Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
Л. Краусс
«Страх физики». Глава из книги


А. Акопян
Как ищут тёмную материю


И. Акулич
Идеальный почтовый индекс


А. Бердников
Интерференция в домашних условиях. Плёнки и антиплёнки


Интервью с Л. Марголисом
Леонид Марголис: «Мне всегда было интересно, как клетки разговаривают друг с другом»


А. Иванов
Сибирь и Северная Америка были единым целым более миллиарда лет назад


П. Амнуэль
Одиночество во Вселенной


Р. Фишман
Детективы каменного века


О. Макаров
Животные, которые дарят надежду


Б. Штерн
Шкловский — 100







Главная / Новости науки версия для печати

Первое применение лазерных ускорителей будет медицинским


Доза облучения, получаемая тканями на разной глубине при облучении рентгеновскими лучами и пучком ионов (изображение с сайта www.gsi.de)
Доза облучения, получаемая тканями на разной глубине при облучении рентгеновскими лучами и пучком ионов (изображение с сайта www.gsi.de)

Протонная терапия опухолей, остающаяся пока дорогой и мало распространенной процедурой, станет намного доступнее, когда в дело вступят лазерные ускорители протонов. Недавно появилось сразу несколько работ, приближающих эту эпоху.

Ускорители элементарных частиц используются не только в фундаментальной науке, но и в медицине. Одно из их применений в этой области — протонная терапия онкозаболеваний, то есть радиационное воздействие на опухоль с помощью пучка протонов (а иногда даже и тяжелых ионов).

Суть методики заключается в следующем. Протоны разгоняют в ускорителе и тонким пучком направляют на опухоль пациента. Проходя сквозь вещество, протоны постепенно теряют свою энергию и останавливаются, причем их энерговыделение резко усиливается на последних миллиметрах пути. Зная глубину залегания опухоли, можно подобрать энергию пучка так, чтобы эти последние миллиметры попали как раз внутрь нее. В результате опухоль получает гораздо большую дозу облучения, чем окружающие ее здоровые ткани, что выгодно отличает эту методику от обычной радиотерапии рентгеновскими лучами.

Несмотря на то что идея протонной терапии была предложена очень давно, она до сих пор не получила широкого распространения. Ее применяют сейчас около 30 клиник и исследовательских центров по всему миру, а полное число пациентов, подвергнутых этой процедуре, составляет к настоящему моменту лишь 50 тысяч.

Главная причина такой ситуации — дороговизна аппаратуры. Это не только стоимость самого ускорителя протонов, но и оборудование специального ускорительного зала размером в десятки метров с высокой степенью радиационной защиты, а также создание линии транспортировки протонного пучка из ускорителя в операционный кабинет — опять же, в соответствие со всеми требованиями безопасности. В результате только достаточно богатые клиники или исследовательские центры могут раскошелиться на такую установку.

Несколько лет назад вдруг выяснилось, что эту ситуацию можно резко изменить. Исследования по физике лазеров (казалось бы, совсем другой раздел физики!) привели к идее лазерного ускорителя протонов, и сразу стало понято, что его можно будет применить и для протонной терапии.

Схема получения и ускорения ионов в фокусе мощного лазерного луча (изображение из статьи Mike Dunne. «Laser-Driven Particle Accelerators» // Science. V. 312. P. 374–376
Схема получения и ускорения ионов в фокусе мощного лазерного луча (изображение из статьи Mike Dunne. Laser-Driven Particle Accelerators // Science. V. 312. P. 374–376

Суть методики такова. Короткий, но очень мощный лазерный импульс, сфокусированный на тонкую мишень, порождает в фокусе маленькое облачко плазмы, а затем буквально сдувает его вперед. Далее с помощью магнитного поля протоны в этом потоке можно отделить от других ядер и от электронов. Так повторяется раз за разом (каждый раз под лазерный импульс подставляется новый участок мишени), и на выходе получается импульсный протонный пучок. Самое важное, что ускорение частиц до энергий в десятки МэВ происходит на длине всего в несколько микрон — то есть в миллион раз эффективнее, чем в обычных ускорителях!

Лазерная технология ускорения позволяет одним махом избавиться от ряда проблем, сопутствующих обычным ускорителям. Во-первых, из дорогого оборудования остается только мощный лазер, который всё равно дешевле ускорителя. Во-вторых, он гораздо компактнее и не требует таких мер безопасности, как ускоритель. Система подачи луча от лазера к пациенту гораздо проще — ведь луч света легко направлять зеркалами и фокусировать линзами, а пучок протонов тут появляется только на последней стадии. Наконец, у этой методики есть и функциональные преимущества по сравнению с ускорительной, например легкость перестройки энергии и интенсивности протонного пучка.

Вверху: схема установки для протонной терапии с помощью лазерного ускорения. Внизу: для сравнения приведена схема центра протонной терапии с обычным ускорителем (изображения из статьи arXiv:0804.3826 и с сайта www.proton-therapy.org)<
Вверху: схема установки для протонной терапии с помощью лазерного ускорения. Внизу: для сравнения приведена схема центра протонной терапии с обычным ускорителем (изображения из статьи arXiv:0804.3826 и с сайта www.proton-therapy.org)

Впрочем, всё это остается пока в перспективе. Для практической реализации этой методики требуется сначала решить ряд довольно сложных технических проблем (см. например небольшой обзор [1]). Однако в последние месяцы появилось сразу несколько работ, делающих существенные шаги на пути к их решению. Вот некоторые из трудностей и предложенные в этих статьях попытки их решения.

Во-первых, для воздействия на глубоко залегающие опухоли требуются протоны с энергией 200–250 МэВ. Максимальная энергия протонов, достигнутая в эксперименте с лазерным ускорением, пока составляет 58 МэВ, что отвечает глубине в несколько сантиметров. Хотя этого уже, в принципе, достаточно для воздействия на близко лежащие опухоли (например, в носоглотке или окологлазной области), для полноценного применения методики энергию протонов надо повысить.

Максимальная энергия протонов зависит от интенсивности света в фокусе лазерного импульса, которая определяется как пиковой мощностью в лазерном импульсе, так и тем, насколько плотно он сфокусирован в поперечном направлении. Ориентиром интенсивности для достижения нужных энергий протонов считается значение 1022 Вт/см2, для чего требуются лазеры с пиковой мощностью порядка 1 ПВт (петаватт = 1015 Вт) и хорошая фокусировка (в пятно размером в длину волны или меньше).

Впрочем, здесь прогресс идет достаточно быстро. Например, лазер Hercules в исследовательском центре CUOS (Center for Ultrafast Optical Science) при Мичиганском университете уже достиг 300 ТВт (тераватт) и планирует достичь 500 ТВт к концу 2008 года. Он хорошо фокусируется и кроме того выдает очень «высококонтрастные» импульсы (интенсивность света между импульсами на 11 порядков слабее самого импульса). Моделирование, проведенное в недавней работе [2] физиками из ФИАНа и Мичиганского университета специально для этого лазера, подтвердило, что 500 ТВт уже хватит для получения протонов терапевтической энергии.

Во-вторых, требуется не только достаточная энергия, но и достаточное количество протонов. Здесь ориентиром является число 1010 протонов в секунду. Расчеты показывают, что лазер Hercules с пиковой мощностью 500 ТВт сможет ускорять по 4·108 протонов за одну вспышку. Значит, для достижения нужного потока протонов потребуется 25 вспышек в секунду. Для достижения такой частоты экспериментаторам, правда, придется потрудиться — пока что Hercules выдает одну вспышку в 10 секунд.

Впрочем, не исключено, что требования к лазерам смягчатся, если будет реализована идея адиабатического (то есть не мгновенного) ускорения, предложенная в работе [3]. В этой схеме мощность света в момент прихода лазерного импульса на пленку нарастает чуть плавнее, чем обычно, и, как показывает моделирование, это позволяет более эффективно преобразовывать энергию световой вспышки в поток протонов.

Еще одно серьезное препятствие заключается в том, что полученные протоны имеют слишком большой разброс по энергии. Для того чтобы «попасть» протонами строго на нужную глубину, этот разброс необходимо уменьшить. Его пока удалось снизить примерно до 25%, но сейчас активно изучаются различные схемы, позволяющие еще больше уменьшить это число. Этого можно добиться как с помощью специально подготовленной мишени ([2], [3]), так и с помощью специальной настройки параметров лазерного импульса ([4], [5]).

Наконец, отдельно стоит упомянуть работу [6], в которой описывается новый режим ускорения протонов — ускорение прямым давлением света. Моделирование, проведенное авторами, показывает, что уже при относительно скромной мощности (1021 Вт/см2) можно получить узконаправленный протонный пучок с энергией вплоть до 500 МэВ с очень маленьким разбросом по энергии — как раз то, что нужно для протонной терапии.

Теперь слово за экспериментом. Вполне вероятно, что в ближайшие годы будут реализованы по крайней мере некоторые из этих идей, а уж как скоро эта методика будет взята на вооружение медиками и как широко она распространится, покажет практика.

Интересно в этой истории еще и то, что изначально поиск новых методов ускорения частиц был продиктован чисто научными, а не практическими соображениями. Высокая стоимость коллайдеров нового поколения, таких как LHC или некоторые будущие проекты, вызвана их огромными размерами, а они необходимы из-за невозможности увеличить темп ускорения частиц (то есть сколько МэВ на метр пройденного пути они приобретают). Поэтому физики давно уже ищут новые механизмы разгона частиц, и лазерная (а также лазерно-плазменная) технология возникла в результате этого поиска. Однако похоже, что первое применение эта методика найдет именно в медицине.

Источники:
1) U. Linz, J. Alonso. What will it take for laser driven proton accelerators to be applied to tumor therapy? // Phys. Rev. ST Accel. Beams 10, 094801 (24 September 2007).
2) S. S. Bulanov et al. Accelerating Protons to Therapeutic Energies with Ultra-Intense Ultra-Clean and Ultra-Short Laser Pulses // Med. Phys. (2008). V. 35. Issue 5. P. 1770–1776. Полный текст доступен в архиве е-принтов: arXiv:0805.1766.
3) M. Murakami et al. Radiotherapy using a laser proton accelerator // препринт arXiv:0804.3826 (24 April 2008).
4) Y. I. Salamin, Z. Harman, Ch. H. Keitel. Direct High-Power Laser Acceleration of Ions for Medical Applications // Phys. Rev. Lett. 100, 155004 (18 April 2008). Полный текст доступен в архиве е-принтов: arXiv:0804.3719.
5) O. Klimo et al. Monoenergetic ion beams from ultrathin foils irradiated by ultrahigh-contrast circularly polarized laser pulses // Phys. Rev. ST Accel. Beams 11, 031301 (17 March 2008)
6) A. P. L. Robinson et al. Radiation pressure acceleration of thin foils with circularly polarized laser pulses // New J. Phys. 10, 013021 (21 January 2008).

См. также:
1) Е. Онищенко. «Настольная» физика высоких энергий и «Настольная» физика высоких энергий: сегодня и завтра // Scientific.ru, 2001–2002 гг.
2) Л. М. Горбунов. Зачем нужны сверхмощные лазерные импульсы? // «Природа», № 4, 2007.

Игорь Иванов


Комментарии (11)



Последние новости: ФизикаМедицинаИгорь Иванов

26.07
Физики обсуждают двухфотонный пик в контексте будущего линейного коллайдера
22.07
Предложен новый эксперимент для Большого адронного коллайдера
27.06
Коллайдер достиг проектной светимости
23.06
Поиск двухфотонного пика в новых данных ведется слепым анализом
20.06
LIGO поймала новые всплески гравитационных волн
15.06
Вышли статьи ATLAS и CMS о двухфотонном пике при 750 ГэВ
14.06
Коллайдер штампует рекорды
10.06
Удалось выяснить, почему рак может уснуть и проснуться через много лет
8.06
Опубликованы окончательные результаты по хиггсовскому бозону в сеансе Run 1
7.06
CMS опробовал новую методику «разведки данных»

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия