Лазерно-плазменное ускорение протонов

Сохранить в закладки
2522
268
Сохранить в закладки

Физик Артем Коржиманов о протонно-лучевой терапии, петаваттных лазерах и новых инструментах для борьбы с раком

Наверное, одна из самых главных глобальных проблем, которая сейчас стоит перед человечеством, — это найти эффективные способы борьбы с раком. Люди научились бороться практически со всеми распространенными заболеваниями, и сейчас главной причиной смерти являются сердечно-сосудистые заболевания и рак.

С раком борются многими методами, и одним из самых распространенных является метод лучевой терапии. Он очень прост по своей сути: мы берем некое радиационное излучение — в качестве него обычно используют рентген — облучаем больную опухоль, она нагревается, получает некую дозу радиации и умирает.

Проблема с рентгеном, который чаще всего для этих целей используется, заключается в том, что рентгену все равно, больная это у нас ткань или здоровая. Говорят, что он неселективен, неизбирателен. И если у нас опухоль располагается где-то в глубине тела, то, пока рентген дойдет до нее, он облучит все, что находится перед ней, и обязательно заденет то, что находится за этой опухолью. Конечно, с этим медики умеют бороться тем или иным способом: увеличивая каким-то образом поглощение внутри опухоли или используя сложные системы облучения рентгеном так, чтобы как можно меньше задеть живые ткани. Но эта проблема является принципиальной для рентгена.

Интересно, что медики и ученые знают, что вместо рентгена лучше использовать другие виды радиационного излучения, в частности протоны. Так называемая протонно-лучевая терапия развивается чуть меньше ста лет, с самого начала создания технологий ускорения протонов. Проблема в том, что для того, чтобы протоны работали, могли быть использованы для лечения рака, они должны обладать достаточно высокой энергией. А получение протонов с высокой энергией требует относительно больших и дорогих установок. В России действует на данный момент всего одна лаборатория, в которой проводится лечение методом протонно-лучевой терапии.

Почему протоны лучше, чем рентген? Как я сказал, рентгену все равно, больная у нас опухоль или здоровая. Протонам, конечно, тоже все равно, но у них есть некоторая особенность в доставке дозы, в доставке радиации в тело. Она заключается в том, что, пока протон летит, он практически не взаимодействует с материалом или взаимодействует очень слабо, потихоньку тормозится, скорость его падает. Но когда его скорость падает до некоторого предела, взаимодействие с окружающими атомами становится очень сильным, и протон практически мгновенно останавливается.

В итоге получается характерная картина, то, что называется энерговыделение. Сначала у нас очень маленькая, низкая полочка, а затем очень острый пик, и это называется брэгговским пиком. Положение этого пика можно регулировать за счет того, что мы можем изменять энергию протонов. Увеличили энергию протона — пик передвинулся дальше, уменьшили — передвинулся вперед. Соответственно, мы можем сканировать по глубине, облучая только те места, где у нас находится опухоль.

Но, к сожалению, эта технология является малодоступной. То есть даже в мире, в тех странах, которые нельзя отнести к бедным, количество пациентов, проходящих протонно-лучевую терапию, все-таки недостаточно, и на такие процедуры направляются только самые сложные случаи.

К счастью, в последнее время появилась надежда, что мы можем создать альтернативу этим традиционным протонным ускорителям, более компактную и более дешевую. Эта альтернатива основана на технологии сверхмощных лазеров. Современные технологии создания лазеров достигли такого уровня, что мы можем создавать излучение мощностью порядка одного петаватта. Это огромная мощность. Если такое излучение сфокусировать на вещество, то оказывается, что это вещество может конвертировать энергию этого излучения в энергию других частиц — в энергию электронов и в том числе протонов.

Более простым является конвертация энергии в энергию электронов. Дело в том, что электроны более легкие по сравнению с протонами, легче реагируют на падающее на них излучение, к тому же именно они отбирают эту энергию. Ученые придумали схемы, как передать энергию сначала электронам, а потом заставить эти электроны отдать часть своей энергии протонам.

Схемы довольно простые. Берется тоненькая пластинка (это может быть пластиковая пленочка или металлическая фольга), на нее посылается лазерное излучение. Оно делает очень простую вещь: греет те электроны, которые находятся в фольге. Электроны греются, а мы знаем, что нагретые тела расширяются, и электроны тоже начинают расширяться. Поскольку фольга достаточно тонкая, они разлетаются на большие расстояния, покидают фольгу. И у нас создается ситуация, когда снаружи есть отрицательный заряд — электроны, а в фольге скопился положительный заряд.

Возникает большое по величине электростатическое поле между отрицательным и положительным зарядом. И это электрическое поле может жить даже дольше, чем длительность нашего лазерного импульса. Импульс закончился, но электроны-то еще не остыли, и это поле начинает из фольги медленно вытягивать тяжелые протоны. В итоге получается такая система, когда мы энергию лазерного излучения переводим в энергию нагретых электронов, а те отдают часть своей энергии протонам, вытягивая их из фольги. В результате формируется пучок протонов.

И хотя сейчас не достигнуты энергии протонов, сопоставимые с теми, которые можно получать на современных ускорителях традиционного типа, есть надежда, что в обозримом будущем такие энергии будут достигнуты. Они связаны еще и с тем, что такой грубый способ ускорения протонов можно будет заменить на более умный или более тонкий, когда мы сумеем еще немного повысить мощность наших лазеров.

Лазерные системы следующего поколения, скорее всего, позволят ускорять протоны в другом режиме — режиме светового паруса. Те, кто интересовался технологиями того, как нам лететь к далеким звездам, наверное, слышали о световом парусе. Идея заключается в том, что в космос посылается космический корабль, он раскрывает парус, который представляет собой простое зеркало. Свет, идущий от Солнца, оказывает на этот парус световое давление и потихонечку разгоняет корабль. Скорости, которые может набрать этот корабль, могут быть очень высоки, поскольку время полета велико.

Эту идею можно перенести в лабораторию, в наш петаваттный лазер. Мы будем использовать петаваттный лазер, его излучение посылать на тонкие фольги. И если мощность излучения достаточно велика, то обнаруживается, что давление, которое оказывает это излучение на тонкую фольгу, будет достаточным для того, чтобы вырывать ее кусочек и нести вперед все вместе: электроны, протоны — все, что там есть. В итоге мы получаем сгусток протонов высокой энергии, который можно использовать в том числе для лучевой терапии.

Теория показывает, что этот способ ускорения эффективнее того способа, который используется сейчас через нагрев электронов. Но, к сожалению, он требует, чтобы мощность наших лазеров была выше, чем та, которую мы можем сейчас себе позволить в экспериментах.

Есть надежда, что в ближайшие 5–10 лет, когда такие системы появятся (сейчас они проектируются и строятся и в мире, и в России), мы достигнем характеристик протонов, которые необходимы для протонно-лучевой терапии, и предложим медикам по всему миру новый инструмент для борьбы с раком.

Над материалом работали

icon-checkmark Показать расшифровку

Читайте также

Внеси свой вклад в дело просвещения!
visa
master-card
illustration