旧加速器的新生：探索太空科技和医学奇迹

发布时间：2024-10-25浏览：81

位于莫斯科环城公路以南 20 公里的俄罗斯科学院核研究所位于特罗伊茨克，是欧亚大陆唯一同类加速器中的一台强大的线性质子加速器。它为基础研究和医学研究“提供”了一系列设施。

特罗伊茨克 INR RAS 的质子直线加速器

核研究所的地盘很大。你甚至看不到茂密的雪域森林后面的建筑物。我们在一个混凝土盒子里下了车，乍一看里面没有一个窗户。我们穿过沉重的大门；里面和外面一样，一切看起来都不太现代，仿佛时光机把我们扔到半个世纪前，回到了苏联的过去。因此，我们发现自己身处俄罗斯科学院核研究所 (INR RAS) 加速器综合体的一栋建筑中。

我们要下去了。墙上的油漆早就不见了。在隧道的入口处，铁板下，一大片水坑自由蔓延；正如他们向我们解释的那样，通信最近已经突破。然而，当我们看到加速器本身时，这些小东西就会消失在背景中：即使在它建成几十年后，它看起来仍然令人印象深刻。一根缠绕着电线的管子从左边几十米的墙上冒出来，一直延伸到右边，一望无际。我们才刚刚开始。

一切都在共鸣

墙后的左侧是两个粒子源，它们提供能量约为 400 千电子伏特的正氢离子流，必须将其加速一千倍。这是在共振加速的帮助下完成的。

它的基本原理很容易理解：电磁波是在加速器内部产生的。一旦在这种波的作用下，粒子将随着电场方向的变化而加速或减速。但是，如果在减速期间，粒子以某种方式隐藏在场之外怎么办？然后它会非常加速。

带有初始部分漂移管的谐振器内部视图

在所谓的漂移管的帮助下，粒子被“隐藏”在场外。在这里，粒子飞入加速器，加速一点，但在场开始改变方向的那一刻，它发现自己处于管子的保护之下，它漂移了一段时间，与管子的大小相对应。当磁场转向加速方向时，管子就结束了。

起初，当能量低时，管子非常小，这可以从加速器设计中看出——它们以字母 V 站立，因为没有足够的波长将它们一个接一个地放置。但渐渐地，它们变得越来越长。在第一个谐振器的出口处，初始能量为 400 千电子伏特的光束被加速到 20 MeV。

加速器第一部分的物理发射发生在 1988 年。然后粒子束也被加速到 20 MeV 的能量。随着电源的增加和新谐振器的引入——总共有五个——能量也在增长。1996 年，他们达到了 502 MeV 的能量，但逐渐地，元素（速调管）开始失效，能量下降。今天，最大的加速器是 300 MeV，而这样做的原因，唉，纯粹是经济上的。

图片清楚地显示了谐振器上的水冷通道

谐振器是巨大的多层“桶”。它们内部涂有精制无氧铜，具有良好的导电性。外部 - 不锈钢，保护免受外部环境的影响。中间是一层传热良好的碳钢，上面铺设水冷通道。

加速器全长约720米，末端设有一套理论和实践研究设施，以及一个质子治疗中心。在大约 200 米处有一个分支 - 光束被转移到放射性同位素的生产。

半个世纪的历史

同位素研究的历史始于 80 年代后期，当时加速器仍在建造中。“当能量达到 160 MeV 的水平时，就可以使用质子束来生产各种同位素，主要用于医学目的，”INR RAS 放射性同位素复合体负责人、化学博士 Boris Leonidovich Zhuikov 说。

加速器的参数使得获得其他加速器无法获得的同位素成为可能（如果可能，则数量很少）。“不同之处在于，我们的加速器同时提供足够高的质子能量，这会导致形成放射性核素，并从原子核中发射出大量中子，并提供高强度，从而可以大量生产同位素，”继续说道鲍里斯·列昂尼多维奇。

1992 年发射时，它是世界上最强大的同位素生成设施，通常可以在加速器上获得。

Boris Leonidovich Zhuikov，化学博士，INR RAS 放射性同位素复合体负责人

他们押注于锶 82，这种材料用于当时仍在发展的正电子断层扫描方法。许多人不相信它的前景，但希望是有道理的。该方法越来越受欢迎，世界上对锶82的需求量增加。

INR RAS 科学家首先与加拿大和美国开始合作，然后与法国合作。“每个人都明白，只生产我们国家需要的少量同位素是无利可图的。我们开始开发高性能方法，这意味着与核医学发达的国家的合作比俄罗斯多得多，Boris Leonidovich 解释说。— 最有成果的是与美国同事的合作。在 90 年代中期，他们为我们的研究分配了大量资金。”

结果，开发并建立了整个生产技术链：在加速器中从金属铷中生产大量锶 82、锶 82 的化学分离（第二阶段）以及铷 - 82发电机（第三级），供医生使用。来自 RNTsRHT 的其他同事。A. M. Granov（圣彼得堡）在 INR RAS 科学家的参与下，对使用这种放射性核素诊断心脏病和肿瘤疾病进行了完整周期的临床试验。

医用锶/铷 82 发生器。其中，在 INR RAS 的加速器中产生的锶 82 放射性核素（半衰期 25.3 天）衰变形成铷 82（半衰期 75 秒），用于医学诊断。

“就像这样，从头开始。当我们开始时，它只是一片沼泽。我们在加速器束上建立了装置，开发了从核物理和化学研究到患者诊断的整个过程，”Boris Leonidovich 总结道。“根据粗略估计，在我们工厂生产的同位素的帮助下，约有 350,000 名患者得到诊断，并有望治愈。如果我们考虑到我们在俄罗斯、美国、法国、加拿大和南非实施的技术，那么这笔费用将达到数百万美元。”

未来的计划

2014年后，国际合作急剧下滑。正是通过这种合作，放射性同位素研究得到了发展并得到了很大程度的资助。今天，INR RAS 正在与大企业谈判，等待政府支持。他们继续扩大获得医用同位素的可能性。

计划是定期接收不同的同位素，不仅用于诊断，还用于治疗。根据 Zhuikov 的说法，可以在该加速器上大量生产的最有前途的同位素是锕 225。这种放射性核素会发射 α 粒子，这种粒子重且能量高，但仅在非常短的距离内有效并且对癌细胞是致命的。

在放射性核素药物 (RFLP) 中，使用已知的生物活性化合物，放射性核素而不是分子的某些部分附着在这些化合物上。已知这些化合物如何在体内分布和积累。事实证明，其中一些在肿瘤中达到了最大浓度。因此，使用靶向治疗，可以将actinium-225直接递送至癌细胞并摧毁它们。这种方法仍在发展中，但已经显示出很高的效率。

特洛伊茨克的加速器可以产生世界上数量破纪录的锕225同位素，供应给俄罗斯和外国的医疗机构，这将有助于国内核医学的发展。“我们的国家没有为这些研究提供足够的资金，我们以前主要是通过与外国合作伙伴的合作来发展的，”鲍里斯·列昂尼多维奇遗憾地结束了他的演讲。

越远，加速器越窄。该图显示了同位素复合体光束出口附近的加速器碎片

国内核医学历史悠久。它与核技术同步发展。到 20 世纪中叶，该国已经出现了几个同位素生产设施。今天，核医学已经进入了一个新的发展阶段，拥有如此强大装置的经验丰富的专家可以在其中发挥重要作用。

同位素生产设施本身没有向我们展示，因为它正在重建中。为了到达加速器末端的装置，我们走到了外面。在脚下积雪的嘎吱声和综合体发展历史的故事中，我们沿着覆盖着小山的加速器隧道走了十多分钟。

脉冲中子源复合体、中子减速时间高孔径光谱仪和质子治疗复合体所在的建筑物附近覆盖着一座小山的加速器隧道

该加速器是在能量为 600 MeV 的质子和负氢离子高电流直线加速器的基础上为莫斯科介子工厂项目创建的。今天，介子物理学不再相关；加速器已经完成了它的主要科学计划。但是新的任务已经出现，既有基础的，也有应用的。大型科学设施运行了几十年后，通常会进行一次大修，加速器本身也会为新的科学项目进行现代化改造：改变束流强度，建立额外的输出通道，并建立新的运行模式.

“由于拆卸甚至停止安装是不合理的，我们正在寻找其他研究方法和加速器当前功能的消费者。没有现代化，我们不会从根本上获得新的参数，但我们可以稍微改进它们并创建新的研究台。我们可以而且应该解决这个问题。”

由大型混凝土砌块建造的“石棺”——辐射防护

我们走进大楼，穿过一扇不起眼的门，天花板“飞”了起来。我们发现自己置身于一个巨大的嘈杂建筑中，就像一个飞机库，里面有一个用大块混凝土砌成的“石棺”，几乎覆盖了整个领土。块 - 防止电离辐射的生物保护。在4米深的块体厚度内，设有贮存设施，用于中间贮存用过的放射性中子源体和束流阱，以及厂房、用过的过滤器和中子源模块。

加速器在这里结束，分为几个分支：一个脉冲中子源复合体、一个用于中子减速时间的高孔径光谱仪和一个质子治疗复合体。

爬上混凝土块。脚下几米处是一条通道，质子通过该通道飞向钨靶并消除中子通量。由于它们的中性，这些粒子相对自由地渗透到原子间区域并与原子核相互作用。因此，中子散射可用于研究物质的空间结构，并获得有关凝聚态介质以及化学、生物和其他物质的宝贵知识。

当然，这种加速器不仅具有应用价值。他为基础科学带来了很多：对超铀元素、核能产生的危险废物进行了大量研究。现在这些同位素被简单地掩埋了，但理论上它们可以成为一种能源，一种封闭核燃料循环的重要元素。

INR RAS 氢离子直线加速器实验复合体方案

对于是否有可能根据结果制造出具有所需特性的材料的问题，INR RAS 的首席研究员 Ravil Askhatovich Sadykov 回答说：“上帝保佑！这可不是小事。有时候，想要得到自己想要的东西，需要经历很多的经历，否则你我早就在其他事情上行走了。他们会穿衣穿鞋[使用具有任何构想和给定特征的材料]。”

而且，我想补充一点，癌症会被治愈。今天，正是这些技术正在质子治疗的综合体中进行测试。

寻找癌细胞

如果需要同位素从体内诊断和治疗癌症，那么质子治疗就是一种外部效应。使用传统放射疗法时，患病细胞和健康细胞都会死亡，因此当肿瘤靠近重要器官（膀胱、心脏和大脑的某些部位）时无法使用。

质子与其他粒子的不同之处在于，它们发射的最大剂量不是在身体表面，而是在给定的深度，也就是说，它们可以穿过组织飞向肿瘤，而对正常组织造成轻微损伤。“自上世纪中叶以来，质子的这一优势就为人所知，”INR RAS 医学物理实验室负责人、物理和数学科学博士 Sergey Vsevolodovich Akulinichev 解释道。

世界各地医院的传统放射治疗分几次进行，长时间照射身体的正确部位，但强度较低。原因是健康细胞也会受到辐射的影响，低强度有助于减轻副作用。这就是为什么医生不敢增加它的原因，尽管对细胞和动物的实验室实验表明，如果在一瞬间更快地给予相同剂量的辐射，那么健康细胞比癌细胞受到的伤害要小得多。

质子治疗中心的光子放射治疗装置

转折点出现在几年前。传统疗法导致一名患有皮肤 T 细胞淋巴瘤的老年患者对健康组织反应过度，他的医生尝试了闪光法。病人已经康复。此后不久，法国的医生在质子治疗中成功地测试了闪光法。去年，完成了首例质子闪光疗法治疗骨转移患者的临床试验。12月，召开了第二届专门针对闪光疗法的国际会议。该方法的有效性得到普遍认可。

“在我们看来，我们的加速器的光束强度太高了，我们人为地低估了它。但后来我们进行了实验，测试了不同的模式。我们发现，与正常细胞相比，其他加速器无法进入的 ultraflash 模式会导致肿瘤细胞发生更强的细胞凋亡，”Sergey Vsevolodovich 说。如果在国际公认的闪光模式下，辐射剂量在半秒内传递，那么在超闪光模式下则需要 100 微秒。

细胞反应的差异由保留因子估计，等于对肿瘤细胞的损伤水平与对正常细胞的损伤水平的比率。标准可以是不同的指标，从细胞凋亡（遗传编程的“准确”细胞死亡）到基因表达。

ergey Vsevolodovich Akulinichev，物理和数学科学博士，INR RAS 医学物理实验室主任

根据 Sergei Vsevolodovich 的说法，他们很快就会从细胞实验转向生物体实验。然后他们将开始用植入肿瘤细胞的动物进行实验。到目前为止，就细胞凋亡而言，ultraflash 模式的保守因子高于 flash 疗法。要在国际科学期刊上发表，还需要检查其他指标。

当Naked Science询问是否有可能以某种方式加速这些研究时，Sergey Vsevolodovich 摇了摇头：“这里没有官僚障碍。您只需要完成所有步骤。我们已经多次报告了我们的结果，但需要更多的统计数据才能令人信服。毕竟，我们声称这是一个严肃的发现。”

如此强大的质子加速器并非为医疗目的而建造，因此很少有人有机会进行此类研究。在俄罗斯，至少可以在加特契纳的另一个装置 - Cyclotron-80 上确认结果。“他们还遇到了光束强度极高的问题，他们将低估放射治疗的强度。我们可以建议他们不要降低强度，而是减少接触目标的时间，”Sergey Vsevolodovich 补充道。

“如果我们确认我们方法的生物学优势，那么在未来的加速器中，将有可能在设计阶段将这种力量投入到设计中。事实上，我们正在为新的加速器开发知识，”这位科学家总结道。

加速器大楼的警示灯

有了这么多的经验和研究，问题就来了，如果需求增加，设施是否能应对。“会议是一项全天候的工作。这样的机器不能按需打开和关闭。整个楼群开工，两班倒，回答裸科学问题INR RAS 加速器复合体部光束实验室负责人 Sergei Aleksandrovich Gavrilov。- 通常，工作时间取决于消费者。标准同位素会议持续了两周。检查材料耐辐射性的过程更快。一次加速“射击”——微电路损坏了，还有几次——她死了，他们正在准备下一次。这些会议持续数天。我们每年有三到五次为期两到三周的长会议。短按要求。

安装可以全天候工作，但现在没有足够的人手连续全天候值班。谢尔盖亚历山德罗维奇确信，一旦研究所宣布准备好安装更多的工作，就会有梁的消费者。

加速复兴

加速器需要大修和现代化。“我们已经有了基础设施。无需打破它并构建一些全新的东西。没有人愿意去做。又贵又长，要十几年。开发一个技术项目需要五年时间，然后制造组件和建造新装置需要两倍的时间。20 年后，它终于推出，但具有过时的计划特征。让我们多次改进现有机器的特性。提高能量和电流。让我们邀请新用户吧！

Sergey A. Gavrilov，INR RAS 加速器复合体部研究员

根据 Sergei Aleksandrovich 的说法，最初有效的现代化改造可以在短短两三年内在该加速器上进行。首先你需要更新聚焦系统和同步系统的电源，升级附加谐振器的电源线以增加能量。下一步是切换到 100 Hz（现在为 50 Hz）的光束脉冲重复率，以增加平均光束强度。

“这个国家正在加速复兴，”谢尔盖亚历山德罗维奇笑着说。- 已为同步加速器和中子研究的联邦科学技术计划分配资金。我们积极参与其中，但是我们的加速器没有进去。我们想改进它，但该计划的加速器部分旨在构建基于循环机器的新复合体，以及用于小型研究中心和教育机构的紧凑型线性加速器。”

给人的印象是，所有与 megascience 级设施合作的科学团体都对其独特的能力充满信心：从基础研究到医用同位素和抗癌超快疗法的开发。在旅途中，他们设法用这种信心感染了短途旅行的参与者。我们从混凝土盒子里出来，进入冰冷的空气中，希望能为安装找到资金。