Уникальный линейный ускоритель протонов, не имеющий аналогов на территории Евразии, расположен в Институте ядерных исследований Российской академии наук в Троицке, что в 20 километрах к югу от Московской кольцевой автодороги. Он обеспечивает энергией ряд установок, предназначенных для проведения фундаментальных и медицинских исследований. Корреспондент Naked Science посетил этот научный центр и пообщался с исследователями, чтобы узнать об их успехах, текущих экспериментах и факторах, сдерживающих полное использование потенциала ускорителя.
Территория, принадлежащая Институту ядерных исследований, весьма обширна. За плотным заснеженным лесом здания не просматриваются. Мы покидаем автобус у бетонной конструкции, которая на первый взгляд лишена окон. Через тяжелые двери мы входим внутрь; и там, и снаружи все оформлено без особых изысков, создается впечатление, что нас перенесло на полвека назад, в советскую эпоху. Таким образом, мы оказываемся в одном из зданий Ускорительного комплекса Института ядерных исследований Российской академии наук (ИЯИ РАН).
Спускаемся. Краска на стенах давно потрескалась. На входе в туннель большая лужа привольно растеклась под железными плитами; как нам объясняют, недавно произошла прорва коммуникаций. Впрочем, эти мелочи становятся менее значимыми, когда мы видим сам ускоритель: даже спустя десятилетия после возведения он производит впечатление. Обвитая проводами труба выходит из стены на расстоянии десятков метров слева и тянется направо, насколько хватает обзора. Мы находимся в самом начале этого сооружения.
Всё в резонансе
Слева, за стеной, расположены два генератора частиц, которые формируют поток положительных ионов водорода. Энергия этих ионов составляет приблизительно 400 килоэлектронвольт, и она должна увеличиться в тысячу раз. Для этого используется метод резонансного ускорения.
Основной принцип работы устройства довольно прост: внутри него генерируются электромагнитные волны. Под воздействием этих волн частица попеременно ускоряется и замедляется, двигаясь в соответствии с изменением направления электрического поля. А если периоды замедления можно исключить, «скрывая» частицу от поля, то она будет ускоряться непрерывно.
Для защиты от электрического поля используются так называемые трубки дрейфа. Частица входит в ускоритель, получает небольшое ускорение, но в момент изменения направления поля она оказывается под защитой трубки, где дрейфует в течение времени, соответствующего её размеру. Трубка завершается в тот момент, когда поле разворачивается в сторону ускорения.
Изначально, при низкой энергии, трубки имеют незначительные размеры, что заметно по конструкции ускорителя – они расположены в форме буквы V, их невозможно расположить последовательно из-за недостаточной длины волны. Однако, их длина постепенно увеличивается. На выходе из первого резонатора энергия пучка, изначально составлявшая 400 килоэлектронвольт, возрастает до 20 МэВ.
Первый физический пуск этой части ускорителя был осуществлен в 1988 году. В тот период пучок частиц также был разогнан до энергии 20 МэВ. С увеличением мощности и установкой дополнительных резонаторов – их пять – возрастала и энергия. В 1996 году удалось достичь энергии в 502 МэВ, однако затем элементы (клистроны) начали выходить из строя, что приводило к снижению энергии. В настоящее время максимальная энергия ускорителя составляет 300 МэВ, и это обусловлено, к сожалению, исключительно экономическими причинами.
Резонаторы представляют собой массивные многослойные конструкции, напоминающие «бочки». Внутренние поверхности покрыты рафинированной медью, не содержащей кислорода, что обеспечивает высокую электропроводность. Снаружи используется нержавеющая сталь для защиты от воздействия окружающей среды. Между этими слоями расположен слой углеродистой стали, обеспечивающий эффективную теплоотдачу, над которым проложены каналы для водяного охлаждения.
Ускоритель имеет общую протяженность приблизительно 720 метров. В конце располагается комплекс установок, предназначенных для теоретических и практических исследований, а также центр протонной терапии. Приблизительно на 200-метровой отметке имеется ответвление, где пучок направляется на производство радиоизотопов.
Полвека истории
Работа с изотопами началась в конце 1980-х годов, когда ускоритель находился в стадии строительства. По словам Бориса Леонидовича Жуйкова, доктора химических наук и заведующего радиоизотопным комплексом в ИЯИ РАН, достижение энергии в 160 МэВ позволило использовать пучок протонов для производства различных изотопов, главным образом для медицинских целей.
Уникальные характеристики ускорителя открывали возможность получения изотопов, недоступных на других установках (или доступных лишь в ограниченном объеме). По словам Бориса Леонидовича, «наша особенность заключается в том, что ускоритель обеспечивает высокую энергию протонов, что приводит к образованию радионуклидов с повышенным содержанием нейтронов, а также высокую интенсивность, позволяющую производить изотопы в значительном количестве.
После запуска в 1992 году, она стала самой мощной в мире установкой для производства изотопов, доступных для получения на ускорителях.
На стронций-82 возложили большие надежды, поскольку он использовался в позитронной томографии, которая находилась на стадии становления. Несмотря на скептицизм, его потенциал был реализован. Популярность метода росла, что привело к увеличению мирового спроса на стронций-82.
Сотрудничество ученых ИЯИ РАН началось с Канады и США, а затем продолжилось с Францией. По словам Бориса Леонидовича, стало очевидно, что производство ограниченного количества изотопов, необходимых России, не является экономически целесообразным. В связи с этим были разработаны высокопроизводительные методы, что подразумевало взаимодействие со странами, где ядерная медицина находилась на более высоком уровне развития, чем в России. Наиболее успешным оказалось сотрудничество с американскими коллегами, которые в середине 1990-х годов предоставили значительное финансирование для проведения исследований».
Была разработана и внедрена полная технологическая цепочка производства, включающая в себя: получение значительного количества стронция-82 на ускорителе из рубидия, химическое выделение стронция-82 и создание генератора рубидия-82, используемого в медицине. В дальнейшем, специалисты Научно-исследовательского центра ядерной медицины им. А.М. Гранова (Санкт-Петербург) совместно с учеными ИЯИ РАН провели полный цикл клинических испытаний, оценивающих возможность использования этого радионуклида для диагностики болезней сердца и онкологических заболеваний.
«В буквальном смысле слова — начали с нуля. Изначально здесь была лишь болотистая местность. Нам пришлось возвести установку на пучке ускорителя, разработав весь процесс — от ядерно-физических и химических исследований до диагностики пациентов, — заключает Борис Леонидович. По предварительным оценкам, с использованием изотопов, полученных на нашей установке, диагностику и, будем надеяться, лечение прошли около 350 тысяч человек. А если учитывать наши технологии, внедренные в России, США, Франции, Канаде и Южной Африке, то общее число пациентов, которым они помогли, исчисляется миллионами».
Планы на будущее
С 2014 года наблюдалось значительное снижение международного сотрудничества, которое в значительной степени способствовало развитию и финансированию радиоизотопных исследований. В настоящее время Институт ядерных исследований РАН ведет переговоры с крупными компаниями и ожидает государственной поддержки. Также продолжается расширение возможностей производства медицинских изотопов.
Предусматривается систематическое получение различных изотопов как для диагностических, так и для терапевтических целей. По мнению Жуйкова, актиний-225 является наиболее перспективным изотопом, который можно производить в значительных объемах на этом ускорителе. Данный радионуклид испускает альфа-частицы – тяжелые, обладающие высокой энергией, но воздействующие лишь на незначительные расстояния и оказывающие разрушительное действие на раковые клетки.
Радионуклидные фармацевтические лекарственные препараты (РФЛП) создаются на основе известных биологически активных веществ, к которым присоединяются радионуклиды вместо некоторых фрагментов молекул. Хорошо изучены механизмы распределения и накопления этих соединений в организме. Исследования показали, что некоторые из них достигают пиковых концентраций в опухолях. Благодаря таргетной терапии возможно направленное введение актиния-225 непосредственно к раковым клеткам и их последующее уничтожение. Этот метод находится в стадии разработки, однако уже демонстрирует значительную эффективность.
Благодаря ускорителю в Троицке, Россия может производить наибольшее в мире объем изотопа актиний-225 и поставлять его медицинским учреждениям как внутри страны, так и за рубежом, что будет способствовать прогрессу российской ядерной медицины. Борис Леонидович выразил сожаление, отметив, что недостаток финансирования со стороны государства привел к тому, что развитие в этой области ранее осуществлялось в основном за счет сотрудничества с иностранными партнерами.
В отечественной ядерной медицине насчитывается богатая история, тесно связанная с развитием атомных технологий. Еще к середине XX века в стране были созданы несколько предприятий по производству изотопов. Сегодня ядерная медицина переживает новый этап развития, и квалифицированные специалисты, обладающие столь мощным оборудованием, способны внести в него значительный вклад.
Нам не продемонстрировали сам комплекс по получению изотопов, так как он находится на реконструкции. Чтобы добраться до установок, расположенных в конце ускорителя, мы вышли на улицу. Под хруст снега и под рассказ об истории развития комплекса мы шли вдоль туннеля ускорителя, идущего по холму, более десяти минут.
Ускоритель был разработан для Московской мезонной фабрики на базе линейного ускорителя протонов и отрицательных ионов водорода высокой мощности, с энергией 600 МэВ. В настоящее время физика мезонов утратила свою актуальность, однако ускоритель успешно реализовал первоначальную научную программу. Тем не менее, возникли новые задачи, как фундаментального, так и прикладного характера. Как правило, через несколько десятилетий эксплуатации установок такого уровня («мегасаенс») проводят капитальный ремонт и модернизируют ускоритель для решения новых научных задач: изменяют интенсивность пучка, создают дополнительные выходы, настраивают новые режимы работы.
«Учитывая нецелесообразность демонтажа или даже временной остановки установки, мы ищем альтернативные способы изучения и использования ее текущих возможностей. Без существенной модернизации невозможно достичь принципиально новых параметров, однако есть возможность их незначительного улучшения и создания новых исследовательских комплексов. «Необходимо работать в этом направлении», — подчеркивает Сергей Александрович Гаврилов, заведующий лабораторией пучка отдела ускорительного комплекса ИЯИ РАН.
Входя в здание, мы проходим через незаметную дверь, после чего потолок резко поднимается вверх. Перед нами открывается огромное, гулкое пространство, напоминающее самолетный ангар, в котором возвышается сложная конструкция из массивных бетонных блоков – это биологическая защита от ионизирующего излучения. Внутри этих бетонных блоков, на глубине четырех метров, расположены хранилища для временного хранения отработанных радиоактивных компонентов нейтронных источников и ловушек пучка, а также корпусов установок, отработанных фильтров и модулей нейтронного источника.
В этой точке ускоритель разделяется на несколько участков: комплекс импульсных источников нейтронов, высокоинтенсивный спектрометр, измеряющий время замедления нейтронов, и комплекс протонной терапии.
Поднимаемся на бетонные блоки. В нескольких метрах под ногами — канал, по которому протоны движутся к вольфрамовой мишени, вызывая высвобождение потоков нейтронов. Нейтроны, обладая нейтральностью, способны относительно свободно проникать в пространство между атомами и взаимодействовать с ядрами. Таким образом, анализ рассеяния нейтронов позволяет исследовать пространственную структуру вещества и получать ценные сведения о конденсированных средах, а также о химических, биологических и других соединениях.
Этот ускоритель имеет и фундаментальное значение. Он способствовал проведению масштабных исследований трансурановых элементов и опасных отходов ядерной энергетики. В настоящее время эти изотопы захораниваются, однако теоретически они могут служить источником энергии и являться ключевым компонентом замкнутого ядерного топливного цикла.
Материаловедение является одним из ключевых направлений исследований. На установке проводят диагностику новых материалов, чтобы убедиться в соответствии их характеристик заданным параметрам. При необходимости, возможно наблюдение процесса плавления. В частности, проводятся испытания сталей и сплавов, применяемых в ядерной физике для защиты ядерных реакторов. Также изучается воздействие заряженных частиц на материалы, используемые в микроэлектронике для космической отрасли.
Равиль Асхатович Садыков, ведущий научный сотрудник ИЯИ РАН, ответил на вопрос о возможности создания материала с заданными свойствами: «Это непростая задача. Получение желаемого результата может потребовать проведения большого количества экспериментов, иначе мы бы давно уже использовали другие материалы для одежды и обуви. Ведь тогда мы бы могли создавать изделия с абсолютно любыми заданными характеристиками]».
Если бы это было возможно, такие технологии могли бы излечить рак. Именно такие разработки проходят испытания в настоящее время в рамках комплексной протонной терапии.
В погоне за раковыми клетками
Изотопы применяются для диагностики и лечения рака, воздействуя изнутри организма, в то время как протонная терапия представляет собой внешнее воздействие. Традиционная лучевая терапия приводит к гибели как пораженных, так и здоровых клеток, что делает ее неприменимой при расположении опухоли вблизи критически важных органов, таких как мочевой пузырь, сердце и определенные области мозга.
Протоны характеризуются тем, что достигают пиковой интенсивности не на поверхности тела, а на определенной глубине. Это позволяет им проникать сквозь ткани до опухоли, при этом повреждая окружающие здоровые ткани в минимальной степени. Преимущество протонов известно с середины прошлого века, как отмечает Сергей Всеволодович Акулиничев, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией медицинской физики ИЯИ РАН.
В больницах мира традиционную лучевую терапию осуществляют поэтапно, воздействуя на пораженный участок тела в течение продолжительного периода времени, но с невысокой интенсивностью. Это связано с тем, что радиация негативно влияет и на здоровые клетки, и снижение интенсивности помогает уменьшить нежелательные последствия. Ранее врачи избегали увеличения интенсивности облучения, хотя исследования, проведенные в лабораторных условиях на клетках и животных, демонстрировали, что при кратковременной доставке той же дозы радиации за доли секунды, здоровые клетки подвергаются значительно меньшему ущербу, чем раковые.
Переломный момент произошел несколько лет назад. Обычная терапия вызывала у пожилого пациента с Т-клеточной лимфомой кожи слишком сильную реакцию здоровых тканей, и его врачи попробовали использовать флеш-метод. Пациент вылечился. Вскоре после этого врачи во Франции успешно опробовали флеш-метод в протонной терапии. В прошлом году завершилось первое клиническое испытание протонной флеш-терапии для лечения пациентов с метастазами в костях. В декабре прошла уже вторая международная конференция, посвященная флеш-терапии. Эффективность метода общепризнана.
«Мы предполагали, что интенсивность пучка в нашем ускорителе чрезмерна, и поэтому намеренно снижали ее. Однако, проведя эксперименты и протестировав различные режимы, мы выяснили, что наш ультрафлеш-режим, который недоступен другим ускорителям, вызывает более выраженный апоптоз в опухолевых клетках по сравнению с нормальными. «Если в международно признанном флеш-режиме доза излучения подводится за полсекунды, то в ультрафлеш-режиме — за 100 микросекунд.
Оценивается фактор сохранения для определения различий в реакциях клеток (sparing factor), критерием служит поддержание сбалансированности повреждений, затрагивающих как опухолевые, так и нормальные клетки. Для оценки могут использоваться различные показатели, включая апоптоз (запрограммированную генетически «аккуратную» гибель клеток) и экспрессию генов.
Сергей Всеволодович сообщил, что в ближайшее время исследования будут расширены от работы с клетками до экспериментов с живыми организмами. После этого планируется начать исследования на животных с имплантированными опухолевыми клетками. В настоящее время, по результатам оценки апоптоза, фактор сохранения при использовании ультрафлеш-технологии демонстрирует более высокие значения, чем при флеш-терапии. Для возможности публикации в авторитетном международном научном журнале необходимо также проверить и другие параметры.
На вопрос Naked Science о том, можно ли как-то ускорить эти исследования, Сергей Всеволодович качает головой: «Бюрократических препон здесь нет. Просто нужно пройти все этапы. Мы много раз докладывали о наших результатах, но для убедительной публикации нужно больше статистики. Ведь мы претендуем на серьезное открытие».
В связи с тем, что для медицинских целей не требуются столь мощные ускорители протонов, такая возможность проведения исследований доступна немногим. В России подтвердить полученные результаты можно будет, по крайней мере, на одной установке – «Циклотроне-80» в Гатчине. По словам Сергея Всеволодовича, у них также возникала проблема, связанная с экстремальной интенсивностью пучка, которую они планировали снижать для лучевой терапии. Он предлагает им не уменьшать интенсивность, а сократить продолжительность воздействия на мишень.
«В случае подтверждения биологической эффективности нашей методики, она позволит изначально учитывать повышенную мощность при проектировании будущих ускорителей. По сути, мы накапливаем опыт, необходимый для создания новых ускорителей», — заключает ученый.
Учитывая объем проводимых экспериментов и разнообразие направлений исследований, возникает вопрос о способности установки удовлетворить возросший спрос. «Сеанс предполагает круглосуточную работу, и подобное оборудование не может быть запущено и остановлено по требованию. Включается весь комплекс зданий, и персонал работает посменно», — поясняет он Naked Science Сергей Александрович Гаврилов, заведующий лабораторией пучка отдела ускорительного комплекса ИЯИ РАН. Обычно продолжительность работы определяется потребностями заказчика. Стандартный сеанс, связанный с использованием изотопов, занимал две недели. Проверка радиационной стойкости материалов проводилась быстрее. Всего один ускорительный импульс приводил к повреждению микросхемы, еще несколько – и она выходила из строя, готовилась следующая. Такие сеансы занимают несколько дней. Длительные сеансы, продолжительностью в две-три недели, проводятся от трех до пяти раз в год. А короткие – по мере необходимости».
Установка способна функционировать без перерывов, однако в настоящее время для обеспечения непрерывной работы в режиме круглосуточного дежурства не хватает персонала. Сергей Александрович полагает, что если институт заявит о готовности установки к эксплуатации, то найдутся потребители пучка.
Ускорительный ренессанс
Ускорителю требуется капитальный ремонт и модернизация. Существующая инфраструктура уже имеется, поэтому нецелесообразно ее демонтировать и возводить новые объекты. Отсутствуют специалисты, способные выполнить такие работы. Проектные и строительные мероприятия потребуют значительных затрат времени и ресурсов, занимая не одно десятилетие. Разработка технического задания может занять около пяти лет, а изготовление комплектующих и строительство установки – вдвое больше. Запуск ускорителя через 20 лет может произойти, но уже с характеристиками, не соответствующими современным требованиям. Вместо этого следует сосредоточиться на существенном улучшении параметров действующего оборудования, увеличении мощности и тока, а также привлечении новых пользователей!»
Сергей Александрович заявил, что первичная и эффективная модернизация ускорителя может быть реализована всего за два-три года. В первую очередь необходимо обновить источники питания системы фокусировки и системы синхронизации, а также модернизировать линии питания дополнительных резонаторов с целью повышения энергии. Дальнейшим этапом станет переключение на частоту следования импульсов пучка в 100 Герц (в настоящее время – 50 Герц) для увеличения средней интенсивности пучка.
«По словам Сергея Александровича, в стране наблюдается ускоренный ренессанс. Выделены средства на реализацию федеральной научно-технической программы, посвященной синхротронному и нейтронному исследованиям. Мы активно включились в ее работу, однако наш ускоритель не был включен в программу. Были планы по его модернизации, но ускорительная часть программы ориентирована на создание новых комплексов с использованием циклических машин, а также на разработку компактных линейных ускорителей для небольших исследовательских центров и учебных заведений».
Кажется, все научные коллективы, использующие оборудование класса «мегасаенс», убеждены в его исключительных возможностях: от фундаментальных исследований до производства медицинских изотопов и проведения ультра-флеш терапии против рака. И за время визита им удалось передать эту уверенность участникам экскурсии. Выходим из бетонного сооружения на морозный воздух с надеждой, что для установки найдется финансирование.