§ 27.7. Ускорители заряженных частиц и их использование в медицине

Ускорителем называют устройство, в котором под дей­ствием электрических и магнитных полей формируется пу­чок заряженных частиц высокой энергии.

Р азличают линейные и циклические ускорители. В линейных ускорителях час­тицы движутся по прямолинейной траек­тории, в циклических — по окружности или спирали.

Наиболее известным циклическим ус­корителем является циклотрон (рис. 27.14), в котором под действием магнит­ного поля индукции В, направленной перпендикулярно плоскости рисунка, за­ряженная частица движется по окруж­ностям. Переменное электрическое поле между дуантами 1 ускоряет частицу. Согласно формуле (13.23), период Т вращения частицы не зависит от ее скорости и радиуса траектории, поэтому время прохождения частицей любой полуокружности в каждом дуанте одинаково. Оно соответствует половине периода колебаний электрического поля. Таким образом, магнитное поле обеспечивает вращение час­тицы по окружности, а электрическое поле — изменение ее кине­тической энергии. Источник частиц 2 находится вблизи центра циклотрона, пучок ускоренных частиц 3 вылетает из циклотрона после ускорения.

Циклотрон способен ускорять протоны до 20—25 МэВ. Ограни­чение энергии ускоряемых частиц обусловлено релятивистской зависимостью в формуле (13.23) массы¹ от скорости, что приводит к увеличению периода вращения частицы с возрастанием ее ско­рости. В результате этого нарушится синхронность между движе­нием частицы и изменением электрического поля. Электрическое поле будет не ускорять, а замедлять частицы. В связи с этим в циклотроне нельзя ускорять электроны, так как они быстро до­стигают релятивистских скоростей.

Из этого затруднения можно найти выход, изменяя частоту электрического поля в соответствии с изменением периода враще­ния заряженной частицы. Такой ускоритель называют фазо­троном (синхроциклотроном), он способен ускорять протоны до энергии ~ ГэВ. Можно предположить и другое решение вопроса: по мере воз­растания массы увеличивать индукцию магнитного поля. Как видно из формулы (13.23), в этом случае можно сохранить период вра­щения частицы неизменным. Уско­ритель такого типа называют синх­ротроном.

Для ускорения тяжелых частиц до энергий порядка гигаэлектрон-вольт и выше используют синхрофа­зотрон, в котором изменяют и маг­нитное поле, и частоту электриче­ского поля.

Довольно распространенным ускорителем электронов невысо­ких энергий является бетатрон. В отличие от других цикличе­ских ускорителей в нем электрическое поле не подается от внеш­них источников, а создается при изменении магнитного поля (яв­ление электромагнитной индукции).

На рис. 27.15, а схематически показано, что при изменении магнитного поля электромагнита 1 возникает, согласно теории Максвелла, вихревое электрическое поле. В зазоре 2 магнита рас­положена вакуумная камера, в которой ускоряются электроны. Силовые линии электрического поля в виде концентрических ок­ружностей проходят в плоскости, перпендикулярной плоскости рис. 27.15, а. На рис. 27.15, б изображена отдельная линия на­пряженности электрического поля, которая приближенно совпа­дает с траекторией электрона. На этом рисунке линии вектора В в основном перпендикулярны плоскости чертежа, магнитная ин­дукция возрастает.

Электрон удерживается на орбите магнитным полем (сила Ло­ренца) и ускоряется электрическим.

Бетатроны способны ускорять электроны до десятков мегаэлектрон-вольт. В настоящее время бетатроны используют глав­ным образом в прикладных целях, в том числе и медицинских. Остановимся на медицинских приложениях ускорителей. Ускорители заряженных частиц применяют как средство лучевой терапии в двух основных направлениях.

Во-первых, используют тормозное рентгеновское излучение, возникающее при торможении электронов, ускоренных бетатро­ном. Использование тормозного излучения оказывается более эф­фективным, чем гамма-терапия.

Во-вторых, используют прямое действие ускоренных частиц: электронов, протонов. Электроны ускоряются бетатроном, а про­тонный пучок получают от других ускорителей.

Как видно из рис. 27.3, заряженные частицы, в том числе и протоны, наиболь­шую ионизацию производят перед остановкой. Поэтому при попа­дании пучка протонов в биологический объект извне наибольшее воздействие будет оказано не на поверхностные слои, а на опухо­левые ткани, которые расположены в глубине организма. В этом основная выгода применения заряженных частиц для лучевой те­рапии глубинных опухолей. Поверхностные слои в этом случае повреждаются минимально.

Малое рассеяние протонов позволяет формировать узкие пуч­ки и, таким образом, очень точно воздействовать на опухоль. На­ряду с лечебным применением ускорителей в последние годы от­крылись возможности использования их в диагностике. Здесь можно указать две области.

Одна — ионная медицинская радиография. Суть метода заклю­чается в следующем. Пробег тяжелых заряженных частиц (а-частицы, протоны) зависит от плотности вещества. Поэтому если ре­гистрировать поток частиц до и после прохождения объекта, то можно получить сведения о средней плотности вещества.

Таким образом, так же как и при рентгенографии, возможно различать структуры большей и меньшей плотности. Преимуще­ство у этого метода перед рентгенографией — более низкая кон­трастность, что позволяет лучше различать структуру мягких тка­ней.

Другая область применения связана с синхротронным излуче­нием.

Синхротронным излучением называют интенсивное ультра­фиолетовое и мягкое рентгеновское излучение, которое испуска­ют электроны, движущиеся по круговой орбите со скоростями, близкими к скорости света. Впервые это излучение как световое наблюдалось на синхротронах, поэтому оно и называется синх­ротронным. Синхротронное излучение в целях диагностики при­меняют аналогично обычному рентгеновскому излучению. Одно из преимуществ синхротронного излучения перед рентгеновским заключается в возможности поглощения этого излучения преиму­щественно некоторыми элементами, например иодом, который может иметь повышенную концентрацию в тканях. Отсюда воз­никают условия для ранней диагностики злокачественных опухо­лей.

Отметим, что синхротронное излучение начинают также при­менять и в лучевой терапии.

 

 

¹ В настоящее время в физической литературе принято использовать релятивистскую зависимость импульса от скорости частицы. Здесь эти подробности не рассматриваются.