Вокруг Света - Журнал «Вокруг Света» №10 за 2003 год

В нашей жизни есть и другие ускорители, компактность которых не мешает им также «притягивать к себе». Это, конечно же, телевизоры. Совсем недавно каждый из них обязательно имел электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) – простейший линейный ускоритель электронов, который, кстати, содержит практически все принципиальные узлы ускорителя. А именно – катод, испускающий заряженные частицы; электроды, модулирующие и ускоряющие частицы; систему фокусировки луча; магниты, отклоняющие поток частиц; вакуум, не препятствующий полету частиц, и люминофор, делающий видимым поток электронов (аналог системы датчиков, регистрирующих частицы).

На самом деле ускорителей вокруг нас гораздо больше – это все электровакуумные приборы, начиная от диодов и триодов и кончая магнетронами, работающими в СВЧ-печах и радиолокаторах. Стоит отметить, что и привычная флюорография родилась как побочный продукт изучения процесса ускорения и резкого торможения электронов в катодной трубке. Оказалось, что, резко тормозя, заряженные частицы излучают жесткое электромагнитное излучение – Х-лучи, как назвал их первооткрыватель В.К. Рентген в ноябре 1895 года.

Обыкновенный портативный дозиметр, позволяющий спокойно гулять по загрязненной нашими общими усилиями Земле, – это тоже изделие ядерной физики, и входящий в его состав счетчик Гейгера-Мюллера в некотором смысле – тоже ускоритель электронов. Способность рентгеновских и гамма-лучей убивать все живое сегодня активно применяют для того, чтобы стерилизовать продукты и обеззараживать медицинские изделия. Такая холодная дезинфекция часто бывает гораздо эффективнее горячей и требует меньше времени и энергии.

Упомянутые выше Х-лучи стали причиной еще одного важного начинания. Именно за их открытие в 1901 году Вильгельму Конраду Рентгену была присуждена первая в мире Нобелевская премия по физике. При награждении отмечалась «важность этого открытия для практической хирургии… и лучевой терапии…». Таким образом, ядерная физика и ускорительная техника с самых первых дней стали верой и правдой служить людям. Эти два направления из области физики элементарных частиц – наблюдение скрытых от глаз процессов и явлений и воздействие на живую и неживую природу с помощью специальных «лучей» – и сегодня являются самыми перспективными и востребованными.

Современные компьютерные томографы, позволяющие заглянуть внутрь человеческого организма и понять, что там неправильно функционирует, – это детище ядерной физики, научившейся не только формировать узкие сканирующие пучки и регистрировать интенсивность невидимого излучения, но и восстанавливать картину поглощения рентгеновских лучей, то есть строение внутренних органов человека.

Сегодня в руках медиков и биологов находятся уникальные диагностические инструменты: ядерно-магнитный резонанс (ЯМР), спиральная компьютерная томография (КТ), однофотонная томография (ОФЭКТ) и позитронная эмиссионная томография (ПЭТ). Все эти технологии стали результатом работ по прикладной физике, улучшению детекторов излучения и введению компьютерной обработки данных. Диагностика стала коллективным делом, и медики работают совместно с физиками, инженерами и программистами, получая отчетливые изображения того, что происходит внутри человека, и определяя in vivo, без хирургического вмешательства, структуру и функции организма. Как известно, физики с медиками очень скоро обнаружили, что проникающая радиация не только позволяет заглянуть внутрь живого организма, но и при определенных условиях нарушает нормальную работу этого самого организма, вызывая разнообразные проявления лучевой болезни. Поняв, что радиация совсем даже не безвредна, ученые быстро нашли применение и этому ее свойству, используя его для лечения злокачественных новообразований.

Первый циклотронный ускоритель, построенный в Беркли Эрнестом Орландом Лоуренсом в 1932 году, с самого начала применялся не только для изучения микромира, но и для производства изотопов и нейтронных пучков. Мать Лоуренса стала первой пациенткой с онкологическим заболеванием, которую вылечили с помощью нейтронов, полученных на циклотроне, и произошло это в 1938 году.

Сегодня для такого рода терапии используют уже синхроциклотроны и ударяют по злокачественным клеткам не только протонами и нейтронами, но и тяжелыми ионами. Облучение ионами углерода и кислорода оказалось наиболее щадящим для здоровых тканей, окружающих раковую опухоль, и поэтому более эффективным, чем обычный рентген. Вот почему онкологи в самых разных странах сразу стали практиковать этот способ лечения. На сегодняшний момент только в России облучение с помощью ускорителей заряженных частиц прошли десятки тысяч пациентов.

Известно, что гоночный автомобиль разгоняется до 100 км/ч всего за 3 секунды, а за 10 – достигает скорости 300 км/ч. Однако дальше процесс ускорения существенно замедляется: даже машины «Формулы-1» не могут достичь 400 км/ч. В микромире – другие законы: в ускорителях скорости элементарных частиц практически равны скорости света (более миллиарда километров в час). Здесь идет борьба за приближение к той самой скорости, быстрее которой в нашей Вселенной не может двигаться ни одно материальное тело. Выглядит это так: уже в самом начале разгона частицы набирают скорость, близкую к скорости света, и дальше носятся по кругу с практически неизменной скоростью, увеличивая свою массу и накапливая энергию, которая при столкновении пойдет на рождение новых частиц.

Почему современные ускорители имеют невероятно большие размеры? Ответ прост: ускоряющий импульс частицы должны получать многократно, постоянно прибавляя при этом к своей кинетической энергии по нескольку мегаэлектрон-вольт. Далее, чтобы в процессе такого ускорения частицы не улетели на Луну, их отклоняют с помощью магнитного поля, и они, соответственно, как по команде, вращаются по кругу. Максимально достижимая величина магнитного поля определяет радиус ускорительного кольца, необходимого для получения нужных энергий.

Есть, правда, и еще одно обстоятельство, не позволяющее делать мощные ускорители маленькими – синхротронное излучение. Двигаясь по кругу, заряженные частицы излучают. Принцип таков: чем меньше радиус орбиты и чем ближе скорость частиц к скорости света, тем излучение сильнее. Иначе говоря, мы их ускоряем, а они тормозятся, в результате чего получается максимум рентгеновского излучения и минимум разгона.

Сегодня именно по этой причине после закрытия в ЦЕРН Большого Электрон-Позитронного Коллайдера (LEP) ученые рассматривают несколько проектов линейных ускорителей электронов, которые не требуют мощных отклоняющих магнитов и не тратят энергию на гамма-излучение. Оказывается, электроны, как самые легкие заряженные частицы, можно разогнать до сотен GeV на расстоянии всего 10 км. В этом смысле наи+более продуманным представляется проект германского ускорителя TESLA в рамках германского комплекса DESY.