ОСТАННІЙ ПОДКАСТ
Підписуйся на найнауковішу розсилку!
І отримуй щотижневі новини науки і технологій

    Ми під'їдаємо крихти cookies за вами. Навіщо це нам?

    Читати

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Повідомлення успішно надіслано

    Для пошуку
    введіть назву запису
    Медицина — 12.02.20
    ТЕКСТ: В'ячеслав Катречко
    Ілюстрації: Каталіна Маєвська
    Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
    Ctrl+Enter.
    Швидші за вітер: як заряджені частинки лікують рак і не тільки

    Пам’ятаєте експерименти на Великому адронному колайдері, який прискорює заряджені частинки? Виявляється, цей метод використовують у медицині, біології й радіаційній терапії. Тепер для цього з’являються цілі медичні комплекси!

    Щоб використовувати електрони, іони, протони у промисловості чи медицині або досліджувати деякі фізичні явища, їхній рух потрібно прискорити. Цим займаються спеціальні пристрої, які збільшують енергію заряджених частинок від кілоелектронвольт (кеВ=103 еВ) до тераелектронвольт (ТеВ=1012 еВ). Найвідоміший прискорювач заряджених частинок – Великий адронний колайдер – досягнув енергії у 6,5 ТеВ.  

     

    Електронвольт (еВ) – одиниця вимірювання енергії, яка широко використовується у фізиці елементарних частинок та ядерній фізиці. 1 еВ = 1,6*10-19 Джоулів (Дж). Для порівняння, звичайний електрочайник виробляє енергію у 1500 джоулів за секунду, або 9,36*1021 еВ.

     

    Потужні прискорювачі, з енергією понад 50-100 МеВ (50-100*106еВ), використовують здебільшого у наукових та промислових цілях. З їхньою допомогою вивчають структуру мікрооб’єктів (зокрема атомних ядер), а також природу фундаментальних сил (гравітаційної, електромагнітної і сильної та слабкої ядерної). 

     

    Енергії у сотні кеВ та високі щільності пучка частинок дозволяють використовувати прискорювачі прямої дії для зміцнення поверхонь матеріалів (здебільшого металів та сплавів), змінення морфології верхнього шару. Це дозволяє створювати нові міцніші покриття для деталей у автомобільній та видобувній промисловості.

     

    За відносно невеликих енергій прискорені заряджені частинки використовують у радіотехніці та оптиці для отримання зображення на екрані телевізора та електронного мікроскопа. Завдяки точковому впливу високоенергетичний, але малоінтенсивний (з невеликим струмом) пучок може генерувати рентгенівські промені, руйнувати ракові пухлини та клітини, знищувати бактерії. Невеликі за розмірами імпульсні прискорювачі заряджених частинок вже успішно використовують у медицині.

    Світ прискорений

     

    Епоха прискорювальної техніки бере відлік від початку 1930-х років, коли з’явилися відразу дві схеми прискорення частинок до енергій близько 1 МеВ. Та вже у 1932 Джон Кокрофт і Ернест Волтон сконструювали величезний генератор, який займав цілу кімнату й міг розвивати напругу у 800 кВ. У першому експерименті вони спрямували пучок протонів на мішень з літію і спостерігали справжнісіньку ядерну реакцію (ядро літію захоплювало протон і «розвалювалося» на дві альфа-частинкиАльфа-частинка – позитивно заряджена частинка, яка випромінюється ядрами деяких радіоактивних атомів.).

     

    Умовно, з точки зору траєкторій, по яких частинки рухаються в процесі прискорення, установки можна розділити на два великих класи: лінійні (прямої дії) і циклічні. У перших частинки у процесі прискорення рухаються прямолінійно, а у циклічних – або по одній замкнутій траєкторії (синхротрони) або по спіральних траєкторіях (циклотрони, мікротрони або фазотрони).

     

    Перший циклотрон, побудований Ернестом Ловренсом у 1931 році, міг поміститися на долоні й прискорював протони лише до енергії 80 кеВ. Проблему малого прискорення у 1940-ві роки вирішив радянський фізик Володимир Векслер. Він вирахував, як розігнати частинки до енергій у сотні МеВ та більше. Так з’явилися синхотрони у формі замкнутої у кільце труби.

     

    Наступним етапом в епосі прискорювачів стало створення колайдерів – прискорювачів із зустрічними пучками. Патент на перший колайдер отримав у далекому 1943 році норвезький фізик Рольф Відеро. Однак реалізувати його ідею змогли лише двадцять років потому дві незалежні команди з Італії та Америки. І нарешті у 2008 році запущений найпотужніший прискорювач за всі часи – Великий адронний колайдер. Він розташовані у підземному кільцевому тунелі довжиною майже 27 км на кордоні Швейцарії та Франції. Фізики сподіваються, що його результати приведуть до нового прориву в розумінні глибинної будови нашого світу. Колайдер вже підтвердив існування бозона Гіґґза.

     

    Наразі прискорювачі підійшли до своєї конструкційної межі. Зараз коефіцієнт корисної дії процесів, які використовуються для традиційних прискорювачів, максимальний. Зробити більш потужне устаткування зі збереженням розміру можливо лише за умови використання нових технологій та матеріалів. Перспективними є лазерна (на спеціальних чіпах фокусування лазерного струменю), кільватерна (декілька пучків, що слідують один за одним) та плазмова (використання іонів різних елементів) методики прискорення, що активно розвиваються у наш час. 

     

    Для медицини використовуються і прискорювачі прямої дії, і циклічні. Головне – забезпечити невеликі розміри та невелику щільність струму пучка. Наприклад, для протонної та іонної терапії використовують циклотрони та фазотрони. 

    Як це працює?

     

    В основі роботи прискорювачів усіх типів, зокрема медичних, – принцип взаємодії заряджених частинок з електричним та магнітним полями. Як відомо з фізики, електричне поле здатне напряму здійснювати роботу над частинкою, тобто пропорційно збільшувати її енергію. Воно діє з силою, що дорівнює добутку електричного заряду частинки на амплітудуАмплітуда – максимальне значення зміщення або зміни змінної величини від середнього значення під час коливального або хвильового руху. зовнішнього електричного поля (E*q).

     

    Магнітне поле, створюючи силу ЛоренцаСила Лоренца – це сила, з якою електромагнітне поле діє на точкову заряджену частинку., тільки відхиляє частинку, але не змінює її енергію. Воно використовується у прискорювачах тільки для задання орбіти (траєкторії), по якій рухаються частинки.

     

    Зазвичай електричне поле для прискорювачів формується за рахунок зовнішніх пристроїв (генераторів). Але в деяких випадках прискорення досягають за допомогою електричного поля, що створюється іншими зарядженими частинками. Такий метод прискорення називають колективним. Так відбувається, наприклад, кільватерне прискорення. За аналогією з хвильовим струменем, що залишається позаду корабля, прискорення у цьому випадку досягається завдяки першому пучку заряджених частинок, що створюють кільватерне поле. Пучок заряджених частинок, що йде слідом за ним, потрапляє у це поле і прискорюється у ньому. Так у невеликому просторі частинки прискорюються швидко. Це доволі малодосліджена у наш час теорія, якою займаються лише кілька наукових колективів у світі, зокрема вчені з Інституту теоретичної фізики в Харківському фізико-технічному інституті.

     

    Що всередині?

     

    Найбільшого поширення набули прискорювачі електронів та протонів, оскільки їхні пучки створити значно простіше за інші. У сучасній науці для прискорення використовуються навіть античастинки.

     

    Античастинки – двійники звичайних елементарних частинок, що відрізняються від них знаком електричного заряду та знаками деяких інших характеристик. Прикладами античастинок є позитрон та антипротон.

     

    Для збільшення ефективності (вивільнення додаткової енергії) використання енергії частинок у деяких установках створюються кілька пучків заряджених частинок, які після завершення прискорювального циклу зіштовхуються. Таким чином працюють, наприклад, колайдери.

     

    Будь-який прискорювач складається з трьох основних елементів: системи, у якій формуються заряджені частинки (інжектора), прискорювальної системи, де відбувається збільшення енергії (зазвичай формуються локалізовані у певній ділянці згустки), та системи транспортування (просування та виведення вже прискорених частинок до експериментального пристрою або іншого об’єкта).

     

    Прискорення частинок відбувається у вакуумному об’ємі. Задля його забезпечення використовують вакуумні насоси.

     

    Ядерна медицина 

     

    З приблизно 17 тисяч наявних наразі у світі прискорювачів, лише близько сотні використовуються з науковою метою. Здебільшого це великі дорогі комплекси, які повинні обслуговувати десятки людей. Решта – компактні прискорювачі, які працюють на благо діагностичної, терапевтичної та хірургічної медицини. До таких пристроїв висувають додаткові вимоги: малогабаритність, безпека, можливість працювати у невеликих приміщеннях та відсутність викиду шкідливих речовин у повітря.

     

    Прискорювачі, що працюють на пучках протонів певної енергії, дозволяють із високою точністю випалювати глибокі пухлини без суттєвого впливу на інші тканини. Така хірургічна операція можлива саме завдяки протонам, адже під час гальмування у тканині вони виділяють основну частину своєї енергії на останніх міліметрах шляху. Знаючи глибину, на якій залягає пухлина, можна підібрати потрібну енергетику пучка. Найбільш технологічні лінійні прискорювачі можуть блокувати певну частину пучка за допомогою коліматораКоліматор – прилад, що спрямовує пучок по прямій лінії. Виготовляється з матеріалів, що послаблюють випромінювання. Це необхідно для екранування випромінювання на межі пухлини зі здоровою тканиною.

     

    Онкологія багато чим завдячує прискорювачам. З їхньою допомогою також проводять нейтронно-борозахоплювальну терапію: в організм пацієнта вводять препарат на основі ізотопу Бору-10, котрий накопичується у клітинах пухлини. Ядра Бору-10 схильні захоплювати нейтрони, тому якщо пацієнта після прийому цього препарату опромінити нейтронним пучком, то нейтрони будуть поглинатися клітинами пухлини і руйнувати їх. Цей метод дозволяє видаляти нелокалізовані злоякісні утворення.

     

    Прискорювачі необхідні для створення ядер-маркерів, які використовують для діагностики та виявлення злоякісних тканин. Після введення в організм вони осідають у тканині й дуже швидко розпадаються. Високочутливі детектори реєструють продукти розпаду і дають чітке зображення місця, де знаходяться злоякісні тканини. Завдяки низькій концентрації радіоізотопів така діагностика хвороб доволі безпечна. На цій технології заснована позитронно-емісійна томографія, яка наразі використовується у багатьох клініках світу.

     

    Цифрові рентгенівські прилади, які використовуються у багатьох сучасних зубних кабінетах, – це наступники детекторів фотонів, які використовуються на прискорювачах. З їхньою допомогою отримують чіткі знімки кісткової тканини та кровоносних судин. Енергія пучка фотонів в таких пристроях становить 20-40 кеВ.

     

    Маловивчена, але перспективна галузь використання прискорювачів у медицині – вплив на бактерій та бактеріальну фауну загалом. Пучок електронів з енергією МеВ та більше вбиває бактерії роду стафілококів. Ця технологія може виправдати себе також для харчової промисловості, а оскільки в процесі не опромінюються біологічні тканини, це дає можливість використовувати будь-які типи прискорювачів, не обов’язково розташованих у медичних закладах. 

     

    Ядерна медицина поступово набирає обертів, витісняючи хімію та традиційні медичні процедури в онкології й дерматології. Завдяки можливості створити високоенергетичний пучок заряджених частинок малої інтенсивності сучасні медичні комплекси вже мають малогабаритні прискорювачі, що здатні виявляти й видаляти злоякісні пухлини, навіть локалізовані у внутрішніх органах. Згодом сфера використання компактних прискорювачів у медицині тільки зростатиме, адже активно розвиваються нові напрямки вивчення впливу випромінювання на біологічні тканини.

    ТЕКСТ: В'ячеслав Катречко
    Ілюстрації: Каталіна Маєвська
    Статті
    Промо
    Проєкт інтелект. Воєнний сезон. Епізод 5: NFT та Україна

    Чи можна написати «Проєкт інтелект» на гривні й продати за мільйони доларів як NFT?

    Людина
    Від батька до сина: що таке генеалогія і як досліджувати свій рід

    Що таке ДНК-генеалогія і як далеко кожний з нас може просунутися у вивченні свого роду?

    Наука
    Екологічно чиста отрута: уривок з книжки «Зоологічна екскурсія супермаркетом»

    Чому краще утриматися від «дикого» промислу морепродуктів, особливо у водоймах, де цвіте вода?

    Наука
    Передумови приходу диктаторів до влади: Італія, Німеччина, РФ

    Що стало передумовами приходу диктаторів до влади на прикладі фашистської Італії, нацистської Німеччини та путінської росії? Розповідає співавтор і ведучий каналу «Історія Без Міфів» Владлен Мараєв.

    Людина
    Як кожен з нас може подякувати військовим і допомогти їм з адаптацією

    Як змінюється світосприйняття військових і що ми можемо зробити, аби висловити їм вдячність і допомогти в адаптації до мирного життя?

    Біологія
    Не тільки в історії. Який слід залишить війна в наших генах

    Як війни, голод та важкі психологічні травми залишають слід у геномі людини й чи можемо ми на це якось повпливати?

    Повідомити про помилку

    Текст, який буде надіслано нашим редакторам: