циклотрон для чего нужен
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.
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
Циклотрон и его применение
13267
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.
Циклотрон для чего нужен
Циклотрон – циклический ускоритель нерелятивистских тяжёлых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором частицы двигаются в постоянном и однородном магнитном поле, а для их ускорения используется высокочастотное электрическое поле неизменной частоты.
В 1930 году Э. Лоуренсом (США) был создан и первый циклический ускоритель – циклотрон на энергию протонов 1 МэВ (его диаметр был 25 см). На рис.1 показана первая работающая модель циклотрона. На рис.2 циклотрон следующего поколения, который позволял ускорять протоны и дейтроны до энергий в несколько МэВ.
Рис. 2. С. Ливингстоун и Э. Лоуренс у 27-дюймового циклотрона, который широко использовался в экспериментальных исследованиях ядерных реакций и искусственной радиоактивности
Рис. 1. Первая работающая модель циклотрона |
Схема устройства циклотрона показана на рис.3. Тяжелые заряженные частицы (протоны, ионы) попадают в камеру из инжектора вблизи центра камеры и ускоряются переменным 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
(1) |
(2) |
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. При этом частицы приобретают скорость v = ZeBR/m и соответствующую ей энергию:
На последнем витке спирали включается отклоняющее электрическое поле, выводящее пучок наружу. Постоянство магнитного поля и частоты ускоряющего поля делают возможным непрерывный режим ускорения. Пока одни частицы двигаются по внешним виткам спирали, другие находятся в середине пути, а третьи только начинают движение.
Недостатком циклотрона является ограничение существенно нерелятивистскими энергиями частиц, так как даже не очень большие релятивистские поправки (отклонения γ от единицы) нарушают синхронность ускорения на разных витках и частицы с существенно возросшими энергиями уже не успевают оказаться в зазоре между дуантами в нужной для ускорения фазе электрического поля. В обычных циклотронах протоны можно ускорять до 20-25 МэВ.
Для ускорения тяжёлых частиц в режиме раскручивающейся спирали до энергий в десятки раз больших (вплоть до 1000 МэВ) используют модификацию циклотрона, называемую изохронным (релятивистским) циклотроном, а также фазотрон. В изохронных циклотронах релятивистские эффекты компенсируются радиальным возрастанием магнитного поля.
ЦИКЛОТРОН
— резонансный циклический ускоритель тяжёлых частиц (протонов, ионов), работающий при постоянном во времени магн. поле и при постоянной (но меняющейся при переходе от иона к иону) частоте ускоряющего высокочастотного электрич. поля. Следует различать обычные Ц., в к-рых индукция магн. поля не зависит от азимута, и Ц. с азимутальной вариацией магн. поля, иначе называемые изохронными циклотронами.
Первая конструкция Ц.была предложена Э. Лоуренсом (Е. Lauwrence) в 1932, и тогда же ему удалось получить поток дейтронов с энергией до 6 МэВ и силой тока до 25 мкА.
Рассмотрим движение частиц в вакуумной камере Ц. в отсутствие ускоряющего напряжения. Траектории частиц, движущихся по азимуту, в пост. вертикальном магн. поле имеют вид, близкий к горизонтально расположенным окружностям. Необходимое для такого движения центро-стремит. ускорение создаёт сила Лоренца.
Для частицы, движущейся в Ц., справедливы следующие соотношения:
Ф-лы (1) и (2) показывают, что при пост. индукции В частота обращения нерелятивистских частиц в Ц. не зависит от их энергии, а радиус траектории пропорционален импульсу. Поэтому траектории ускоряемых частиц представляют собой не окружности, а раскручивающиеся спирали. Частота ускоряющего поля постоянна и равна (или кратна) частоте обращения частиц в вакуумной камере.
Неизменность магн. поля и частоты ускоряющего напряжения делают возможным непрерывный режим ускорения: в то время как одни частицы движутся по внеш. виткам спирали, другие находятся на середине пути, а третьи только начинают движение (частицы инжектируются в вакуумную камеру Ц. вблизи её центра); радиус инжекции зависит от импульса, к-рый приобретают частицы в ионном источнике или на пути от источника к дуанту.
Ускоряемые частицы заполняют спиральную траекторию не сплошь. Занятыми оказываются только те её участки, к-рые соответствуют частицам, приходящим в зазор при ускоряющем направлении электрич. ВЧ-поля. Поэтому пучок ускоряемых частиц распадается на цепочку следующих друг за другом групп частиц (банчей, см. Банчировка).
При значит. ускорении частиц, когда происходит релятивистское увеличение массы (g> 1). частота обращения частиц начинает падать, и они выходят из синхронизма с ускоряющим полем. В таком случае режим ускорения частиц сменяется их за. В. Однако для Ц. с азимутально-симметричным полем это ведёт к появлению неустойчивости вертикального движения ускоряемых частиц.
При устойчивом движении всякое отклонение параметров движения частиц от равновесных значений должно сопровождаться возникновением эффектов, стремящихся вернуть эти параметры к равновесным, так что частицы совершают колебания около равновесных значений. Принято различать устойчивость поперечных колебаний (колебаний по высоте и по радиусу) и устойчивость продольного движения (радиально-фазовые колебания).
Можно показать, что в азимутально-симметричном поле вертикальное движение оказывается устойчивым лишь в том случае, если индукция магн. поля не растёт, а убывает с радиусом. Обычно такое поле и создаётся. Складываясь с релятивистским увеличением массы, этот эффект накладывает дополнит. ограничение на макс. энергию ускоряемых частиц. У Ц., используемых для ускорения протонов, максимально достижимая энергия лежит в области 30 МэВ.
Увеличить энергию, к-рую могут достичь частицы, ускоряемые в Ц., возможно двумя способами. Можно отказаться от постоянства частоты ускоряющего напряжения, снижая её, по мере того как падает частота обращения частиц. Такие ускорители наз. фазотронами. При изменяющейся во времени частоте становится невозможным описанный выше режим ускорения, когда в ускорителе сосуществуют частицы, находящиеся на разных стадиях процесса ускорения. Частота ускоряющего поля при этом соответствует ускорению одного или группы близко расположенных банчей. T. о., увеличение максимально достижимой энергии частиц в фазотроне происходит за счёт существенного снижения интенсивности.
Другой путь достижения макс. энергии заключается в отказе от азимутальной симметрии магн. поля. В таких ускорителях частицы попеременно пересекают области, в к-рых поле с увеличением радиуса растёт и уменьшается. При правильном выборе параметров в результате такого движения появляется вертикальная устойчивость даже при увеличивающейся с радиусом ср. индукции магн. поля. Ускорители, построенные по этому принципу, наз. изохронным и Ц. Изохронные Ц. работают при пост. частоте ускоряющего поля и поэтому способны выдавать большие токи ускоренных частиц. Азимутальное изменение магн. поля, совмещённое с радиальным, требует магн. полюсов сложной формы. Полюса изохронных Ц. обычно составляются из неск. секторов или снабжаются спиралевидными гребнями.
Внеш. вид одного из современных Ц., работающего в Институте ядерных исследований, представлен на рис. 2. Он может ускорять как протоны, так и ионы (до неона включительно). На внеш. витке спирали энергия протонов составляет 35 МэВ. Cp. ток ускоренных протонов 30 ткА. Мощность ускоренного пучка составляет
1 кВт. Магн. ярмо Ц. весит 300 т, вес катушек возбуждения
70 т, диаметр магн. полюсов 150 см, потребляемая от сети мощность
180 кВт. Габаритные размеры Ц. 8 13 м 2 в плане и 4,5 м по высоте.
Рис. 2. Внешний вид циклотрона Института ядерных исследований на 35 МэВ по протонам.
Лит. см. при ст. Ускорители заряженных частиц.