Лазер может стать основой протонной терапии

Расчеты ученых Московского Политеха помогли определить свойства протонных пучков, ускоренных лазерным импульсом. Это знание необходимо для развития протонной терапии.

Протонно-лучевая терапия позволяет уничтожать раковые опухоли, практически не повреждая соседние здоровые ткани. Но для этого нужно сгенерировать мощный и точно направленный пучок протонов: например, чтобы он пошел сквозь череп и выделил максимум радиационной дозы на определенной глубине – прямо в опухоль, убил бы там раковые клетки и не проник глубже, в здоровые ткани мозга. «Сегодня для организации протонной терапии требуется наполнить дорогим оборудованием помещение размером с целый спортзал, — говорит завкафедрой „Математика“ Московского Политеха Степан Андреев. – Физики работают над тем, чтобы этот зал можно было уменьшить до размеров лабораторного стола. И это может быть осуществлено с помощью лазера».

Речь – не об обычном лазерном луче, а о сверхкоротких и сверхмощных лазерных импульсах.

Чем короче импульс, тем мощнее получается излучение. Так, современные лазеры генерируют импульсы длительностью несколько фемтосекунд (1/1015 доля секунды). Мощность одного такого импульса может быть больше, чем у всех электростанций на планете. «Когда сверхинтенсивный лазерный импульс воздействует на мишень, то в ней происходят чрезвычайно интересные физические процессы, включая ядерные реакции, — объясняет Степан Андреев. – Я занимаюсь моделированием этих процессов, и в результате нашей работы может появиться сравнительно небольшой и недорогой аппарат для протонной терапии: лазер на столе посылает импульсы в определенную мишень, на которой формируется пучок протонов, с энергией необходимой для терапии энергией. Если такая технология появится, центры протонной терапии можно будет организовать в каждом госпитале».

В новой работе Степан Андреев вычислял, что происходит при взаимодействии сверхинтенсивного лазерного импульса с алюминиевой мишенью, на тыльной поверхности которой находится слой протонов. Расчеты показали, что ускорение протонов происходит не только в области «пятна» лазерного импульса, но и на всей тыльной поверхности, длина которой в модели в шесть раз больше диаметра лазерного „пятна“.

Это происходит из-за того, что «горячие» электроны, создающие ускоряющее электростатическое поле на тыльной поверхности мишени, совершая колебательные движения и многократно проходя сквозь мишень и обратно, покрывают своими траекториями практически весь объем мишени, а не только область лазерного воздействия»,

— объясняет профессор.

Большинство протонов двигаются перпендикулярно мишени и формируют пучок, угол разлета которого не превышает 15-20 градусов. Такой протонный пучок обладает высокой степенью ламинарности, то есть перемещается в пространстве без перемешивания. Он распространяется на относительно большие расстояния без изменений поперечного размера. По мнению Андреева, причиной такого поведения может являться квазинейтральность пучка, в котором кулоновские силы расталкивания положительно заряженных протонов компенсированы силами притяжения со стороны электронов, движущихся вместе с протонами.

Вопрос квазинейтральности был недостаточно исследован, а это состояние протонных пучков представляет интерес не только для фундаментальной науки, но также для наук о материалах и лазерной медицины»,

— отмечает Андреев.

18.02.2022