Линейный ускоритель протонов, единственный своего типа на евро-азиатском континенте, расположен в Институте ядерных исследований Российской академии наук в Троицке. От Москвы его отделяет 20 километров к югу от МКАД. Ускоритель обеспечивает комплексы установок для фундаментальных и медицинских исследований. Журналист Naked Science посетила это место и побеседовала с учёными об их достижениях, актуальных экспериментах и о том, что мешает им полностью использовать возможности ускорителя.
Площадь территории около Института ядерных исследований велика. За густым заснеженным лесом здания не просматриваются. Выходим из автобуса у бетонной конструкции, на которой на первый взгляд нет ни одного окна. Проходим через массивные двери; внутри, как и снаружи, всё кажется не слишком современным, будто нас перенесла машина времени лет на пятьдесят назад, в советское прошлое. Так мы оказываемся в одном из зданий Ускорительного комплекса Института ядерных исследований Российской академии наук (ИЯИ РАН).
Спускаемся вниз. Краска на стенах давно потрескалась. У входа в туннель под железными плитами образовалась большая лужа; говорят, недавно прорвало коммуникации. Но эти мелочи не так важны, как только видим сам ускоритель: даже через десятилетия после постройки он производит впечатление. Обвитая проводами труба выходит из стены на расстоянии десятков метров влево и тянется вправо, насколько хватает взгляда. Мы стоим у ее начала.
Всё в резонансе
За стеной установлены два источника частиц, производящих поток положительно заряженных ионов водорода с энергией приблизительно 400 килоэлектронвольт. Цель — увеличить эту энергию в тысячу раз при помощи резонансного ускорения.
Ускоритель создаёт электромагнитные волны. Под их воздействием частица то ускоряется, то замедляясь, следуя изменяющемуся направлению электрического поля. А что если на периоды замедления частицу прятать от поля? Тогда она будет только ускоряться.
Частицы прячутся от поля с помощью трубок дрейфа. Частица попадает в ускоритель, немного ускоряется, а затем, когда поле меняет направление, оказывается под защитой трубки и некоторое время дрейфует в ней. Длина дрейфа соответствует размеру трубки. Трубка заканчивается тогда, когда поле поворачивается в сторону ускорения.
В начале, при малой энергии, трубки весьма малы, что заметно по конструкции ускорителя — она располагается в виде буквы… VПотому что длины волн недостаточно, чтобы разместить их друг за другом, постепенно они увеличиваются в размерах. В конце первого резонатора пучок с начальной энергией 400 килоэлектронвольт ускоряется до 20 МэВ.
Первая часть ускорителя была запущена в 1988 году. Тогда пучок частиц достиг энергии 20 МэВ. С увеличением мощности и добавлением резонаторов (их всего пять) энергия росла. В 1996 году удалось получить 502 МэВ, но постепенно клистроны выходили из строя, и энергия снижалась. Сейчас максимальная энергия ускорителя составляет 300 МэВ, что обусловлено экономическими причинами.
Резонаторы — огромные многослойные сосуды. Внутри их выстилают рафинированной бескислородной медью для оптимальной электропроводности. снаружи покрыта нержавеющая сталь, защищающая от воздействия внешней среды. В центре расположено покрытие из углеродистой стали для эффективного отвода тепла, поверх него проложены каналы водоохлаждения.
Общая длина ускорителя составляет примерно 720 метров. В конце расположено оборудование для теоретических и практических исследований, а также центр протонной терапии. На расстоянии около 200 метров есть ответвление: пучок направляют на производство радиоизотопов.
Полвека истории
Работа с изотопами началась в конце 1980-х годов, когда ускоритель еще только строился. По словам Бориса Леонидовича Жуйкова, доктора химических наук, заведующего радиоизотопным комплексом в ИЯИ РАН, при энергии 160 МэВ появилась возможность использовать пучок протонов для создания различных изотопов, преимущественно медицинского назначения.
Ускоритель давал возможность получать изотопы, недоступные на других ускорителях или получаемые в малых количествах. Разница заключается в том, что наш ускоритель обеспечивает как высокую энергию протонов, приводящую к образованию радионуклидов с большим числом нейтронов, вылетающих из ядра, так и высокую интенсивность, позволяющую производить изотопы в большом количестве.
В 1992 году при запуске это была наиболее мощная в мире установка по производству изотопов с помощью ускорителей.
В качестве базового материала выбрали стронций-82, который использовали в тогда еще новом методе позитронной томографии. Некоторым показалось, что перспективы этого метода сомнительны, но ожидания оправдались. Метод становился все более востребованным, и спрос на стронций-82 по всему миру рос.
Ученые ИЯИ РАН сначала сотрудничали с Канадой и США, а затем с Францией. «Все понимали, что невыгодно производить только то небольшое количество изотопов, которое требовалась нашей стране. Мы стали развивать высокопроизводительные методы, а это означало сотрудничество со странами, где ядерная медицина была развита гораздо больше, чем в России», — объясняет Борис Леонидович. «Наиболее плодотворной оказалась работа с американскими коллегами. В середине 1990-х годов американские ученые выделили большие средства на наши исследования».
Разработана и налажена технологическая цепочка производства: получение большого количества стронция-82 на ускорителе из металлического рубидия, химическое выделение стронция-82 и изготовление генератора рубидия-82 для медицинского применения. Ученые РНЦРХТ им. А. М. Гранов (Санкт-Петербург) совместно с ИЯИ РАН провели полный цикл клинических испытаний радионуклида для диагностики кардиологических и онкологических заболеваний.
С самого начала все начиналось с нуля: здесь просто болото было. Мы построили установку на пучке ускорителя, разработали весь процесс — от ядерно-физических и химических исследований до диагностики пациентов, — подытоживает Борис Леонидович. По приблизительным подсчетам, с помощью изотопов, произведенных на нашей установке, было продиагностировано и, будем надеяться, вылечено около 350 тысяч пациентов. А если учесть наши технологии, внедренные в России, США, Франции, Канаде и Южной Африке, то счет пойдет на миллионы.
Планы на будущее
С 2014 года международное сотрудничество значительно уменьшилось, что повлияло на радиоизотопные исследования, которые прежде развивались и финансировались за счёт такого взаимодействия. Сейчас Институт ядерных исследований РАН ведёт переговоры с крупным бизнесом и ожидает помощи от государства, одновременно расширяя возможности получения медицинских изотопов.
Планируется получать различные изотопы не только для диагностики, но и для лечения. По словам Жуйкова, самый перспективный из obtainable isotopes — актиний-225. Этот радионуклид испускает альфа-частицы, тяжелые и с большой энергией, но действующие только на очень малых расстояниях и губительные для раковых клеток.
Радионуклидные фармацевтические лекарственные препараты используют известные биологически активные соединения с прикрепленными радионуклидами вместо некоторых частей молекул. Известно, как эти соединения распределяются и накапливаются в организме. Некоторые из них достигают максимальной концентрации в опухолях. Благодаря этому таргетная терапия позволяет доставлять актиний-225 непосредственно к раковым клеткам для их уничтожения. Такой подход пока развивается, но уже демонстрирует высокую эффективность.
В Троицке на ускорителе производят рекордное количество изотопа актиний-225, который поставляется как российским, так и зарубежным медицинским учреждениям. Это способствует развитию российской ядерной медицины. «Государство выделяет недостаточно средств для этих исследований, и ранее мы развивались в основном благодаря сотрудничеству с иностранными партнерами», — констатирует Борис Леонидович.
История отечественной ядерной медицины богата и тесно связана с развитием атомных технологий. К середине двадцатого века в стране функционировало несколько заводов по производству изотопов. В наше время ядерная медицина переживает новый этап развития, и специалисты с доступным мощным оборудованием могут сыграть в нем существенную роль.
Нам не показали комплекс по добыче изотопов, потому что он восстанавливается. Чтобы попасть к установкам в конце ускорителя, вышли на улицу. Под хруст снега под ногами и рассказ о истории развития комплекса мы больше десяти минут шли вдоль холмистого туннеля ускорителя.
Ускоритель разрабатывался для проекта Московской мезонной фабрики на базе линейного протонов и отрицательных ионов водорода с энергией 600 МэВ. Сегодня физика мезонов неактуальна, ускоритель завершил первоначальную научную программу. Возникли новые задачи — как фундаментальные, так и прикладные. Через несколько десятилетий эксплуатации установок класса «мегасаенс» обычно проводят капитальный ремонт и модернизируют ускоритель под новую научную программу: меняют интенсивность пучка, строят дополнительные каналы вывода, настраивают новые режимы работы.
Рационально исследовать и использовать текущие возможности ускорителя вместо разборки или остановки установки. Улучшение существующих параметров без модернизации принципиально новых недостижимо, но создание новых исследовательских стендов возможно. С этим стоит работать.
Входим в здание, проходим через незаметную дверь, и потолок поднимается вверх. Находимся в огромном шумном строении, напоминающем ангар для самолетов, с бетонными блоками, образующими «саркофаг», покрывающий большую часть территории. Блоки служат биологической защитой от ионизирующего излучения. В толще блоков на глубине четырех метров размещены хранилища для промежуточного хранения отработанных радиоактивных корпусов нейтронных источников, ловушек пучка, а также корпусов установок, фильтров и модулей нейтронного источника.
В этом месте ускоритель делится на несколько стендов: комплекс импульсных источников нейтронов, светосильный спектрометр по времени замедления нейтронов и комплекс протонной терапии.
Мы взбираемся на бетонные блоки. В нескольких метрах под нами — канал, по которому протоны летят к вольфрамовой мишени и выбивают потоки нейтронов. Благодаря нейтральности эти частицы относительно свободно проникают в межатомные области и взаимодействуют с ядрами. По рассеянию нейтронов можно изучать пространственное строение вещества и получать ценные знания о конденсированных средах, а также о химических, биологических и других веществах.
У этого ускорителя прикладное значение и фундаментальный вклад в науку: проведено много исследований трансурановых элементов, опасных отходов ядерной энергетики. Сейчас эти изотопы захоранивают, но теоретически могут быть источником энергии, важным элементом замкнутого ядерного топливного цикла.
Одно из главных направлений — изучение свойств материалов. На установке диагностируют новые материалы, проверяют, соответствуют ли их характеристики тем, которые задумали создатели. В некоторых случаях удаётся понаблюдать процесс плавления. Тестируют стали и сплавы для ядерной физики, используемые для защиты реакторов. Также наблюдают влияние заряженных частиц на материалы микроэлектроники, предназначенные для космоса.
«Если получится — это здорово! Но нужно много времени и экспериментов, чтобы получить то, что задумано. В противном случае давно уже ходили бы в других вещах: одевались и обувались из материалов с любыми заданными свойствами.»
Хочется добавить, что были бы вылечены раковые заболевания.
В погоне за раковыми клетками
Для диагностики и лечения рака изнутри организма применяются изотопы, а протонная терапия воздействует внешне. Традиционная лучевая терапия убивает как больные, так и здоровые клетки, поэтому ее нельзя использовать, если опухоль расположена рядом с жизненно важными органами: мочевым пузырем, сердцем, некоторыми участками мозга.
Протоны отличаются от других частиц тем, что выделяют максимальную дозу не на поверхности тела, а в заданной глубине, пролетают сквозь ткани до опухоли с минимальным повреждением здоровых тканей. Об этом преимуществе протонов известно с середины прошлого века, как поясняет Сергей Всеволодович Акулиничев, доктор физико-математических наук, заведующий лаборатории медицинской физики ИЯИ РАН.
В больницах традиционная лучевая терапия проводится в несколько этапов, облучая пораженный участок тела на протяжение длительного времени с низкой интенсивностью из-за повреждения здоровых клеток радиацией. Несмотря на то что эксперименты с клетками и животными показали, что при быстрой дозировке радиации за доли секунды здоровые клетки страдают меньше, чем раковые, врачи опасались ее увеличения.
Переломный момент произошелНесколько лет назад пожилой пациент с Т-клеточной лимфомой кожи испытывал слишком сильную реакцию здоровых тканей от обычной терапии, поэтому врачи применили флеш-метод. Пациент выздоровел. После этого врачи во Франции успешно опробовали флеш-метод в протонной терапии. В прошлом году. завершилосьПроводится первое клиническое испытание протонной флеш-терапии для пациентов с костными метастазами. В декабре состоялась уже вторая международная конференция по флеш-терапии, где признана эффективность метода.
Мы считали, что интенсивность пучка в нашем ускорителе чрезмерно высока и искусственно её снижали. Однако опыты, проведённые нами с разными режимами, показали, что наш ультрафлеш-режим, недоступный другим ускорителям, вызывает более сильный апоптоз в опухолевых клетках по сравнению с нормальными. Сергей Всеволодович пояснил: если в международно признанном флеш-режиме доза излучения подводится за полсекунды, то в ультрафлеш-режиме — за 100 микросекунд.
Сохранение клеток используется для оценки разницы в реакции. (sparing factor)Для достижения оптимального результата необходим баланс между разрушением опухолевых клеток и сохранением здоровых тканей.
Сергей Всеволодович сообщил, что вскоре перейдут от опытов с клетками к экспериментам с живыми организмами. После этого начнутся эксперименты с животными, имеющими подсаженные опухолевые клетки. Пока по показателям апоптоза фактор сохранения в режиме ультрафлеш выше, чем при флеш-терапии. Для публикации в международном научном журнале потребуется проверить и другие показатели.
На вопрос Naked ScienceСергей Всеволодович качает головой, отвечая на вопрос об ускорении исследований: «Бюрократических препон нет. Нужно пройти все этапы. Мы неоднократно докладывали о результатах, но для убедительной публикации требуется больше статистики. Ведь мы стремимся к серьезному открытию».
Медицинские цели не требуют столь мощных протоноускорителей, поэтому подобные исследования доступны немногим. В России подтвердить результаты можно еще минимум на одном устройстве – «Циклотроне-80» в Гатчине. Проблема чрезвычайной интенсивности пучка у них тоже была и они собирались её занижать для лучевой терапии. Можно порекомендовать им не терять интенсивность, а сократить время воздействия на мишень.
Подтверждение биологических преимуществ нашего метода позволит проектировать новые ускорители с большей мощностью уже на начальном этапе создания. Мы формируем базу знаний для будущих поколений ускорителей.
С таким количеством экспериментов и направлений исследований возникает вопрос: сможет ли установка работать при росте спроса. «Сеанс — это круглосуточная работа. Такая машина не может включаться и выключаться по требованию. Запускается весь комплекс зданий, и люди работают в две смены», — отвечает на вопрос. NakedScienceСергей Александрович Гаврилов, заведующий лабораторией пучка отдела ускорительного комплекса ИЯИ РАН, отмечает: продолжительность работы зависит от потребностей потребителя. Стандартный сеанс для изотопов длится две недели. Проверка радиационной стойкости материалов — более быстрая процедура. Один ускорительный „выстрел” — и микросхема получает повреждения, еще несколько — и она выходит из строя, готовят следующую. Такие сеансы длятся несколько дней. От трех до пяти таких сеансов длиной две-три недели проходят в год. Короткие проводятся по необходимости.
Установка способна функционировать круглосуточно, однако на настоящий момент недостаточно сотрудников для непрерывной работы. Сергей Александрович считает, что при объявленной способности установки к работе в круглосуточном режиме потребители не заставят себя ждать.
Ускорительный ренессанс
Ускорителю требуются ремонт и модернизация. У нас уже есть инфраструктура, нет необходимости разрушать ее и строить что-то принципиально новое. Нет специалистов, готовых к этому. Это дорого и длительно, займет не один десяток лет. Пять лет нужно на разработку технического проекта, потом еще столько же — на изготовление комплектующих и строительство новой установки. Через двадцать лет она будет запущена, но уже с устаревшими характеристиками. Давайте улучшим характеристики существующей машины в несколько раз. Повысим энергию и ток. Пригласим новых пользователей!
Сергей Александрович считает, что первичную эффективную модернизацию ускорителя можно выполнить за два-три года. Сначала необходимо обновить источники питания системы фокусировки и систему синхронизации, а также модернизировать линии питания дополнительных резонаторов для повышения энергии. Затем нужно перейти на частоту следования импульсов пучка 100 герц (текущая — 50 герц) для увеличения средней интенсивности пучка.
«В стране начался ускоренный ренессанс,— улыбается Сергей Александрович.— Выделены средства на федеральную научно-техническую программу синхротронных и нейтронных исследований. В ней принимаем активное участие, но наш ускоритель в нее не вошел. Хотели его модернизировать, но программа ускорения направлена на постройку новых комплексов на базе циклических машин, а также компактных линейных ускорителей для небольших исследовательских центров и учебных заведений».
Впечатление складывается, будто все научные группы, занимающиеся установкой «мегасаенс», полностью верят в ее исключительные возможности: от фундаментальных исследований до создания медицинских изотопов и противораковой ультра-флеш терапии. За время экскурсии участники смогли проникнуться этой уверенностью. Выходим мы из бетонного строения на морозный воздух с надеждой, что для установки будет найдено финансирование.