۳-۲- سیکلوترون

سیکلوترون‌های جدیدی که در پروتون‌تراپی مورد استفاده قرار می‌گیرند، پروتون‌ها را تا انرژی MeV250-230 شتاب می‌دهند [^[۱۹۲]-^[۱۹۳]]. در مقایسه با سیکلوترون‌های اولیه، سیکلوترون‌های جدید نسبتاً کم‌حجم هستند. ارتفاع آهنربا‌ها تقریباً m 5/1 و قطر آن‌ها زمانی‌که به‌ترتیب با سیم‌پیچ‌های ابررسانا و یا سیم‌پیچ‌هایی با دمای اتاق تجهیز می‌شوند، بین m 5/3 تا m 5 می‌باشد [۴]. مهم‌ترین مزیت یک سیکلوترون، پیوستگی پرتو خروجی ( پیوستگی موج یا CW^[194] ) است؛ ضمن اینکه شدت پرتو خروجی می‌تواند خیلی سریع به میزان دلخواه، تنظیم شود. اگرچه سیکلوترون انرژی خروجی ثابتی دارد، اما این انرژی در بدن بیمار می‌تواند به‌طوردقیق به‌وسیلۀ کاهنده‌های انرژی و طراحی مناسب خط پرتو تنظیم گردد؛ به‌علاوه، سادگی در طراحی این شتاب‌دهنده و نیز اجزای نسبتاً کم آن، اغلب به‌عنوان مزیتی برای شتاب‌دهندۀ سیکلوترونی درنظر گرفته می‌شود. به‌طور کلی اجزای اصلی یک سیکلوترون کم‌حجم عبارت است از:

سیستم بسامد تابشی (RF^[195]) که میدان‌های قوی الکتریکی را تولید می‌کند و به‌وسیلۀ آن پروتون‌ها شتاب داده می‌شوند.
یک آهنربای قوی که مسیر ذره را داخل یک مدار مارپیچی محصور می‌کند تا پروتون‌ توسط ولتاز RF مجدداً شتاب داده شود.
یک چشمۀ پروتونی در مرکز سیکلوترون که پس از یونیزه شدن گاز هیدروژن، پروتون‌ها از آن خارج می‌شوند.
سیستم خروجی که پروتون‌هایی را که به بیشینه انرژی موردنظر رسیده‌اند، به خارج از سیکلوترون و داخل سیستم انتقال پرتو هدایت می‌کند.

۳-۲-۱- سیستم بسامد تابشی (RF)

سیستم RF معمولاً شامل دو یا چهار الکترود می‌باشد که بین قطب‎‌های آهنربا قرار داده می‌شوند. (به‌خاطر شکل این الکترودها در سیکلوترون‌های اولیه، اغلب دی^[۱۹۶] نامیده می‌شوند.) الکترودهای دی به مولد RF متصل می‌گردند که یک ولتاژ نوسانی بین kV30 تا kV100 با فرکانس ثابت در محدودۀ MHz100-50 ایجاد می‌کند [۴].
پارامترهای مهم در سیستم RF، ولتاژ و بسامد RF می‌باشند. کمینه مقدار برای ولتاژ RF، اولین چرخه را در شتاب‌دهنده ایجاد می‌کند که به‌وسیلۀ آن پروتون‌ها از چشمۀ یونی در مرکز سیکلوترون، خارج می‌شوند و از طریق روزنه‌ها و اتصالات بین نیمه‌های بالا و پایین الکترودها، عبور می‌کنند. ولتاژ بالای RF نیز EΔ بزرگی را ایجاد می‌کند. این امر سبب می‌شود که حساسیت پرتو نسبت به خطا در ایجاد میدان مغناطیسی کمتر باشد و بازده خروجی بالایی به دست آید. از طرف دیگر، دورۀ تناوب () برای ولتاژ RF، در هر الکترود، برای موقعیت سمتی پروتون‌ها در تمامی شعاع‌ها، باید یکسان باشد؛ براین اساس در زمان T یک پروتون با بار الکتریکی q و جرم m برای آن‌که یک چرخه را با شعاع r ایجاد کند، نیروی لورنتس Bqv طبق معادلۀ (۳‑۱)، به‌صورت نیروی مرکزگرا عمل می کند:

به‌علاوه، سرعت پروتون نیز مطابق با معادلۀ (۳‑۲) نوشته می‌شود:

بنابراین زمان مورد نیاز برای یک دور چرخش پروتون، طبق معادلۀ (۳‑) به‌دست می‌آید:

مطابق با معادلۀ (۳‑۳)، زمان T وابسته به شعاع یا سرعت ذره نیست و این یعنی تمام ذرات در زاویۀ سمتی مشابه در سیکلوترون حرکت می‌کنند. نکتۀ دیگری که در اینجا باید به آن اشاره کرد، این است که علی‌رغم پالسی بودن فرکانس RF در ولتاژ شتاب‌دهنده، شدت پرتو خروجی از سیکلوترون به‌صورت CW، در ذره‌درمانی درنظر گرفته می‌شود [۴].

۳-۲-۲- میدان مغناطیسی

مشخصات میدان مغناطیسی به‌وسیلۀ دینامیک پرتو تعیین ‌می‌شود. در ایجاد میدان مغناطیسی برای سیکلوترون باید به دو نکته توجه داشت. اول اینکه، میدان مغناطیسی باید هم‌زمان، و مطابق با معادلۀ (۳‑)، همگن باشد؛ به‌علاوه میدان باید در هر شعاع r دارای قدرت مناسب باشد تا با زمان T مورد نیاز جهت یک دور چرخش پروتون، هماهنگ گردد. قدرت میدان مغناطیسی در سیکلوترون‌های حاضر بین T 2 تا T 5/3 است [۴]. در این میان مزیت سیم‌پیچ‌های ابررسانا، توان مصرفی کم و به‌ویژه میدان مغناطیسی قوی‌تر می‌باشد که سبب می‌شود سیکلوترون‌،کوچک‌تر و سبک‌تر باشد. نکتۀ دوم، شکل خطوط میدان مغناطیسی است که باید به‌گونه‌ای باشد تا با ایجاد نیروی متمرکز کننده‌، فضایی را که پروتون‌ها در آن حرکت می‌کنند، محدود نماید.
زمانی‌که انرژی پروتون‌ها بزرگ‌تر از MeV30-20 می‌شود، سرعت آن‌ها کسری از سرعت نور می‌گردد (در انرژی MeV20، ). به‌خاطر اثرات نسبیتی، افزایشی در جرم پروتون‌ها در مقایسه با جرم سکون آن‌ها یعنی m₀، مطابق با معادلۀ (۳‑۴)، مورد انتظار است. به‌عنوان مثال برای انرژی‌های بالا مانند MeV250 ()، برابر با ۲۷/۱ خواهد بود.