Баннер
СРОЧНО!

Домой Добавить в закладки Twitter RSS Карта сайта

Ускорители в нашей жизни Печать
14.03.2013 07:33

Настольный ускоритель, карандашный пучок, покраска драгоценных камней – так в нашу жизнь входят ядерно-физические технологии. Многие физики, создатели ускорительных установок, недоуменно пожимали плечами, когда в моду вошли слова «инновации» и «нанотехнологии». Усовершенствованием и улучшением параметров работы циклотронов, синхротронов, коллайдеров они занимаются со студенческой скамьи до пенсии. Приспособить пучки заряженных частиц к решению житейских проблем стараются с момента появления первых ускорителей. Для них это непрерывная инновация длиною в жизнь. А если учесть, что приставка «нано» означает одну миллиардную часть, то исследователи элементарных частиц вполне могут воскликнуть – не такая уж она и маленькая! Ведь современным физикам приходится иметь дело с пико- и фемтовеличинами. О том, как сложнейшее оборудование, изначально предназначенное для фундаментальных исследований, становится привычным инструментом промышленников, медиков, биологов, рассказывает научный сотрудник Лаборатории ядерных проблем имени В.П. Джелепова кандидат физико-математических наук С. А. Костромин.  

– Сергей Александрович, по данным портала Элементы.ру, из примерно 17 тысяч существующих сейчас ускорителей лишь около сотни используются в научных целях. Для чего применяются остальные, какие частицы в них используются?

– В радиационной медицине используются пучки протонов или более тяжелых ионов, например, углерода. Для производства изотопов используются в основном протоны, дейтроны и альфа-частицы. При изготовлении фильтров на основе трековых мембран нужно ускорять тяжелые ионы, такие как аргон, криптон, ксенон. Стерилизация, обработка полимеров, модификация кристаллов и полупроводников выполняются при помощи пучков ускоренных электронов.

Изотопы – это разновидность атомов какого-либо элемента, они применяются в медицине и промышленности. Позитроно-производящие изотопы используются, например, в диагностике, в позитронно-эмиссионной томографии. Этот метод основан на регистрации гамма-квантов, образовавшихся при аннигиляции электрон-позитронной пары в тканях человека. Раствор с соответствующим радиоактивным изотопом перед исследованием вводится человеку в кровь. Изотоп, распадаясь, излучает позитрон, который проходит несколько миллиметров в живой ткани и аннигилирует с электроном. При этом в противоположных направлениях разлетаются два гамма-кванта. Эти гамма-кванты регистрируются кольцом детекторов. Анализ множественных регистраций дает трехмерную картину, и врач сразу видит отклонения, опухоли в органах, плохой обмен веществ. Для томографии в основном используются изотопы фтор-18, углерод-11, азот-13, кислород-15, времена полураспада составляют от 2 минут до 2 часов.


– Что представляет собой процесс изготовления изотопов, какие должны быть для этого ускорители, чтобы производство считалось эффективным?

– Изотопы нарабатываются в результате ядерных реакций, когда соответствующие мишени бомбардируются налетающими протонами с энергией несколько десятков МэВ. Пучки протонов с такой энергией с успехом обеспечивают компактные изохронные циклотроны. Основных производителей циклотронов сейчас в мире больше десятка, среди них крупнейшие фирмы – IBA, «Дженерал Электрикс», «Сименс». Производители стремятся создать ускоритель компактный, потребляющий как можно меньше электроэнергии и обеспечивающий стабильную работу на практически непрерывной основе. Рассмотрим самый маленький ускоритель Cyclone-11 фирмы IBA, который выдает 11-мэвный протонный пучок.

Он оборудован двумя источниками ионов – пока используется один, другой находится на техническом обслуживании. Из ускорителя сделано 8 выводов пучка, чтобы можно было облучать одновременно несколько мишеней. Частицы выводятся при помощи обдирочных фольг (метод, кстати, впервые предложен в ЛЯРе Г. Вяловым, Г. Флеровым и Ю. Оганесяном), на каждом направлении вывода предусмотрено устройство, которое подставляет новую фольгу взамен исчерпавшей ресурс. Как видите, сделано все, чтобы минимизировать число остановок ускорителя и открытия его для сервисных работ. Размер этой машины 1 метр в диаметре, можно сказать, настольный ускоритель. Более того, производители предлагают эффективную радиационную защиту, чтобы все это можно было компактно разместить на месте производства. Стоимость примерно миллион долларов.

– Но, как известно, технологии не стоят на месте. Какие усовершенствования хотелось бы иметь заказчикам?

– Чтобы в одном ускорителе можно было ускорять разные сорта частиц и производить максимально широкий набор изотопов. В циклотроне Cyclone-30 можно ускорять ионы водорода, дейтерия и альфа-частицы. В ускорителе предусмотрены подвижные магнитные элементы, и когда ускоряется один сорт частиц, эти массивные железные вставки находятся глубоко в долинах электромагнита; когда ускоряется другой сорт, они перемещаются ближе к средней плоскости и формируют магнитное поле для частиц с другим отношением заряда к массе. Мало того, ускоритель приспособлен для вывода протонов и дейтронов с разных радиусов, чтобы менять энергию выведенного пучка. Наработка изотопов производится на газовых, жидкостных и твердотельных мишенях. Мишенные станции – достаточно сложные устройства, и производители циклотронов также занимаются их разработкой, производством и обслуживанием. После облучения на ускорителе мишень проходит цикл физико-химической обработки, и только потом из нее вырабатывается препарат, который вводится пациенту.

– И что в итоге представляет собой комплекс?

– Если все это просуммировать, производство изотопов выглядит примерно так: ускоритель, сопутствующее оборудование, система управления и лаборатория синтеза препарата, из которого получается конечный продукт. Поскольку периоды полураспада изотопов малы (минуты или часы), то такое производство должно находиться либо в непосредственной близости, либо прямо в самом медицинском центре, чтобы сразу же после изготовления применять препарат. В одном из подразделений лаборатории «Триумф» в Канаде, например, нарабатывают изотопы, а клиника находится в 2 км. Они построили 2-километровую трубу, снабдили ее пневматическим устройством – полученный изотоп сразу же помещают в челнок, и он моментально доставляется медикам.

Трековые мембраны – это пластиковые пленки, облученные пучком тяжелых ионов и прошедшие потом специальную химическую обработку, в них создаются поры диаметром от сотых долей до нескольких микрон. Эти пленки применяются в медицине, при проведении химических и микробиологических исследований.

– Отличие таких мембран от других фильтров – маленькие одинаковые отверстия. Как это достигается?

– Пора действительно очень маленькая. Даже если толщина самой пленки составляет доли миллиметра, получается, что длина каналов больше их диаметра в несколько тысяч раз, и, конечно, механически сделать такие поры невозможно. Поэтому производится облучение выведенным из ускорителя и специальным образом расфокусированным пучком (криптон, ксенон, аргон), который направляется на пленку при помощи сканирующих магнитов. Пленка при этом двигается через лентопротяжный механизм, в ней остаются треки ионов. Потом эта пленка проходит процедуру химического травления, при которой на месте оставленного ионом трека образуется канал. Подбирая скорость травления, можно регулировать форму этого канала. В результате получаются микропоры требуемой величины. Применение этих пленок в медицине и биологии может создать интересные технологии, потому что размеры пор сравнимы с размерами клеток. Если больная клетка имеет размер больше, чем здоровая, то она через этот фильтр не пройдет, произойдет автоматическое разделение здоровых клеток и больных.

– Какие ускорители для этого  используются?

– Первый был запущен в ЛЯР ОИЯИ – циклотрон У-300 (работал с 1961 по 1989 год). В 1985 году в этой же лаборатории запущен циклотрон ИЦ-100, на нем получены выведенные пучки неона, аргона, железа, криптона и другие с энергией около 1 МэВ/нуклон. В Дубне работает промышленный комплекс АЛЬФА, созданный для производства плазмофоризаторов крови. Базовая установка комплекса – циклотрон ЦИТРЕК (запущен в 2002 г.), разработанный у нас в ЛЯП. В Особой экономической зоне «Дубна» реализуется проект БЕТА, в рамках которого налаживается промышленное производство трековых мембран для каскадной фильтрации плазмы крови. Ускоритель создан в ЛЯР, недавно там получили выведенный пучок. Что касается его производительности – за несколько часов облучается 1 бобина, в которой несколько сот метров пленки, но основное время уходит не на облучение, а на последующее травление. Такое производство может полностью обеспечить потребности нашего российского рынка.

В промышленности ускорители используются несколько десятков лет. Можно получать износостойкие пластиковые трубы и пленки, кабели с изоляцией повышенной прочности. Вулканизация резиновых изделий, искусственных кож, обработка полимеров (искусственные волокна при этом становятся гигроскопичным) позволяют разрабатывать материалы с уникальными свойствами. Даже прочность лаковому покрытию легче придать облучением ускоренными частицами, чем нагреванием в специальной печи. И самое для нас полезное – экологическое применение для обеззараживания продуктов, стерилизации медицинских изделий, очистки промышленных газов, сточных вод.

– Какая ускорительная технология используется в промышленности? И если можно – несколько конкретных примеров.

– Технология для различных применений (стерилизации, обработки продуктов питания, облучения полимеров, модификации кристаллов) выглядит примерно одинаково: нужно организовать облучение вещества на поточной основе, обеспечив отсутствие в нем наведенной радиоактивности. Поэтому используются электронные пучки с энергией строго до 10 МэВ или гамма-излучение, полученное на мишенях-конверторах от этих пучков. Однако для рентабельности процесса и большой пропускной способности таких установок нужна большая мощность пучка. Здесь используются коммерческие электронные ускорители нескольких разновидностей. Как правило, габаритный размер машины 2-4 метра, вес несколько тонн, энергия пучка 0,5-10 МэВ, мощность – до 0,5 МВт.

В Европе, да и у нас в России за последние годы открылись несколько фабрик для стерилизации медицинских изделий (перчатки, шприцы, различные упаковки). Это достаточно крупные объекты, включающие в себя зал ускорителя, конвейер для облучения, складские помещения. Коробки с облучаемыми предметами следуют на обработку по конвейеру, специальные устройства их переворачивают, коробки облучаются с разных сторон, чтобы обеспечить эффективность процесса. Таким же образом обрабатываются не только медицинские предметы, но и пластиковые изделия. Это называется сшивка полимеров – улучшение свойств пластика под действием излучения, когда на микроуровне волокна пластика меняют свою структуру, лучше связываются друг с другом. В итоге увеличивается его износостойкость, жаропрочность. Технология применяется для облучения пластиковых водопроводных труб, электрических кабелей для улучшения свойств изоляции.

Облучаются также полупроводники, они улучшают свои характеристики. Еще одно применение основано на интересной особенности некоторых кристаллов – под действием облучения полудрагоценные камни приобретают другой цвет. Например, топаз, изначально практически бесцветный, приобретает красивый голубой оттенок. Продолжая облучение, можно довести цвет до глубоко синего.

Радиационная медицина – это уникальное направление, возникшее на стыке наук: физики, биологии и медицины. Сущность метода заключается в том, что место локализации раковой опухоли облучается ионизирующим излучением, под действием которого в клетках тканей возникают разрушения, в том числе молекул ДНК. При определенном распределении и уровне доставленной дозы облучения эти разрушения становятся необратимыми, и раковые клетки погибают, а здоровые клетки выживают и восстанавливаются. Одним из основных понятий адронной терапии является пик Брэгга, когда максимум дозы образуется не на поверхности ткани, а на определенной глубине. Подбирая определенным образом энергию пучка и направления облучения, можно обеспечить максимум дозы именно в месте расположения опухоли, сводя к минимуму облучение здоровых тканей.

История радиационной медицины началась со статьи Р. Уилсона (1946 г.), где он впервые указал на возможности и преимущества, вытекающие из существования пика Брэгга в области радиотерапии рака. В 1950-х годах в национальной лаборатории в Беркли провели первые медицинские биологические исследования, а затем начали облучение пациентов. В СССР исследования по применению протонной терапии были начаты в 1967 году под руководством В.П. Джелепова в Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ. В 1990 году в Америке в университете Лома-Линда открылся первый специализированный центр протонной терапии, где пролечиваются около тысячи человек в год. Сегодня в разных странах мира работают 42 центра адронной терапии, 25 еще строятся, пролечены 85 тысяч пациентов.

– Процесс облучения как-то изменился за это время?

– Сегодня наиболее распространены два метода облучения. Первый – когда выведенный из ускорителя пучок с помощью рассеивателей, индивидуально подготовленных под каждого пациента, проецируется на опухоль. При этом достигается хорошее соответствие максимума доставленной дозы и формы опухоли. Однако в здоровых тканях все-таки высаживается нежелательная доза. Вторая, более прогрессивная технология, которая сейчас бурно развивается, – облучение тонким «карандашным» пучком. При этом опухоль разбивается на 10-20 слоев, каждый облучается пучком с фиксированной энергией. Перестройка энергии осуществляется при переходе от одного слоя к другому. Величина дозы регулируется переменной интенсивностью пучка. Сканирование тонким пучком позволяет выполнить современные требования медиков о соответствии максимума дозы и формы опухоли с точностью до 1 мм. Это важно, когда опухоль соседствует с жизненно важными органами и хирургическое вмешательство опасно, если вообще возможно.

– Как же распределить дозу, которая высаживается на здоровые ткани?

– Для этого нужно облучать опухоль с разных направлений. Современные технологии, которые сегодня используются для адронной терапии, включают в себя систему гантри, которая обеспечивает вращение пучка вокруг пациента. Ведущие производители оборудования для медицинских центров, компании IBA, «Сименс», «Хитачи», вкладывают большие деньги в разработку и производство этой техники.

– Что входит в комплекс оборудования, поставляемого для медицинского центра?

– Конечно, ускоритель (циклотрон или синхротрон), система выбора энергии (используется с циклотроном), потому что в зависимости от глубины расположения опухоли нужны разные энергии – для протонов от 70 до 250 МэВ. Затем линии транспортировки и разводки пучков, система гантри, а также оборудование медицинских кабин, где происходит облучение пациента. Если все это расположить вместе с инфраструктурой, то получается достаточно внушительный комплекс, включающий, как правило, отделение диагностики.

В большинстве центров используются изохронные циклотроны, или синхротроны. Циклотрон имеет диаметр 3-4 м, вес 100-200 т, синхротрон – 6-8 м, вес около 50 т. Далее линия транспортировки, которая состоит из дипольных и квадрупольных магнитов и включает в себя систему выбора энергии. Есть участок для облучения глаза – это комната, куда выводится пучок с фиксированным направлением и энергией ~70 МэВ.

Значительную часть инфраструктуры составляют помещения с системой вращения пучка вокруг пациента – той самой гантри.

– Почему бы не перемещать пациента вокруг пучка, ведь это, наверное, гораздо проще?

– Это как раз возвращает нас к точности облучения и соответствию дозы форме опухоли. Если начать вращать пациента, под весом органов меняется положение опухоли относительно поверхности тела, точность облучения сразу же падает. Благодаря гантри выведенный из ускорителя пучок отклоняется от горизонтальной плоскости, поворачивается и через специальное сопло попадает на мишень. Сопло может совершать полный оборот вокруг пациента. Размер гантри фирмы IBA для протонной терапии порядка 10 метров, вес около ста тонн. Это сложная конструкция, как говорят люди, которые занимаются логистикой, это их ночной кошмар, потому что перевезти такую махину от производителя до места использования даже в разобранном виде – большая проблема. Разработка гантри – отдельная большая задача. Конечно, если магниты, которые поворачивают пучок, делать сверхпроводящими, то такое гантри может быть гораздо компактнее, здесь есть свои технические особенности и сложности. Габаритный размер единственного на сегодняшний день гантри для углеродного пучка в Гейдельберге (Германия) составляет примерно 20 м, его вес 600 т – десятая часть веса Эйфелевой башни.

– Расскажите о ведущих производителях ускорителей и требованиях, которые накладывает применение в медицине.

– Две компании, которые закрывают рынок циклотронов для медицины, – немецкая Varian и бельгийская IBA. История компании Varian: в 80-х годах они занимались разработкой высокочастотных резонаторов, потом начали заниматься сверхпроводимостью, магнитами для детекторов, а в 2 000-х годах заключили контракт на изготовление сверхпроводящих квадруполей для LHC; потом перешли на разработку медицинской техники. IBA начала свое существование в 1986 году, на сегодня это мировой лидер по производству медицинской техники, занимает 60 % мирового рынка, в компании работают около трех тысяч сотрудников, годовой оборот превышает 1,5 миллиарда евро. Ускоритель для медицины должен быть эффективным, надежным, простым в управлении, требовать минимум сервиса, производить минимум наведенной активности. Конечно, ускоритель для фундаментальных исследований тоже должен удовлетворять всем вышеперечисленным свойствам, но для медицинской машины каждое из этих требований ставится во главу угла и в итоге, существенно влияет на конструкцию и характеристики ускорителя.

– Несмотря на такой авторитет, специалистам IBA пригодился опыт ускорительщиков ОИЯИ…

– Несколько лет назад IBA обратилась к ОИЯИ с предложением разработать ускоритель для терапии пучками ионов углерода. Они обладают большим эффектом воздействия на клетки, чем протоны, и в некоторых случаях имеют преимущества при лечении.

Кроме углерода, ускоритель должен был производить пучки альфа-частиц и протонов. Такая установка была разработана в ЛЯП – это сверхпроводящий изохронный циклотрон, ускоряющий ионы углерода и альфа-частицы до 400 МэВ/нукл. Энергия выведенного протонного пучка составляет 270 МэВ. Пучки ионов углерода и протонов выводятся в разных направлениях, а затем сводятся в одну линию.

Во время этого сотрудничества IBA попросила нас подробно изучить динамику пучка и в протонном ускорителе С235 – посмотреть, можно ли улучшить характеристики. На тот момент С235 уже считался серийным, такие установки работали в 6 центрах протонной терапии разных стран мира, еще несколько строились. Исследование было выполнено сотрудниками Отдела новых ускорителей и фазотрона ЛЯП. Были проведены теоретические расчеты, также значительное время нам пришлось провести на фабрике IBA по сборке ускорителей, принимая непосредственное участие в пучковых испытаниях нескольких таких машин.

Итогом стал созданный в сотрудничестве ОИЯИ – IBA ускоритель С235-V3. Он будет установлен в первом в России специализированном госпитальном центре протонной терапии в Димитровграде. Это совместная разработка, на ускорителе будут рядом размещены эмблема нашего института и логотип IBA. С235-V3 конструктивно отличается от С235 и обладает более высокой эффективностью ускорения и вывода пучка.

– Почему это важно в данной методике?

Системы протонной терапии последнего поколения реализуют методику облучения, синхронизированную с движением огранов в цикле дыхания человека. При этом используется сканирующий пучок переменной интенсивности. Работа пучка происходит в течение короткого времени, когда скорость перемещения облучаемого органа минимальна, то есть в строго определенные моменты времени дыхательного цикла, не более 25 % от общего времени. При использовании этой техники максимальная интенсивность выведенного из ускорителя пучка должна быть в 5-8 раз больше, чем при использовании однородного рассеянного пучка постоянной интенсивности. Поэтому чем лучше упомянутые параметры, тем эффективнее медицинские сеансы.

– Раз уж мы перешли к Димитровграду, расскажите, с чего начинался проект, что предстоит сделать.

– Напомню, что наше правительство решило создать два центра протонной терапии – в Димитровграде и Обнинске, а также центр ионной терапии в Томске до 2016 года. Тендер на поставку оборудования для Димитровграда выиграла компания IBA. Они предложили нашему институту совместно создать циклотрон С235-V3, а после изготовления его элементов на заводе выполнить сборку, настройку и испытания с пучком в Дубне. В корпусе №5 ЛЯП специально для этого был создан инженерный центр, подведены соответствующие коммуникации, для ускорителя построен бункер с радиационной защитой. В 2011 г. компоненты ускорителя из Бельгии были доставлены в Дубну. Мы его полностью собрали, доработали некоторые системы, сформировали нужное магнитное поле и приступили к пучковым испытаниям.

Как часто бывает в физике, эксперимент вносит в проект свои коррективы. Нам пришлось решать некоторые проблемы в ходе испытаний с циркулирующим пучком. Однако все удалось преодолеть, был получен компактный ускоренный пучок, который затем вывели из камеры ускорителя. Конечно, нужно было соблюдать сроки выполнения работ. Кроме того, число испытаний с выведенным пучком было ограничено, чтобы не навести активность на элементы машины, иначе оборудование пришлось бы транспортировать как радиоактивное. Тем не менее удалось получить эффективность ускорения 72% и 62% – эффективность вывода, что выше аналогичных параметров серийного ускорителя С235. В сентябре прошлого года циклотрон был отправлен в Санкт-Петербург, куда пришло и остальное оборудование из Бельгии. Сейчас оно ждет своего часа для путешествия в Димитровград.

Говоря про Димитровград, там строится современный госпитальный центр протонной терапии, с двумя системами гантри, комнатой с фиксированным пучком и медицинской кабиной для облучения глаза, отделением диагностики. Это будет в полном смысле медицинский центр последнего поколения.

– Если говорить в целом об отрасли, какие тенденции в развитии вы бы отметили?

– Разработчики смотрят в сторону сильных магнитных полей и сверхпроводимости, пытаются создать более компактные, легкие, в буквальном смысле настольные ускорители. В ОИЯИ существуют проекты ионного центра как на базе сверхпроводящего синхротрона, так и циклотрона. IBA сейчас разрабатывает сверхпроводящий синхроциклотрон размером около 2,5 метров, весом 60 тонн. Американская компания Still River сделала синхроциклотрон весом 20 тонн и в два раза большим магнитным полем. Это пример, когда количество переходит в качество – такой ускоритель можно вращать вокруг пациента вместе с пучком, который он производит, не используя при этом систему гантри и внушительную линию транспортировки, это существенно упрощает технологию. Отдельная история – разработка компактного гантри на сверхпроводящих магнитах, в этом направлении работа также ведется.

– Сколько стоит такой комплекс, во сколько обойдется лечение? Можно ли такое оборудование производить в России?

– Оценка от случая к случаю, конечно, варьируется, но примерно 100 миллионов долларов. Конечно, для частного бизнеса это большие деньги. Поэтому решения о создании таких центров принимаются на уровне правительств. Разработкой и эксплуатацией занимаются крупные коммерческие компании, для них это бизнес. Лечение в таком центре на Западе или в Америке оплачивают страховые компании. У нас, наверное, будет помогать государство. Думаю, медицинский центр в Димитровграде как раз покажет, как это будет осуществляться.

В России можно создавать подобные технологии, но силами одного научно-исследовательского института здесь не обойдешься. Чтобы создать технологию «от и до», у бельгийцев ушло около 15 лет целенаправленной работы, и технология постоянно совершенствуется. Разработка отдельно взятого циклотрона или синхротрона вопроса не решает. (Хотя создание ускорителей – наш хлеб, мы и дальше будем предлагать свой опыт и в этой области тоже.) Современный медицинский центр – это еще и сложнейшее программное обеспечение, на разработку которого уходят годы, и занимаются этим профессионалы. Программа должна контролировать работу всего комплекса, если что-то пойдет не так, она должна принять решение за сотые доли секунды, чтобы либо откорректировать нужные параметры, либо выключить пучок. Пока России приходится такое оборудование покупать за рубежом, поэтому очень важно, что ОИЯИ удалось принять активное участие в этой федеральной программе. Надеюсь, наше участие в ней еще продолжится.

Беседу вела Галина Мялковская

Фото из архива ОИЯИ

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

 
< Марта 2013 >
П В С Ч П С В
        1 2 3
4 5 6 7 8 9 10
11 12 13 15 16 17
18 19 20 21 22 23 24
25 26 27 28 29 30 31

Простая математика
Данные с ЦБР временно не доступны. Приносим свои извинения за неудобство.
Встреча, Газета , Ооо