UNIVERSIDAD DE CONCEPCION

Acelerador Lineal de Electrones

(Generalidades)

Integrantes: Marco Fuentes

Nelson Lagos

Matas Martel

Juan Medina

Luis Mella

Rodrigo Rosales

Docente: Dr. Garca

Fecha:10 de Junio de 2011

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Introduccin

Los aceleradores lineales han sido uno de los avances tecnolgicos ms

innovadores, ya que poseen una variedad de funciones, las cuales son de primera

categora en relacin a la radioterapia. la radioterapia se basa en el uso de la radiacin

ionizante en el tratamiento de alguna patologa.

Cuando se habla de radiacin, tanto de uso diagnostico o de uso teraputico, se

deben considerar los beneficios que se esperan al igual que los peligros que se pueden

ocasionar. Existe una complementariedad en los equipos de salud, los cuales velan por

los mejores resultados para los pacientes, con el mnimo de dao posible. Para la

realizacin de radiaciones ionizantes en el tratamiento de las diferentes patologas que

existen, se recurren a diferentes equipos y fuentes radioactivas, diseadas con el fin de

obtener mejores resultados en los tratamientos de las enfermedades en los pacientes.

En este pequeo resumen se mostrara uno de los equipos desarrollados para la

radioterapia, el cual como ya se dijo anteriormente, es el Acelerador Lineal de

Electrones.

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Desarrollo

Haciendo un poco de historia, en 1940 se comenz a construir distintos

aceleradores de electrones (betatrn, ciclotrn, microtrn, acelerador lineal). Ya en

1962 se crea el primer acelerador lineal (AL) de uso clnico y completamente rotable.

Hoy en da los ALms0n capaces de generar una variedad de partculas subatmicas, las

cuales son las encargadas de cubrir las necesidades de la radioterapia externa. En un

AL es importante saber que existe una variedad de accesorios, los cuales son el medio

en el cual trabajan los AL, como los colimadores asimtricos y multilminas,

dispositivos de imagen portal, cuas dinmicas, aplicadores para radiociruga, etc.

Debido a todo este sinnmero de accesorios, los AL requieren de una gran preparacin

y mucho tiempo, tanto como para puesta en marcha as tambin para la garanta de

calidad y el mantenimiento.

A diferencia de los rayos X, los cuales poseen unos valores de aceleracin

limitados en cuanto a tensiones de aceleracin, por lo cual produce un deterioro de los

aparatos. Las tensiones alcanzadas por los rayos X de tratamiento, varan desde 100kV

hasta los 500 kV. En condiciones excepcionales se ha logrado obtener una tensin de 1

MeV. Por lo cual se debi hacer un cambio en el modo de funcionamiento, para poder

obtener la energa necesario en los tratamientos a mayor profundidad. Como es sabido,

los electrones son atrados fcilmente por un polo positivo (+), el cual se le nombra

nodo. Por otro lado las ondas electromagnticas son asociaciones de un campo

elctrico y un campo magntico que vibra a la misma frecuencia. En un campo elctrico

alterno, tcnicamente es posible utilizar el campo elctrico durante el intervalo en que

acta como acelerador. El campo magntico imprime un movimiento circular a los

electrones, el que no tiene efecto cuando su direccin es la misma que la de propagacin

de los electrones, y existen medios tcnicos para conseguirlo.

Por lo tanto con estas consideraciones, se puede intentar acelerar electrones a las

velocidades necesarias para la obtencin de rayos X, con suficiente energa las cuales se

utilizan en radioterapia.

En el AL, los electrones se generan en un ctodo incandescente, hasta de la

velocidad de la luz (300.000 kM/s), mediante la aplicacin de un campo elctrico

pulsado. Las tensiones que genera un AL son muy altas, en la utilizacin clnica, son

del orden de los MeV (Mega-Volt), aproximadamente 100 veces mayor que un equipo

de rayos X y 10 veces mayor que los rayos gama del Co-60.

La distancia que tienen que recorrer los electrones se debe calcular de modo que

lleguen a la perforacin en el otro extremo de la cavidad en el momento en que la onda

acaba con su periodo favorable y se dispone a invertir su polaridad. Solo continuarn el

camino los electrones que consigan atravesar la perforacin. En la segunda cavidad se

adiciona una nueva onda diferida mediante una lnea de retraso, de tal modo que est

otra vez en fase aceleradora. De este modo los electrones pasan por varias cavidades

aceleradoras, pasando de cavidad en cavidad tomando cada vez mayor velocidad y

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escapando metdicamente a las fases enlentecedoras. Tericamente, en una distancia

total de dos metros, los electrones estn cerca de la velocidad de la luz.

La figura 1 se muestran los componentes bsicos del AL.

Figura 1: Componentes bsicos del acelerador lineal

Como muestra la figura 1, el armario se encuentra dispuesto aparte del sistema

Estativo y el Brazo, el Armario se ubica en la sala de tramientos, en la cual se encuentra

una fuente de alto voltaje y un modular de pulsos que a partir de la corriente alterna de

la red general, crean pulsos cuadrados de alto voltaje, estos pulsos alimentan el

Klystron y el can de electrones.

El Klystron, tambin llamado magnetrn (oleaje de electrones en griego), es

un amplificador de potencia de alta frecuencia, es decir, recibe ondas de baja potencia

(400W), y en salida llega incluso a los (7 MW).

La figura 2, muestra el Klystron, con sus respectivos circuitos de refrigeracin,

la cual da a la ventana de salida del del amplificador.

Figura 2: Klystron

El sistema llamado can (figura 3), produce electrones y los acelera, antes de

introducirlos a la gua aceleradora.

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Figura 3: Can de electrones

Como muestra la figura 3, los electrones se producen en el ctodo por calentamiento, y

son acelerados hacia el nodo. Mediante la rejilla de control, se varia la corriente de

electrones de forma rpida y precisa.

Los electrodos producidos en el can son acelerados en la gua de ondas,

producidas en el klystron.

Figura 4: acelerador de las ondas

La gua aceleradora est dividida en cavidades de resonancia. El campo elctrico oscila

(valor positivo -> cero -> valor negativo > cero -> valor positivo ...) en cada cavidad

con la frecuencia de las microondas producidas por el klystron. Los electrones son

inyectados formando pequeos paquetes en fase, es decir, encuentran en cada cavidad el

campo a favor, de forma que van siendo acelerados a lo largo de la gua.

En el haz de electrones se tiene que :

- La gran mayora de los electrones forma paquetes, las cuales adquieren todas la

misma velocidad.

- Algunos electrones que han sido atrapados por las fases alternas

desaceleradoras, las cuales poseen una velocidad menor. Aunque el numero de

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electrones de menor velocidad no sea tan elevado, es preferible contar con

partculas de mayor velocidad.

- Otros electrones que provienen de distintos orificios de las cavidades, tambin

hay otros que provienen de la ventana de salida en la cual se provocan algunas

interacciones.

En el cabezal, se incluyen los sistemas de colimacin, estabilizacin y

monitorizacin del haz.

Es necesario que exista un alto vaco en el interior de la gua, as que es necesario el

funcionamiento continuo de bombas de extraccin fsicas e inicas. Para conseguir

rayos X de alta energa (mayor que 6 MV) son necesarias guas de uno o dos metros de

longitud, por lo que para construir una mquina isocntrica es necesario girar el haz 90

(o 270) antes de enviarlo a la ventana de salida. Esto hace que el cabezal aumente de

tamao, con lo que se aumenta la altura del isocentro desde el suelo.

La figura 5 muestra un dispositivo de curvatura de electrones compuesto por tres

electroimanes. Los electrones con ms energa describen la rbita ms grande que los de

menos energa. Se utiliza una rendija para reducir el espectro de energa de los

electrones (los que tengan mucha o poca energa no pasarn por la rendija).

Figura 5: Dispositivo de curvatura

La gua y el cabezal, mostrados en el diagrama de la figura 1, en la seccin del brazo

(GANTRY), estn blindados con plomo, para as reducir la fuga de radiacin que pueda

tener el equipo. A la salida de los electrones del electroimn de curvatura se encuentra

el blanco retrctil para la produccin de rayos X. Ms adelante estn la lmina

dispersora y el filtro aplanador montados sobre un carrusel que permite situar una u otro

segn se tenga un haz de electrones o de fotones. A continuacin se encuentra la cmara

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de ionizacin monitora que muestrea la salida permitiendo estabilizar el haz. Por ltimo

se encuentran los colimadores y los dispositivos pticos de distancia y simulacin de

campo. (ver figura 6)

Figura 6: Gua y cabezal del AL

En la siguiente figura 7 se muestra el cabezal en el caso de un tratamiento con

electrones.

Figura 7: Cabezal con electrones

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El blanco de wolframio se retrae, de manera que los electrones salen sin

impedimento de la gua. El carrusel se coloca de forma que la lmina dispersora quede

en el camino del haz. Los colimadores secundarios se colocan en una posicin fija que

depende de la energa y del aplicador elegidos.

En la siguiente figura 8 se muestra el mismo cabezal en el caso de un tratamiento

con fotones de rayos X.

Figura 8: cabezal con tratamiento con fotones

El blanco de wolframio se coloca en el haz, de forma que los electrones chocan con

l produciendo un haz de rayos X. Dicho haz presenta un pronunciado pico en la

direccin de los electrones incidentes. Para transformarlo en un haz til se utiliza un

filtro aplanador. Los colimadores secundarios se pueden mover a voluntad para

conformar el campo requerido.

La cmara monitora muestrea a cada momento el haz y realimenta la salida para

aumentar la estabilidad. Es decir, si la seal aumenta por encima de un valor dado, esta

cmara lo detecta y hace que el acelerador disminuya la salida (disminuye la intensidad

de electrones que circulan por la gua). De la misma forma, si la salida disminuye por

debajo de otro valor determinado la cmara enva el mensaje de que se aumente la

salida.

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Figura 9: Cmaras de ionizacin

La cmara monitora est formada por cuatro cmaras de ionizacin planas

agrupadas por parejas (Figura 9). De esta forma se controla la salida total por duplicado

(sumando las seales C1 + C2 y C3 + C4), y la simetra y homogeneidad del haz tanto

en la direccin radial como en la transversal del haz (considerando las seales

independientemente). Si tanto la salida total como la simetra y homogeneidad no son

las correctas durante un tiempo determinado el acelerador detiene su funcionamiento.

Esta es otra caracterstica que pone de manifiesto la superioridad de los aceleradores

lineales, el aumento de la seguridad proporcionado por la gran cantidad de controles.

En la siguiente figura 10 se muestra una imagen completa de un acelerador lineal de

electrones de uso clnico, y tambin se muestra una foto (figura 11), la cual muestra el

AL de forma real.

Figura 10: Esquema de partes de un Acelerador Lineal

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Figura 11: Acelerador Lineal

Colimador

En el interior del colimador se encuentran finos alambres cruzados que muestran

el centro del campo con la sombra que proyectan a travs de la lmpara de ubicacin.

Un dispositivo ptico llamado telmetro permite establecer con precisin la distancia

deseada a la fuente. Tambin se adicionan luces lser en las paredes de la sala de

tratamiento que permiten una localizacin muy precisa del isocentro.

Los colimadores de los modernos aceleradores adems de permitir los

desplazamientos simtricos de sus lminas, permiten la apertura asimtrica, lo dar la

proteccin de alguno de los bordes del campo en caso necesario, sin tener que recurrir a

pesadas protecciones.

Las salas de tratamiento debera estar equipadas con botones de paro de

emergencia.

En relacin a la radioproteccin, esta es algo diferente a la necesaria para los

aparatos de cobalto. Los electrones no necesitan proteccin adicional, pero los rayos x

de alta energa precisan espesores de muros un poco mayores.

Debido a la alta energa de los electrones usados para la produccin de rayos x,

se producen algunos neutrones acelerados, los que no responden a las protecciones

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convencionales de plomo, y ya que como sabemos las sustancias hidrogenadas

constituyen una buena barrera para ellos, los compuestos orgnicos se usan en la forma

de capas de parafina adicionadas a las de plomo necesarias para los rayos x.

Como se ha visto, los aceleradores lineal son aparatos sumamente complejos,

pero tienen muchos beneficios, las ventajas tales como: las tasas de dosis no disminuyen

con el tiempo, las tasas de dosis son ms elevadas, se pueden obtener campos de

tratamiento ms grandes y se dispone de rayos X de alta energa y de electrones

acelerados. Como no todo puede ser perfecto, los AL tambin tienen algunas

desventajas, las cuales son: como es un equipo electrnicamente avanzado, es muy

susceptible a variaciones y averas en al desarrollo de un haz, y por otro lado el costo

que tiene un AL es un costo significativamente alto, con respecto a otros sistemas de

radioterapia.

En las siguientes figuras se muestran la planta y el alzado de una instalacin

completa de un AL.

Figura 12: instalacin de un Acelerado lineal

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Conclusin

A modo de conclusin podemos darnos cuenta que el acelerador lineal es un

aparato que permite el tratamiento de tumores malignos mediante la emisin de

radiaciones. En la actualidad, los equipos conforman o moldean el campo de irradiacin

a travs de un sistema de multilminas que son indispensables para realizar la

modulacin del haz de irradiacin. La modulacin del haz permite que la dosis de

irradiacin se adapte a la anatoma de los volmenes deseados, con lo que se consigue

disminuir la radiacin de los rganos sanos y aumentarla en el tejido enfermo. Con las

minimultilminas podemos hacer modulacin de la intensidad del haz de irradiacin

sobre volmenes ms pequeos lo que posibilita un mayor nmero de indicaciones.

Por lo tanto el aplicar radiacin a pacientes que posean tumores es algo

sumamente importante porque al irradiar la zona afectada, se les puede mejorar la

calidad de vida eliminando el tumor. Tambin es importante mencionar que con el

avance de la tecnologa se ha ido irradiando menos las zonas anexas a la zona afectada,

por lo tanto se espera que a medida que siguen pasando los aos siga aumentando la

tecnologa para que lleguemos a un punto en donde solo se irradie la zona afectada y

con una menor intensidad para tener menores problemas a largo plazo. Como tambin

para el estudio de tratamiento de enfermedades que provienen de lesiones funcionales

cerebrales como es el caso de la epilepsia.

El desarrollo de la radioterapia es una tecnologa que se debe seguir

implementando y con mejoramiento continuo para que nos permita el tratamiento de

otro tipo de enfermedades que hasta hoy no poseen solucin y esto es un gran desafo.