5.1.3. Ускорители частиц

Ускоритель частиц — это физическая установка, в которойс помощьюэлект-рическихи магнитных полей получают направленные пучки электронов, про­тонов, ионов и других заряженных частиц с энергией, значительно превыша­ющей тепловую энергию. В процессе ускорения повышаются скорости частиц. Основная схема ускорения частиц предусматривает три стадии: 1) формиро­вание пучка и его инжекцию; 2) ускорение пучка и 3) вывод пучка на ми­шень или осуществление соударения встречных пучков в самом ускорителе.

Формирование пучка и его инжекция. Исходным элементом любого уско­рителя служит инжектор, в котором имеется источник направленного по­тока частиц с низкой энергией (электронов, протонов или других ионов), а также высоковольтные электроды и магниты, выводящие пучок из источ­ника и формирующие его.

Источник формирует пучок частиц, который характеризуется средней начальной энергией, током пучка, его поперечными размерами и средней угловой расходимостью. Показателем качества инжектируемого пучка слу­жит его эмиттанс, то есть произведение радиуса пучка на его угловую расхо­димость. Чем меньше эмиттанс, тем выше качество конечного пучка частиц с высокой энергией. По аналогии с оптикой ток частиц, деленный на эмит­танс (что соответствует плотности частиц, деленной на угловую расходи­мость), называют яркостью пучка.

Ускорение пучка. Пучок формируется в камерах или инжектируется в одну или несколько камер ускорителя, в которых электрическое поле повышает скорость, а следовательно, и энергию частиц.

В зависимости от способа ускорения частиц и траектории их движения установки подразделяют на линейные ускорители, циклические ускорители, микротроны. В линейных ускорителях частицы ускоряются в волноводе с по­мощью высокочастотного электромагнитного поля и движутся прямолиней­но; в циклических ускорителях происходит ускорение электронов на пос­тоянной орбите с помощью возрастающего магнитного поля, и движение частиц происходит по круговым орбитам; в микротронах ускорение проис­ходит на спиральной орбите.

Линейные ускорители, бетатроны и микротроны работают в двух режи­мах: в режиме вывода пучка электронов с диапазоном энергии 5—25 МэВ и в режиме генерирования тормозного рентгеновского излучения с диапа­зоном энергии 4—30 МэВ.

К циклическим ускорителям относятся также синхротроны и синхроцик­лотроны, в которых получают пучки протонов и других тяжелых ядерных час­тиц в диапазоне энергии 100—1000 МэВ. Протонные пучки получены и ис­пользуются в крупных физических центрах. Для дистанционной нейтронной терапии используют медицинские каналы циклотронов и ядерных реакторов.

Пучок электронов выходит из вакуумного окна ускорителя через колли­матор. В дополнение к этому коллиматору непосредственно около тела па­циента существует еще один коллиматор, так называемый аппликатор. Он состоит из набора диафрагм из материалов с малым атомным номером, что­бы уменьшить возникновение тормозного излучения. Аппликаторы имеют разные размеры для установки и ограничения поля облучения.

Электроны высоких энергий меньше рассеиваются в воздухе, чем фотон­ное излучение, однако требуют дополнительных средств для выравнивания интенсивности пучка в его сечении. К таковым относятся, например, вырав­нивающие и рассеивающие фольги из тантала и профилированного алюми­ния, которые помещают за первичным коллиматором.

Тормозное излучение генерируется при торможении быстрых электронов в мишени из материала с большим атомным номером. Пучок фотонов фор­мируется коллиматором, расположенным непосредственно за мишенью, и диафрагмой, которая ограничивает поле облучения. Средняя энергия фо­тонов максимальна в переднем направлении. Устанавливаются выравнива­ющие фильтры, так как мощность дозы в сечении пучка неоднородна.

В настоящее время созданы линейные ускорители с многолепестковы­ми коллиматорами для проведения конформного облучения (см. рис. 23 на цв. вклейке). Конформное облучение проводится с контролем положения коллиматоров и различных блоков с помощью компьютерного управления при создании фигурных полей сложной конфигурации. Конформное лу­чевое воздействие требует обязательного применения трехмерного плани­рования облучения (см. рис. 24 на цв. вклейке). Наличие многолепестково­го коллиматора с подвижными узкими лепестками позволяет блокировать часть радиационного пучка и формировать необходимое поле облучения, причем положение лепестков меняется под управлением компьютера. В сов­ременных установках можно осуществлять непрерывную регулировку фор­мы поля, то есть можно менять положение лепестков в процессе вращения пучка, чтобы сохранять облучаемый объем. С помощью этих ускорителей появилась возможность создавать максимальное по величине падение дозы на границе опухоли и окружающей здоровой ткани.

Дальнейшие разработки позволили выпустить ускорители для выполне­ния современного облучения с модулированной интенсивностью. Интен­сивно модулированное облучение — облучение, при котором существует воз­можность создавать не только радиационное поле любой требуемой формы, но и осуществлять облучение с различной интенсивностью во время одного и того же сеанса. Дальнейшие усовершенствования позволили осуществлять радиотерапию, корректируемую по изображениям. Созданы специальные ли­нейные ускорители, в которых планируется высокопрецизионное облуче­ние, при этом лучевое воздействие контролируется и корректируется в про­цессе сеанса путем осуществления флюороскопии, радиографии и объемной компьютерной томографии на конусном пучке. Все диагностические конст­рукции вмонтированы в линейный ускоритель.

Благодаря постоянно контролируемой позиции больного на лечебном столе линейного ускорителя электронов и контролю над смещением изо-дозного распределения на экране монитора уменьшается риск ошибок, свя­занных с движением опухоли во время дыхания и постоянно происходяще­го смещения ряда органов.

В России для проведения облучения больных используют различные виды ускорителей. Отечественный линейный ускоритель ЛУЭР-20 (НИ-ИФА, Санкт-Петербург) характеризуется граничной энергией тормозного излучения 6 и 18 MB и электронов 6—22 МэВ. НИИФА по лицензии фирмы Philips производит линейные ускорители СЛ-75-5МТ, которые укомплекто­ваны дозиметрическим оборудованием и планирующей компьютерной сис­темой. Существуют ускорители PRIMUS (Siemens), многолепестковый Л УЭ Clinac (Varian) и др. (см. рис. 25 на цв. вклейке).

Установки для адронной терапии. Первый в Советском Союзе медицинский протонный пучок с необходимыми для лучевой терапии параметрами был соз-

58