Перше застосування лазерних прискорювачів буде медичним. • Ігор Іванов.
Протонна терапія пухлин, що залишається поки дорогою і мало поширеною процедурою, стане набагато доступнішою, коли у справу вступлять лазерні прискорювачі протонів. Нещодавно з'явилося відразу кілька робіт, що наближають цю епоху.
Прискорювачі елементарних частинок використовуються у фундаментальної науці, а й у медицині. Одне з їх застосувань у цій галузі - протонна терапія онкозахворювань, тобто радіаційний вплив на пухлину за допомогою пучка протонів (а іноді навіть і важких іонів).
Суть методики ось у чому. Протони розганяють у прискорювачі та тонким пучком направляють на пухлину пацієнта. Проходячи крізь речовину, протони поступово втрачають свою енергію і зупиняються, причому їхнє енерговиділення різко посилюється на останніх міліметрах шляху. Знаючи глибину залягання пухлини, можна підібрати енергію пучка так, щоб ці останні міліметри потрапили всередину неї. В результаті пухлина отримує набагато більшу дозу опромінення, ніж навколишні здорові тканини, що вигідно відрізняє цю методику від звичайної радіотерапії рентгенівськими променями.
Незважаючи на те, що ідея протонної терапії була запропонована дуже давно, вона досі не набула широкого поширення. Її застосовують зараз близько 30 клінік та дослідницьких центрів по всьому світу, а повна кількість пацієнтів, підданих цій процедурі, становить зараз лише 50 тисяч.
Головна причина такої ситуації – дорожнеча апаратури. Це не тільки вартість самого прискорювача протонів, а й обладнання спеціального прискорювального залу розміром у десятки метрів з високим ступенем радіаційного захисту, а також створення лінії транспортування протонного пучка з прискорювачаопераційний кабінет — знову ж таки, у відповідність до всіх вимог безпеки. В результаті лише досить багаті клініки або дослідні центри можуть розщедритися на таку установку.
Декілька років тому раптом з'ясувалося, що цю ситуацію можна різко змінити. Дослідження з фізики лазерів (здавалося б, зовсім інший розділ фізики!) привели до ідеї лазерного прискорювача протонів, і відразу стало зрозуміло, що його можна буде застосувати і для протонної терапії.
Суть методики така. Короткий, але дуже потужний лазерний імпульс, сфокусований на тонку мішень, породжує у фокусі маленьку хмарку плазми, а потім буквально здуває її вперед. Далі за допомогою магнітного поля протони в цьому потоці можна відокремити від інших ядер та від електронів. Так повторюється щоразу (щоразу під лазерний імпульс підставляється нова ділянка мішені), і на виході виходить імпульсний протонний пучок. Найважливіше, що прискорення частинок до енергій у десятки МеВ відбувається на довжині всього в кілька мікрон — тобто в мільйон разів ефективніше, ніж у звичайних прискорювачах!
Лазерна технологія прискорення дозволяє одним махом позбавитися низки проблем, супутніх звичайним прискорювачам. По-перше, з дорогого обладнання залишається тільки потужний лазер, який все одно дешевше за прискорювач. По-друге, він набагато компактніший і не вимагає таких заходів безпеки, як прискорювач. Система подачі променя від лазера до пацієнта набагато простіше - адже промінь світла легко спрямовувати дзеркалами і фокусувати лінзами, а протонний пучок тут з'являється тільки на останній стадії. Нарешті, ця методика має і функціональні переваги проти прискорювальної, наприклад легкість перебудови енергії та інтенсивності протонного пучка.
По-перше, для впливу наглибоко залягають пухлини потрібні протони з енергією 200-250 МеВ. Максимальна енергія протонів, досягнута в експерименті з лазерним прискоренням, поки що становить 58 МеВ, що відповідає глибині кілька сантиметрів. Хоча цього вже, в принципі, достатньо для впливу на пухлини, що близько лежать (наприклад, у носоглотці або навколоочній області), для повноцінного застосування методики енергію протонів треба підвищити.
Максимальна енергія протонів залежить від інтенсивності світла у фокусі лазерного імпульсу, яка визначається як піковою потужністю в лазерному імпульсі, так і тим, наскільки щільно він сфокусований у поперечному напрямку. Орієнтиром інтенсивності для досягнення потрібних енергій протонів вважається значення 10 22 Вт/см 2 , для чого потрібні лазери з піковою потужністю близько 1 ПВт (петаватт = 10 15 Вт) і хороше фокусування (в пляму розміром у довжину хвилі або менше).
Втім, тут прогрес триває досить швидко. Наприклад, лазер Hercules у дослідному центрі CUOS (Center for Ultrafast Optical Science) при університеті Мічігану вже досяг 300 ТВт (терават) і планує досягти 500 ТВт до кінця 2008 року. Він добре фокусується і видає дуже «висококонтрастні» імпульси (інтенсивність світла між імпульсами на 11 порядків слабше самого імпульсу). Моделювання, проведене в недавній роботі [2] фізиками з ФІАНу та Мічиганського університету спеціально для цього лазера, підтвердило, що 500 ТВт вже вистачить для отримання протонів терапевтичної енергії.
По-друге, потрібна не лише достатня енергія, а й достатня кількість протонів. Тут орієнтиром є число 1010 протонів в секунду. Розрахунки показують, що лазер Hercules з піковою потужністю 500 ТВт зможе прискорювати по 4 10 8 протонів за один спалах.Отже, для досягнення потрібного потоку протонів потрібно 25 спалахів на секунду. Для досягнення такої частоти експериментаторам, щоправда, доведеться попрацювати — поки Hercules видає один спалах в 10 секунд.
Втім, не виключено, що вимоги до лазерів пом'якшуються, якщо буде реалізовано ідею адіабатичного (тобто не миттєвого) прискорення, запропоновану в роботі [3]. У цій схемі потужність світла в момент приходу лазерного імпульсу на плівку наростає трохи плавніше, ніж зазвичай, і, як показує моделювання, це дозволяє більш ефективно перетворювати енергію світлового спалаху на потік протонів.
Ще одна серйозна перешкода полягає в тому, що отримані протони мають занадто великий розкид енергії. Щоб «потрапити» протонами суворо на потрібну глибину, цей розкид необхідно зменшити. Його поки що вдалося знизити приблизно до 25%, але зараз активно вивчаються різні схеми, що дозволяють ще більше зменшити це число. Цього можна досягти як за допомогою спеціально підготовленої мішені ([2], [3]), так і за допомогою спеціального налаштування параметрів лазерного імпульсу ([4], [5]).
Тепер слово за експериментом. Цілком ймовірно, що в найближчі роки будуть реалізовані принаймні деякі з цих ідей, а коли ця методика буде взята на озброєння медиками і як широко вона пошириться, покаже практика.
Цікаво в цій історії ще й те, що від початку пошук нових методів прискорення часток був продиктований суто науковими, а не практичними міркуваннями. Висока вартість колайдерів нового покоління, таких як LHC або деякі майбутні проекти, викликана їх величезними розмірами, а вони необхідні через неможливість збільшити темп прискорення частинок (тобто скільки МеВ на метр пройденого шляху вони купують).Тому фізики давно вже шукають нові механізми розгону частинок, і лазерна (а також лазерно-плазмова) технологія виникла внаслідок цього пошуку. Однак, схоже, що перше застосування ця методика знайде саме в медицині.