Cyclotron

Een deeltjesversneller in het ziekenhuis

Wat doet een kernfysische deeltjesversneller, oftewel cyclotron, in een ziekenhuis? Radioactieve materialen spelen in de geneeskunde een rol bij het bekijken en behandelen van de binnenkant van het menselijk lichaam . Radioactiviteit is (gewoonlijk) het gevolg van het uiteen vallen van atoomkernen. Daarbij komt veel energie vrij. Kerncentrales werken volgens dit principe. 

In een cyclotron worden geladen deeltjes in een magneet trommel tot enorme snelheden opgejaagd. Als die er dan uitvliegen, en botsen met materie, ontstaan er radioactieve deeltjes die van belang zijn voor medische behandelingen in een ziekenhuis. Van zo’n versneller, zij het gebouwd voor fundamenteel natuurkundig onderzoek, heeft Rijksmuseum Boerhaave onderdelen in de collectie.

Een belangrijk voorbeeld van een medische toepassing van de cyclotron is de PET-scanner. Deze gebruikt radioactieve stoffen bij de opsporing van tumoren. PET staat voor “positron emissie tomografie”, oftewel in dunne doorsneden afbeelden van organen met behulp van positronen. Voor het goede begrip: een positron is het “antideeltje” van het elektron. Als antimaterie gewone materie tegenkomt vernietigen ze elkaar geheel , onder uitzending van een hoop straling. Wie een PET- scan ondergaat krijgt dus antimaterie binnen! Het lijkt sciencefiction maar zo gaat het echt.

Figuur 1: Maquette van de (synchro-)cyclotron van het Instituut voor Kernfysisch Onderzoek (opgegaan in het Nikhef) gebouwd in 1964. Rechts de deeltjesversneller, links twee meetkamers. In de achterste meetkamer huist de BOL-deeltjes-detector.

Vóór het onderzoek begint, krijgt een patiënt een stof ingespoten met radioactieve fluor die gemakkelijk door het bloed in het lichaam wordt opgenomen, en zich ophoopt in bepaalde weefsels. De fluoratomen vervallen vanzelf in zuurstofatomen, onder het uitzenden van positronen. Wij bestaan uit gewone materie met daarin heel veel elektronen. Dus de positronen komen onmiddellijk die elektronen tegen, en ze verdwijnen samen onder het uitzenden van krachtige (gamma-)straling. Die straling is heel precies te lokaliseren, en daarmee de tumoren waarnaar de arts op zoek is. 

Omdat het fluor binnen twee uur halveert is al gauw weinig meer van over, en kan het in de praktijk niet lang genoeg opgeslagen en bewaard worden. Het moet dus ter plaatse worden gemaakt . Daarvoor wordt een cyclotron gebruikt. Opgesteld buiten het zicht van de patiënt, dat wel, als een soort “medicijn fabriekje” ter plaatse. Voor de opsporing van kanker dus, niet voor behandeling.

Dat laatste is wel het geval bij het tweede voorbeeld van medisch gebruik van een cyclotron: “proton-radiotherapie”. Proton- radiotherapie is veel minder beschadigend voor weefsel buiten een tumor. Een proton is een gewone waterstof kern en niet radioactief. Door hun snelheid zijn de protonen wel beschadigend voor het weefsel, waar ze als kleine kogeltjes in doordringen. Vreemd genoeg zijn ze veel méér beschadigend bij lagere snelheden. Artsen stellen de snelheid van de protonenbundel zo af dat ze precies ín de tumor tot stilstand komen en daar de cellen kapot maken. Het komt erop neer dat de cyclotron de gebruikte protonen dan tot tweederde van de lichtsnelheid moet versnellen.

De noodzakelijke apparatuur is enorm. Het geheel beslaat ten minste een hoge zaal in een bunker, grenzend aan de behandelruimte. Het trommelvormige apparaat waar de geladen deeltjes in rondgejaagd worden heeft zelf al een diameter van enkele meters. De zeer krachtige magneten onder en boven de trommel zijn supergeleidend, en gekoeld tot nabij het absolute nulpunt. Aan die wetenschap is overigens de naam van Heike Kamerlingh Onnes onlosmakelijk verbonden: hij kreeg er in 1913 de Nobelprijs voor. Onnes is in Rijksmuseum Boerhaave dan ook nadrukkelijk aanwezig.

Figuur 2: De protonenversneller van het Holland Protonen Therapie Centrum in Delft. De cyclotron staat links achter, en de sturing van de deeltjesbundel vooraan. De behandelkamer staat in een aparte ruimte achter de installatie. Het behandelcentrum is een samenwerking tussen de TU Delft, Erasmus Medisch Centrum, Leiden Universitair Medische Centrum, Amsterdam UMC (AMC en VUmc) en Antoni van Leeuwenhoek.

Na langdurige afwegingen werden in Nederland twee van deze peperdure apparaten opgesteld. Een derde is in aanbouw. Zo kreeg fundamenteel kernfysisch onderzoek onverwacht een nuttige, medische toepassing. Dat fundamentele onderzoek gaat inmiddels eveneens onverminderd voort, in nog grotere opstellingen zoals die van het Europese kernfysisch centrum CERN in Genève.

J. v. Kuilenburg