циклотрон для чего используется
220 тонн будут спасать жизни. Единственный в России и крупнейший в Европе: разбираемся и смотрим что такое циклотрон
Вчера в Димитровграде, в Федеральном высокотехнологичном комплексе медицинской радиологии установили протонный ускоритель – циклотрон. Мы решили разобраться, что это такое и для чего он, собственно, нужен.
Циклотрон — это огромный высокочастотный ускоритель массой более 220 тонн, который разгоняет протоны до скорости света и направляет их точно в опухоль. Образовавшийся протонный пучок разрушает раковые клетки и при этом не задевает здоровые ткани. В мире сейчас работают всего четыре десятка центров протонной лучевой терапии. Интерес к развитию данной технологии огромен.
Система протонной терапии Proteus®PLUS для ФВЦМР ФМБА России произведена бельгийской компанией IBA (Ion Beam Applications S.A.), ведущим в мире производителем оборудования для протонной терапии, оснастившей более 65% всех протонных центров в мире.
Протонная терапия – это самый современный метод проведения радиотерапии. Протонный пучок, в отличие от излучения при традиционной радиотерапии, основную массу своей энергии высвобождает внутри опухоли, что существенно сокращает облучение здоровых органов и тканей.
История создания циклотрона и характеристики.
В 2007 году ОИЯИ (объединенный институт ядерных исследований) совместно с бельгийской фирмой IBA начали разработку специализированного медицинского циклотрона С235-V3 для протонной терапии. По своим характеристикам он превосходит серийные медицинские циклотроны IBA С235 предыдущих модификаций. С235-V3 — изохронный циклотрон на основе магнита броневого типа. Пространственная вариация магнитного поля создается четырьмя парами спиральных секторов. Ускоряющая высокочастотная система создана на основе двух резонаторов, расположенных в противоположных долинах полюсов электромагнита, систем генерации ВЧ-мощности, стабилизации и управления.
Диаметр ярма циклотрона составляет 4.3 метра, его вес — 220 тонн, максимальный вес не разборного элемента конструкции циклотрона — 90 тонн. Циклотрон имеет профилированный по высоте (эллиптический) зазор между секторами, уменьшающийся от центра к радиусу вывода с 96 до 9 миллиметров. Вертикальная апертура дуанта составляет 20 миллиметров.
Потребляемая ускорителем мощность электропитания составляет 450 киловатт. Максимальная энергия ускоренных в циклотроне протонов составляет 232 мегаватт.
Для монтажа протонного ускорителя в центре радиологии ФМБА использовался кран со стройки Керченского моста.
Циклотроны: что это такое и где они используются
Хотите узнать больше о деятельности МАГАТЭ? Подпишитесь на нашу ежемесячную электронную рассылку, чтобы быть в курсе самых важных новостей, получать аудио- и видеоматериалы и многое другое.
Это название больше похоже на имя персонажа из научно-фантастического фильма, но в действительности циклотрон является ускорителем частиц, т. е. аппаратом, который использует электромагнитные поля для ускорения заряженных частиц до очень высоких скоростей и энергий. Циклотроны применяются для производства радиоизотопов, которые используются в радиофармпрепаратах — определенном виде медицинских препаратов для диагностики и лечения онкологических заболеваний. В мире насчитывается более 1500 циклотронных установок, и недавно МАГАТЭ актуализировало свою интерактивную карту и базу данных, которые содержат информацию о 1300 таких установках в 95 странах.
Созданная в 2019 году База данных по циклотронам для производства радионуклидов является инструментом, помогающим специалистам, таким как радиофармацевты, а также владельцам и пользователям медицинских циклотронных установок находить техническую, практическую и административную информацию о действующих циклотронах и обмениваться такими данными. Эта работа ведется в рамках деятельности МАГАТЭ по укреплению потенциала стран в области производства радиоизотопов и применения радиационных технологий в здравоохранении.
«Развитие циклотронных технологий идет стремительными темпами, а их роль в секторе здравоохранения будет становиться все более важной, особенно в рамках усовершенствованных процедур медицинской визуализации, поскольку производимые с помощью циклотронов радиофармацевтические препараты очень эффективны в выявлении различных видов рака», — говорит химик-специалист МАГАТЭ по радиоизотопам и радиофармпрепаратам Амир Джалилиан.
База данных МАГАТЭ позволяет пользователям получать подробную информацию о каждой установке, включая вид, размер и количество размещенных в ней циклотронов. Профессионалы из этой области могут налаживать между собой связи и обмениваться опытом и информацией о своих радиофармацевтических продуктах. На этой платформе также распространяется информация о предстоящих мероприятиях МАГАТЭ и публикациях, посвященных монтажу и применению циклотронов.
База данных создана в рамках работы МАГАТЭ по оказанию странам помощи в области производства радионуклидов. МАГАТЭ предоставляет экспертные консультации и технические рекомендации в связи с установками по производству радиофармацевтических препаратов, помогает создавать кадровый потенциал при помощи учебных курсов и образовательных программ, а также содействует проведению научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в рамках проектов координированных исследований.
Владельцы и пользователи медицинских циклотронов могут передать в Отдел физических и химических наук МАГАТЭ актуальную информацию о своих установках, заполнив соответствующую онлайновую форму.
Для получения дополнительной информации и более подробных сведений об ускорителях и их применениях посетите сайты Базы данных по циклотронам для производства радионуклидов и Портала знаний об ускорителях (ПЗУ).
Для чего нужен циклотрон? Об одном из самых масштабных проектов Президентской клиники
Для точности исследования специалисты используют радионуклидные фармацевтические препараты. Их вводят в организм пациента перед тем, как приступить к диагностике на аппарате ПЭТ/КТ (позитронно-эмисионный томограф, совмещенный с компьютерным томографом). Этот аппарат способен видеть накопление радиофармпрепарата в теле пациента и указать на происходящие патологические процессы в тканях организма.
Именно так специалисты Центра ядерной медицины Президентской клиники ежедневно диагностируют болезни, помогая лечащим врачам установить точный диагноз для дальнейшего эффективного лечения и позволяя бороться с болезнью на ее ранних стадиях. Чтобы расширить границы этой области и помочь еще большему количеству пациентов, в Больнице запустили масштабный проект по строительству Циклотроно-производственного комплекса. Основной целью данного комплекса будет производство ряда различных радиофармпрепаратов для диагностики труднодиагностируемых онкологических заболеваний, а также заболеваний головного мозга и сердечно-сосудистой системы.
Как инновационный проект Центра ядерной медицины Президентской клиники поможет в лечении и диагностике онкологических заболеваний и болезней мозга и сердца, и как к нему готовится Больница, мы узнали в беседе с руководителем Центра диагностики Больницы Айгуль Садуакасовой, заместителем руководителя Медицинского Центра Управления делами Президента РК Ажар Гиният и международным экспертом МАГАТЭ доктором Али бин Абдул Кадером.
Все решают кадры
Проверка на качество
Социальный вопрос
Благодаря циклотронному комплексу на базе нашей Больницы, мы планируем производить еще восемь видов радиофармпрепаратов, чтобы исследовать такие труднодиагностируемые заболевания, как рак предстательной железы, нейроэндокринные образования, опухоли головного мозга, остеобластические костные метастазы, низкозлокачественные опухоли и многое другое.
На сегодняшний день, согласно статистике, более 70 тысяч человек по всей стране нуждаются в исследованиях с применением указанных восьми радиофармпрепаратов. Но их потребности в Казахстане пока не покрываются. В связи с этим, обнаружение заболевания происходит, как правило, уже на поздних стадиях, когда терапия неэффективна.
Внедрение новых радиофармпрепаратов значительно улучшит раннюю диагностику различных онкологических заболеваний, и как следствие, поможет продлить жизнь пациентам без риска прогрессирования болезни. Впрочем, речь идет не только о диагностике онкологии: мы планируем расширить диагностические возможности медицины нашей страны в кардиологии и неврологии. Например, при исследовании терминальной хронической сердечной недостаточности, при поиске зоны эпилепсии, болезни Альцгеймера, болезни Паркинсона, деменций, мультисистемной атрофии и других болезней.
Записаться на исследования ПЭТ/КТ можно по телефонам : 87058887777, 8(7172)708040, 8(7172)707946
Ускорители заряженных частиц. Циклотрон
Для исследования структуры атомных ядер их бомбардируют частицами, имеющими большую энергию, то есть летящими с очень большой скоростью. Для их получения в лабораторных условиях используют различного рода ускорители, одним из которых и является циклический ускоритель (циклотрон).
В циклотроне заряженная частица, размещенная между полюсами электромагнита, многократно проходит через электрическое поле. В каждый проход она наращивает свою энергию от нескольких сотен до нескольких тысяч электрон – вольт. Для периодического возвращения и управления движением заряженной частицы применяют поперечное магнитное поле.
На совершающую движение в постоянном магнитном поле частицу будет действовать сила Лоренца, результатом чего станет движение заряженного элемента по окружности постоянного радиуса в случае если масса и скорость его останутся неизменными:
Сила Лоренца FЛ, которая направлена по радиусу к центру окружности, вызовет центростремительное ускорение и согласно 2-му закону Ньютона будет равна:
Где: R – радиус орбиты, m – масса заряженной частицы, V – ее скорость. Из этого можно сделать вывод, что FЦ = FЛ, или:
Где: q – величина заряда, В – индукция магнитного поля (векторы В и V взаимно перпендикулярны, то есть sin α = 1). Из этой формулы получаем выражение для угловой скорости частицы:
Если B, q и m – величины постоянные, то скорость угловая, а следовательно и количество оборотов частицы в секунду тоже являют собой величину постоянную, не зависящими от ее энергии. Однако радиус орбиты все же зависит от скорости движения, так как это следует из равенства (1):
С ростом энергии заряженного элемента и увеличением его скорости радиус орбиты увеличивается, именно поэтому элемент в ускорителе (например, циклотроне), будет двигаться по спирали.
Схема устройства циклотрона показана на рисунке ниже:
Циклотрон используют в качестве ускорителя тяжелых частиц – положительных многозарядных ионов и протонов. В циклотроне присутствуют причины, которые ограничивают возможности значительного увеличения энергии ионов. Кинетическая энергия любой частицы равна E = mV 2 /2. Поэтому для получения частиц с очень большим запасом энергии их нужно разгонять до очень большой скорости, практически равной скорости света. Из теории относительности известно, что масса заряженной частицы зависит от ее движения и скорости:
Где: m0 – масса частицы в покое, V – ее скорость, с – скорость света. В условиях, когда и V« c, массу тела можно считать строго постоянной. Однако в ускорителях, где частица разгоняется до скорости близкой к скорости света, с этой массой пригодиться считаться. Из формулы (2) можно получить выражение периода вращения заряженной частицы в циклотроне:
То есть период обращения прямо пропорционален массе элемента. Поэтому по мере ускорения частиц растет период обращения, а период высокочастотного поля остается неизменным. В результате при каждом последующем попадании в ускоряющую щель элементы будут опаздывать, приобретая меньшую энергию, пока не начнут попадать в тормозящее поле.
Для разгона электронов используют другой ускоритель – бетатрон, в котором используется вихревое электрическое поле. Однако энергия, получаемая элементами с помощью циклотрона, не удовлетворяла ученых. Для достижения большей энергии частиц используют два приема:
Циклотрон и его применение 
13266
13266 
В 1930 году Э. Лоуренсом (США) был создан и первый циклический ускоритель – циклотронна энергию протонов 1 МэВ (его диаметр был 25 см). Схема устройства циклотрона показана на рис. 34.
Тяжелые заряженные частицы (протоны, ионы) ускоряются в циклотроне переменным ускоряющим полем фиксированной частоты, приложенным к ускоряющим электродам (их два и они называются дуантами). Частицы с зарядом Ze и массой m движутся в постоянном магнитном поле напряженностью B, направленном перпендикулярно плоскости движения частиц, по раскручивающейся спирали. Радиус R траектории частицы, имеющей скорость v, определяется формулой:
R = g, (5.1)
где γ – релятивистский фактор.
В циклотроне для нерелятивистской (γ ≈ 1) частицы в постоянном и однородном магнитном поле радиус орбиты пропорционален скорости (1), а период обращения
, (5.2)
т.е. не зависит от энергии частицы. Частицы попадают из инжектора в ускорительную камеру близко к её центру и начинают вращаться по орбите малого радиуса. В зазоре между дуантами частицы ускоряются импульсным электрическим полем (внутри полых металлических дуантов электрического поля нет). В результате энергия и радиус орбиты возрастают. Повторяя ускорение электрическим полем на каждом обороте, энергию и радиус орбиты доводят до максимально допустимых значений.
Основные области использования циклотрона:
· исследования и разработка технологии получения радионуклидов для ядерной медицины;
· синтез радиофармпрепаратов для медицинской диагностики;
· производство трековых мембран для изготовления фильтров очистки воды;
· нейтронная терапия онкологических больных;
· активационный анализ на заряженных частицах;
· облучение образцов материалов пучками заряженных частиц для исследования и модификации поверхности материалов;
· структурно-фазовый анализ сплавов стали и геологических образцов.
Синтез радиофармпрепаратов для ядерной медицины.Радиофармпрепаратами называют специально синтезированные биологически активные вещества, часть молекул которых содержит определенный радионуклид (молекулы как бы «мечены» радионуклидом). Введенные радионуклиды ведут себя в биологических системах так же, как и стабильные изотопы этих элементов. Отслеживая радионуклид по его излучению, которое ничтожно мало с точки зрения воздействия на организм, но при этом надежно измеряется высокочувствительными детекторами, медики получают возможность изучать миграцию, превращения, накопление, выведение «меченого» биологически активного вещества и на основании этого сделать вывод о функционировании исследуемых органов или тканей.
В качестве примера использования данных радиофармпрепаратов можно привести диагностику и лечение щитовидной железы с помощью йода-123. Именно радиоизотопной диагностике с применением радиоизотопов йода человечество обязано современным представлениям о функциях щитовидной железы и успехам лечения многих заболеваний, с ней связанных. Препараты, содержащие йод, широко используются для изучения обменных процессов во всем организме, диагностики и лечения целого спектра заболеваний, поскольку йод входит в состав многих биологических тканей.
Таллий-199 используется для диагностики перфузии сердца. Перфузное сканирование миокарда позволяет получить информацию о наличии инфаркта миокарда, определить расход крови (кровоток) через коронарные сосуды.
Методы радиоизотопной диагностики дают такую информацию о пациенте, которую невозможно получить никакими другими методами.
Производство и применение трековых мембран.На базе ускорителей различных типов разработана технология и освоено производство трековых мембран из полимерных пленок. Трековые (ядерные) мембраны получают путем облучения полимерной пленки толщиной 10–12 мкм, шириной 300 мм и длиной порядка 1500 м ионами азота, аргона на ускорителе. Каждый ион вдоль своей траектории повреждает полимерные молекулы, оставляя скрытый след – трек (отсюда и название мембран – «трековые»). Если облученную пленку затем засветить ультрафиолетовым светом и подвергнуть травлению в щелочи при заданной температуре, в ней по каждому треку образуется сквозное отверстие – пора цилиндрической формы, диаметр которой прямо пропорционален времени травления и может изменяться от сотых долей микрона до нескольких микрон (для сравнения: толщина человеческого волоса – 50 микрон) (рис. 35). Диаметры всех пор оказываются совершенно одинаковыми.
Трековые мембраны с высокой пористостью являются высококачественным фильтрующим материалом, позволяющим осуществлять процесс микрофильтрации жидкостей и газов с высокой селективностью, включая стерилизующую фильтрацию. Такие мембраны могут найти применение в микроэлектронике, биотехнологии, медицине, фармацевтической, пищевой и парфюмерной промышленности, экологии.Использование трековых мембран для очистки воды является одним из наиболее перспективных направлений обеспечения экологической безопасности населения.
В настоящее время созданы образцы и организовано производство бытовых мембранных фильтров питьевой воды. Основные преимущества для потребителя – высокая степень очистки от микробных загрязнений – 99,9999 %.
Нейтронная терапия онкологических больных. Лучевая терапия – метод лечения опухолевых и ряда неопухолевых заболеваний с помощью ионизирующих излучений. В качестве источников облучения используются ускорители или радиоизотопные установки. Эффект лучевой терапии основан на повышенной чувствительности раковых клеток к ионизирующему излучению. Под действием этого излучения в клетках развивается огромное количество мутаций, и они погибают. При этом нормальные клетки организма не подвергаются таким изменениям, так как более устойчивы к облучению. Гибель опухоли происходит также за счет специальной методики облучения, когда лучи подводятся к опухоли с разных сторон. В результате в опухоли накапливается максимальная доза.
По виду излучения лучевая терапия делится на рентгенотерапию и гамма терапию. Однако некоторые виды опухолей устойчивы к действию данных видов излучений. В связи, с чем для достижения максимальной избирательности противоопухолевого радиационного эффекта предложено применять тяжелые ядерные частицы: протоны, тяжелые ионы, нейтроны.