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 математики 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 идет 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 (1/10^15 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 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»,— заключает Андреев.

Татьяна Мейлахс