Недавний пресс-тур в Институт ядерных исследований РАН в Троицке приятно удивил: на приглашение познакомиться с работами в области ускорительной физики откликнулась неожиданно большая группа журналистов из самых разных медиа, включая телевизионщиков с центральных каналов.

Прежде чем показать представителям СМИ, как выглядит сильноточный линейный ускоритель ионов водорода, заведующий лабораторией пучка ускорительного комплекса ИЯИ РАН кандидат физико-математических наук Сергей Гаврилов (на снимке) предупредил о правилах электробезопасности и достаточно мощном высоковольтном и сильноточном оборудовании, которое обеспечивает работу установки.

«У нас работает самый большой действующий линейный ускоритель в Евразии, его длина составляет около 500 метров. В нем происходит разгон пучков протонов и отрицательных ионов водорода, который осуществляется на принципе резонансного линейного ускорения. Эта установка на сегодняшний момент все еще остается самым крупным действующим линейным ускорителем тяжелых частиц на евро-азиатском континенте. В Европе есть могучие кольцевые машины, например, Большой адронный коллайдер в ЦЕРН, но линейные установки, как правило, не очень протяженные, потому что они подразумевают наличие гигантской инфраструктуры, различные проблемы с ее обслуживанием. Сейчас на юге Швеции, в городке Лунд, строится аналогичный российскому по размеру линейный ускоритель протонов, положительных ионов водорода – это будет суперсовременный аппарат, несравнимый, конечно, с нашим по характеристикам. Но пока там только туннель без какой-либо ускоряющей структуры, поэтому мы все еще впереди», – вводит представителей СМИ в курс дела Сергей Гаврилов.

Потоки частиц, которые разгоняются в ИЯИ, используются для самых разных прикладных и фундаментальных экспериментов. Из ускорителя пучок выходит в экспериментальный комплекс, где имеются несколько источников нейтронов. Есть вывод пучка на медицинскую физику для решения задач протонной терапии, а также в самом туннеле ускорителя примерно на энергии 160 МэВ происходит отвод пучка на производство радиоизотопов для позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Кроме этого, в конце ускорителя установлен специальный стенд для исследования радиационной стойкости различных материалов и компонентов, например, тех, которые запускаются в космос и подвержены влиянию космического фонового излучения.

Откуда вообще берется тот самый пучок частиц, который потом разгоняется и прилетает на установку? Журналисты толпятся рядом с ускорителем и просят рассказать о физике популярным языком, чтобы поняли «бабушки у экранов». Но «бабушкам», надо признать, придется напрячься, чтобы разобраться в ускорительных технологиях.

«У нас есть два инжектора частиц, где в плазме, в атмосфере водорода загорается разряд и вытягивающим напряжением извлекаются те самые ионы, которые нужно ускорять. Дальше они проходят по каналам транспортировки, чтобы попасть в ускоритель. Самый простой способ ускорения заряженных частиц – это, конечно, разность потенциалов. Но если нужно разгонять до очень больших энергий, то этот способ не подойдет, потому что наступит электрический пробой. Нужно придумать нечто, что будет разгонять частичку по чуть-чуть, но с возможностью достичь достаточно больших энергий. И это нечто – резонансное ускорение», – посвящает в ускорительные секреты Сергей Гаврилов, одновременно с опаской поглядывая на телеоператора, который ради удачной картинки забирается, куда не положено.

«Инжекторы выдают энергию пучка 400 килоэлектронвольт, а нам нужно разгонять до сотен мегаэлектронвольт. Что можно придумать? Можно взять металлическую бочку, резонатор, где будут возникать электромагнитные волны. Но электромагнитная волна имеет одно неприятное для ускорения свойство: в ней направление электрического поля постоянно меняется то в одну, то в другую сторону. Это означает, что, если „посадить” туда заряженную частичку, она тоже будет болтаться в разные стороны, а вам нужно куда-то ее направить и ускорить», – максимально популярно излагает физику сотрудник ИЯИ.

Как же «спрятать» заряженную частицу от влияния электрического поля?

«Еще из школьной программы известно такое понятие, как „клетка Фарадея”. Ученый сидел в металлической клетке, вокруг сверкали молнии, а ему хоть бы что! То есть если объект поместить в замкнутую электропроводящую оболочку, то она изолирует его от влияния внешних электрических полей. Здесь тот же самый принцип: на штангах можно подвесить полые цилиндры, и если частичка влетает в такой цилиндр, она не чувствует внешнего электрического поля. Такие цилиндры назвали трубками дрейфа. И вот что происходит: частичка попадает в ускоритель, чуть-чуть „доускоряется”, и когда поле начинает менять свое направление на противоположное, частица уже влетает в трубку дрейфа и „прячется” от влияния этого паразитного, не в ту сторону направленного поля. А когда оно поворачивается снова в сторону ускорения, частица вылетает из трубки в зазор между ней и следующий трубкой и ускоряется. И так по цепочке: ускорилась – спряталась, ускорилась – спряталась… В начале, когда энергия пучка маленькая, трубки дрейфа должны быть коротенькие, а потом, по мере увеличения энергии, они становятся все длиннее», – доходчиво разъясняет устройство ускорителя Сергей Гаврилов.

Физический пуск ускорительного комплекса ИЯИ в Троицке состоялся в 1988 году, то есть машина функционирует уже больше 30 лет, хотя, как признает Сергей Гаврилов, установки подобного типа не должны эксплуатироваться так долго. Их стандартный срок службы – 20–25 лет, после чего обычно утверждается новая физическая программа, что-то радикально меняется в ускорителе. Например, могут повышаться интенсивность пучков, энергия, могут строиться какие-то дополнительные каналы вывода пучков на разные установки, делаться другие обновления, глобальный капитальный ремонт, замена ускоряющих структур на более современные. Но в Троицке о глобальных переменах пока речи нет.

«В текущих условиях и в условиях предыдущих лет мы работаем с тем, что есть, со всеми проблемами, присущими старой инфраструктуре. Тем не менее ускоритель продолжает выполнять все свои функции», – подытожил Сергей Гаврилов.

Заведующий радиоизотопным комплексом главный научный сотрудник ИЯИ РАН, доктор химических наук Борис Жуйков рассказал о технологии получения различных радиоактивных изотопов (в основном медицинского назначения).

«Все началась в конце 1980-х годов, когда ускоритель строился. Так как он линейного типа, его можно было вводить по частям, увеличивая энергию протонов, которые ускоряются на этой машине. Когда энергия достигла уровня 160 МэВ, появилась возможность использовать пучок протонов для наработки различных изотопов. Наш ускоритель уникален, подобного в Европе и Азии нет, хотя есть аналоги в США и Канаде, поэтому мы решили получать те изотопы, которые не могут получать другие или получают в незначительных количествах. В первую очередь мы сконцентрировались на получении радиоизотопа стронций-82, который применялся для только развивавшегося тогда метода ПЭТ. Этот изотоп становился все более популярным, и потребности в нем росли», – поделился Борис Жуйков.

Сейчас популярность приобретает актиний-225. Этот перспективный изотоп также можно получать в Троицке в значительных количествах.

«Он испускает тяжелые альфа-частицы, имеющие большую энергию. Адресно доставляя его в раковую клетку, можно уничтожить ее, и это – новое направление в ядерной медицине», – отмечает ученый.

Медицинской тематике в ИЯИ уделяется особое внимание. Здесь ведутся исследования в области протонной терапии, которая при лечении онкологических заболеваний считается более эффективной и одновременно щадящей. Но и она не лишена основного недостатка лучевой терапии: при доставке дозы протонов к раковым клеткам часть ее достается окружающим здоровым тканям, что может отрицательно повлиять на здоровье пациента.

Сегодня большие надежды ученых связаны с флеш-терапией, при которой вся терапевтическая доза облучения подводится к опухоли за доли секунды, а не за 20-30 сеансов по нескольку минут, как при обычной лучевой терапии. В ИЯИ РАН проводятся эксперименты по облучению клеток раковых опухолей протонами методом ультрафлеш-терапии. Ускоритель позволяет подвести всю дозу в 40-50 грей за 100 микросекунд – в тысячи раз быстрее, чем в обычном флеш-режиме. Оказалось, что при таком ультракоротком облучении нормальные клетки повреждаются в 5-6 раз меньше, чем при обычной лучевой терапии.

Об исследованиях в этой области журналистам рассказал заведующий лабораторией медицинской физики ИЯИ РАН, руководитель комплекса протонно-лучевой терапии доктор физико-математических наук Сергей Акулиничев (на снимке): «Протонная терапия – это достаточно сложный и дорогостоящий вид лучевой терапии, таких центров в мире всего около 100. В России действуют сейчас четыре центра. Наш ускоритель протонов отличается от других тем, что у него очень высокая интенсивность пучка. В одном импульсе подаются 10¹³ протонов – это огромное количество, такого нет ни у одной установки, использующейся для медицины. До сих пор нам казалось, что такая интенсивность слишком большая, и мы ее искусственно занижали».

Протоны отличаются от других, легких, частиц тем, что они выделяют дозу не на поверхности тела, а на заданной глубине, которая зависит от скорости протонов, от их энергии. Ее можно менять и добиваться того, что максимум дозы выделяется именно в раковых клетках, а на окружающие ткани их воздействие незначительно. Сегодня это свойство активно используется для того, чтобы лечить опухоли сложной локализации.

К протонной терапии прибегают в трудных случаях, особенно она востребована для лечения детских онкологических заболеваний.

Несколько лет назад было обнаружено, что, если подводить ту же самую дозу к мишени не за несколько минут, как это обычно делается в лучевой терапии, а за доли секунды, то опухолевые и нормальные клетки реагируют на такое воздействие по-разному. Опухолевые погибают, а нормальные – нет. Эффект флеш-терапии завоевал свое место в современных технологиях лечения онкозаболеваний.

«Как я уже сказал, мы думали, что у нас слишком высокая интенсивность пучка, и искусственно ее занижали, но потом провели опыты и обнаружили, что апоптоз опухолевых клеток, которые мы облучали в недоступном другим ускорителям режиме „ультрафлеш” (за счет чрезвычайно высокой мощности нашего ускорителя), еще сильнее возрастает, по сравнению с обычным флеш-режимом. Выяснилось, что, если всю терапевтическую дозу (10¹³ протонов) подавать на опухоль за 100 микросекунд одним импульсом, то этого достаточно, чтобы мгновенно провести полное разрушение раковых клеток. И при этом влияние облучения на здоровые клетки, расположенные рядом с опухолью, оказалось существенно меньше по сравнению с флеш-методом», – говорит Сергей Акулиничев.

Ученые уже провели испытания нового метода на живых клетках. Впереди исследования на перепелиных яйцах, а затем на животных. Если метод докажет свою эффективность и безопасность, его адаптируют для лечения человека.

Источник: Мультимедийный портал ПОИСК.
Текст: Светлана Беляева.
Фото: Николай Степаненков.