tales como el LEP y el

recientemente inaugurado LHC ambos del CERN, en los cuales dos haces opuestos se

hacen colisionar en los puntos donde se encuentran los detectores. Esta configuración es

adecuada para electrones y positrones, pero no para otros casos pues las pérdidas

energéticas por radiación de sincrotón impiden alcanzar energías más altas de colisión.

Existen estudios para construir el Colisionador lineal internacional (ILC) y el colisionador

lineal compacto (CLIC).

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[editar] Véase también

  Acelerador de partículas 

  Acelerador de partículas circular 

[editar] Referencias

1.  ↑ a b c  d  «El acelerador lineal». Consultado el 17 de abril de 2012.

2.  ↑ a b c  Wangler, Thomas (2004). «Ion linacs». En Helmut Wiedemann. Physics and 

Technology of Linear Accelerator Systems: Proceedings of the 2002 Joint USPAS-CAS-Japan-

Russian Accelerator School, Long Beach, California 6-14 November 2002. World Scientific.

ISBN 9812384634, 9789812384638. 

3.  ↑ a b Wangler, Thomas P. (2008). RF Linear Accelerators. Physics Textbook . Wiley series in

beam physics and accelerator technology (2 edición). John Wiley & Sons. ISBN 3527406808,

9783527406807. 

4.  ↑ Ising, Gustav (1928). «Prinzip Einer Methode Zur Herstellung Von Kanalstrahlen Hoher

Voltzahl» (en alemán). Arkiv Fuer Matematik, Astronomi Och Fysik  18 (4).5.  ↑ Widerøe, Rolf  (17 de diciembre de 1928). «Ueber Ein Neues Prinzip Zur Herstellung

Hoher Spannungen» (en alemán). Archiv fuer Elektronik und Uebertragungstechnik  21 (4):

p. 387

 

2.  Acelerador Lineal3.  Los aceleradores lineales son equipos que se utilizan desde finales de los años 70, y

han tenido cambios importantes en sus características. A diferencia de las bombas

de cobalto, estos equipos generan la radiación por medio de electricidad, por lo quesu operación es más segura, dado que no emite radiación cuando no esta en

funcionamiento. Además, puede generar diferente intensidad de radiación, lo que

facilita el tratar tumores localizados en cualquier parte del cuerpo, ocasionando

menos efectos secundarios. Los modelos mas recientes cuentan con un sistema quepermite proteger órganos (colimador multihojas) y darle forma al haz de radiación

de acuerdo al volumen que se tenga que tratar, sin necesidad de fabricar las pesadas

e incomodas protecciones; en este caso la conformación del haz de radiación serealiza visualizando el tumor y los órganos internos mediante una tomografía

computada, lo que asegura mayor exactitud y limita la posibilidad de dejar fuera del

campo de tratamiento al tumor o bien cubrirlo con las protecciones.

4.  Otra característica importante con los aceleradores es que se puede generar unaradiación especial llamada electrones, también de diferente energía y permite tratar

lesiones tan superficiales como las localizadas en la piel, evitando que la radiación

llegue a estructuras internas, lo cual no se puede realizar con bombas de cobalto.

5.  En nuestro país existen varias ciudades que cuentan con aceleradores lineales, sinembargo muchos de ellos son equipos reconstruidos, es decir son equipos

reutilizados que generalmente se importan de hospitales localizados en Estados

Unidos y que se retiraron para poner un equipo nuevo. Algunos aceleradores solotrabajan con una baja energía, no tienen el sistema de multihojas para darle forma al

haz de radiación o bien no cuentan con electrones.

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6.  Por lo anterior, no basta saber que se cuenta con un acelerador lineal sino conocer

las características del mismo, para estar seguro que se puede recibir un tratamiento

de calidad.7.  Nosotros contamos con el ACELERADOR LINEAL CON COLIMADOR

MULTIHOJAS DE INTENSIDAD MODULADA más moderno del país, pasa su

óptima atención, con 2 diferentes energías, rayos x y electrones

El acelerador lineal también llamado LINAC (linear accelerator) es un tipo de acelerador

que le proporciona a la partícula subatómica cargada pequeños incrementos de energía

cuando pasa a través de una secuencia de campos eléctricos alternos.

Mientras que el generador de Van de Graaff proporciona energía a la partícula en una sola

etapa, el acelerador lineal y el ciclotrón proporcionan energía a la partícula en pequeñas

cantidades que se van sumando.

El acelerador lineal, fue propuesto en 1924 por el físico sueco Gustaf Ising. El ingenieronoruego Rolf Wideröe construyó la primera máquina de esta clase, que aceleraba iones de

potasio hasta una energía de 50.000 eV.

Durante la Segunda Guerra Mundial se construyeron potentes osciladores de radio

frecuencia, necesarios para los radares de la época. Después se usaron para crear

aceleradores lineales para protones que trabajaban a una frecuencia de 200 MHz, mientras

que los aceleradores de electrones trabajan a una frecuencia de 3000 MHz.

El acelerador lineal de protones diseñado por el físico Luis Alvarez en 1946, tenía 875 m de

largo y aceleraba protones hasta alcanzar una energía de 800 MeV (800 millones). Elacelerador lineal de la universidad de Stanford es el más largo entre los aceleradores de

electrones, mide 3.2 km de longitud y proporciona una energía de 50 GeV (50 billones).

En la industria y en la medicina se usan pequeños aceleradores lineales, bien sea de

protones o de electrones.

Fundamentos físicos

Un acelerador lineal está constituido por un tubo muy largo dividido en porciones de

longitud variable.

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Las secciones alternas del tubo se conectan entre sí y se aplica una diferencia de

potencial oscilante, entre los dos conjuntos. En la figura, el potencial de las

porciones de tubo de color rojo es positivo y el de las de color azul es negativo.

Vamos a demostrar que para que el ión esté en fase con el potencial oscilante,

cuando pasa de una porción del tubo a la siguiente, las longitudes de las

sucesivas porciones Ln deben cumplir la siguiente proporción

donde L1 es la longitud de la primera.

Primera etapa 

Supongamos que la diferencia de potencial existente

entre la fuente (tubo 0) y el primer tubo es 2V 0 

La velocidad de los iones de carga q y masa m al

entrar en el primer tubo es

El tiempo que tardan en recorrer el tubo de longitud L1 es t 1=L1 /v1

Segunda etapa 

Al salir del primer tubo y entrar en el segundo, el potencial ha cambiado de

polaridad. De nuevo, la partícula se acelera recibiendo una energía adicional de

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2qV 0. La velocidad de la partícula en el segundo tubo será

El tiempo que tardan en recorrer el tubo de longitud L2 es t 2=L2 /v2

para que t 1 sea igual a t 2, la longitud L2 del segundo tubo tiene que ser

Tercera etapa 

Al salir del segundo tubo y entrar en el tercero, el potencial ha cambiado depolaridad

De nuevo, la partícula se acelera recibiendo una energía adicional de 2qV 0. La

velocidad de la partícula en el tercer tubo será

El tiempo que tardan en recorrer el tubo de longitud L3 es t 3=L3 /v3

para que t 1 sea igual a t 3, la longitud L3 del tercer tubo tiene que ser

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n-etapa 

En general, cuando la partícula pasa del tubo n-1 al tubo n, su energía es

E  f =n·2qV 0.

La longitud del tubo n será

El acelerador lineal consta de n tubos alineados cuyas longitudes son

proporcionales a la raíz cuadrada del número de tubo.

Frecuencia de la fem alterna

Como hemos visto en la primera figura, los tubos en posiciones alternas tienen el

mismo potencial. Por ejemplo, los tubos impares son bien positivos (negativos)

mientas que los pares son negativos (positivos).

En la figura de arriba, vemos que la partícula se frena al pasar del segundo al

tercer tubo. En la figura de abajo, vemos que el ión es acelerado al pasar del

segundo al tercer tubo.

Para conseguir que el ión se acelere siempre, la frecuencia de la fem alterna tiene

que ser tal, que el tiempo que tarde del ión en recorrer cualquier tubo sea el

mismo que necesita la fem para cambiar de polaridad.

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El periodo P de la fem será

Ejemplo 1: 

Tenemos un acelerador lineal de cinco etapas n=5. El primer tubo tiene una

longitud de 5 cm. Aceleramos con esta máquina iones de 2 unidades de carga

q=2·1.6 10-19 C, y de 4 uma de masa, m=4·1.67 10-27 kg. La amplitud de la fem

alterna es 100 V.

El periodo de la fem será

Su frecuencia f =1/ P==1.38 MHz.

La energía de los iones al llegar al blanco será E  f =n·2qV 0.= 5·2·2·100=2000 eV

Ejemplo 2:

Veamos ahora, que ocurre si el periodo de la fem alterna es P=0.60 μs. 

1.  El ión es acelerado por una diferencia de potencial de 200 V existente entre la

fuente y el primer tubo.

La energía de la partícula es E 1=q·ΔV 01=2·200=400 eV

La velocidad v 1 que adquiere el ión al comenzar la primera etapa es

Dentro del tubo, el ión se mueve con velocidad constante. En el instante t 1 llega al final

del primer tubo de longitud L1 

En este instante, la diferencia de potencial existente entre el primer tubo y el segundo

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tubo es

que acelera de nuevo, al ión

2.  La energía cinética de la partícula es E 2=E 1+q·ΔV 12=720.6 eV

La velocidad que adquiere el ión al entrar en el segundo tubo es

En el instante t 2 la partícula llega al final del segundo tubo de longitud L2 

En este instante, la diferencia de potencial ente el segundo y el tercer tubo es

3.  La energía cinética de la partícula es E 3=E 2+q·ΔV 23=755 eV

La velocidad que adquiere el ión al entrar en el tercer tubo es

En el instante t 3 la partícula alcanza el final del tercer tubo de longitud L3 

En el instante t 3 la diferencia de potencial ente el tercero y el cuarto tubo es

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4.  La energía cinética de la partícula es E 4=E 3-q·ΔV 34=355.2 eV, ya que el campo

eléctrico existente entre los dos tubos, se opone al movimiento del ión

La velocidad que adquiere el ión al entrar en el cuarto tubo es

En el instante t 4 llega al final del cuarto tubo de longitud L4 

En el instante t 4 la diferencia de potencial ente el cuarto y el quinto tubo es

5.  La energía cinética de la partícula es E 5=E 4-q·ΔV 45=297.4 eV, ya que el campo

eléctrico existente entre los dos tubos se opone al movimiento del ión

La velocidad que adquiere el ión al entrar en el quinto tubo es

En el instante t 5 llega al final del quinto tubo de longitud L5 

y choca contra el blanco con una energía de 297.4 eV

Actividades

El applet simula el funcionamiento de un pequeño acelerador lineal que consta

de cinco etapas. La primera porción de tubo (señalada con 1) tiene una longitud

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de 5 cm, los demás tubos tienen una longitud creciente cuyos valores son

Los tubos pares e impares están conectados a una fem alterna, pero tienenpolaridad opuesta. El potencial de los tubos dibujados en color rojo es positivo,

mientras que es negativo en los dibujados en color azul. Un ión positivo se

acelera en el sentido del campo, cuando pasa desde un tubo con potencial

positivo (rojo) a otro a potencial negativo (azul). La flecha que aparece cuando

la partícula pasa de un tubo al siguiente indica la magnitud de la fuerza sobre la

partícula.

En la parte inferior del applet tenemos dos gráficas.

La gráfica de la derecha indica la energía que va adquiriendo la partícula. Setoma como unidad la energía 2qV 0, es decir, la que adquiere la partícula cuando

pasa de la fuente (tubo cero) al primer tubo. La máxima energía que adquiere la

partícula es de 5 unidades o bien, 5·2qV 0 

La gráfica de la izquierda, representa la fem alterna en función del tiempo. La

recta vertical de color rojo representa el valor del potencial que tienen los tubos

de color rojo en un instante determinado, y la recta de color azul representa el

mismo valor pero de signo contrario para los tubos dibujados en color azul.

Ambos están en oposición de fase.

Se introduce

  La carga del ión, siempre positiva, en unidades de la carga del electrón, 1.6 10-

19C,.en el control de selección tituladocarga.

  La masa del ión, en unidades de masa atómica (u.m.a.) 1.67 10-27

kg, en el

control de edición titulado Masa.

  La amplitud V0 en voltios, en el control de edición titulado d. de potencial 

  El periodo de la fem en microsegundos (1μs=10-6

s), en el control de edición

titulado Periodo fem 

Se pulsa el botón titulado Empieza.

Se puede parar la animación en cualquier momento pulsando el botón titulado

Pausa, y se reanuda pulsando el mismo botón titulado ahora Continua. Se

observa el movimiento del ión paso a paso pulsando el botón titulado Paso.

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