Разработка диагностики для определения энергетического спектра легких ионов при коллективном ускорении

На сегодняшний день в мире и в частности в России с прогрессией растет
количество заболеваний раком. На учете в онкологических учреждениях
России состоит более 2,5 млн. больных, а прирост показателя за последние
десять лет составил 16%. По данным Росстата ежегодно в стране
регистрируются около 485 тысяч выявленных впервые случаев
злокачественных новообразований, что соответствует заболеваемости 336,6 на
100 тыс. населения [1].
Самая эффективная диагностика раковых заболеваний – это позитронно-
эмиссионная томография (ПЭТ). В человека помещают радиоактивный изотоп
и смотрят где локализуется основная его часть, поглощаемая раковыми
клетками.
В современной ядерной медицине для изготовления
радиофармпрепаратов (РФП) используются циклотроны, входящие в состав
ПЭТ сканеров, для радионуклидной диагностики организма. Циклотрон
обладает большой стоимостью, поскольку для него надо строить отдельно
стоящее помещение. Он окупается, если количество жителей в населенном
пункте, где находится циклотрон, превышает 1 млн. Ориентировочная
стоимость циклотронов – $1-3 млн., ещё около $2 млн. стоит капитальное
строительство центра, связанное с большим весом циклотрона (более 20 тонн)
и необходимостью защиты от ионизирующего излучения. Операционное
обслуживание циклотрона около $300 тыс. в год. Для эффективного
использования столь дорогого в установке и обслуживании ускорителя
необходимо производить РФП для более 20000 ПЭТ сканирований в год. Это
соответствует полной загрузке пациентами 4-5 ПЭТ сканеров. Зачастую ПЭТ
сканеры находятся в разных клиниках, и доставка РФП от ПЭТ-центра к
сканеру является непростой задачей. Возникает проблема распада
наработанного вещества, помимо задач радиационного контроля. На одну
единицу активности, доставленную в клинику, необходимо наработать 3-4
единицы РФП. В итоге, наибольшая доля в стоимости дозы РФП (около 450 $)
приходится на наработку запаса активности и доставку. Высокая стоимость и
сроки перевозки РФП по России, связанные в частности с большими
расстояниями между населёнными пунктами и качеством дорог, является
серьёзным барьером для распространения ПЭТ диагностики в стране. Сюда же
следует отнести и потенциальную опасность несанкционированного
использования как РФП, так и изотопа с достаточно высокой активностью.
Очень часто клинике приходится приобретать не только ПЭТ сканер, но и
ПЭТ-центр для наработки изотопа и синтеза РФП.
Поэтому актуальным является поиск новых методов получения РФП.
Одним из перспективных методов является коллективное ускорение ионов. Но
несмотря на большое количество исследований в данной области, отсутствует
единая теория, описывающая механизм ускорения. Механизм ускорения и
параметры пучка важно знать, чтобы можно было разработать оптимальную
конструкцию ускорителя, который будет работать на данном принципе. Один
из важных параметров – это энергетический спектр ионного пучка. На данный
момент научная группа в лаборатории пользуется косвенными методами
определения энергии пучка: тепловизионная диагностика, сцинтилляционная
диагностика, диагностика посредством цилиндра Фарадея. К прямым методам
относятся: ядерно-физическая диагностика, времопролетная диагностика и
диагностика посредством спектрометра Томсона. Однако, для ядерно-
физической диагностики, чтобы регистрировать ионы разных типов,
необходимо менять мишени, к тому же она даст информацию лишь при
энергии ионов выше пороговой. Времяпролетная диагностика эффективна при
методах прямого ускорения. Самым точным методом является диагностика с
использованием спектрометра Томсона. Он способен определять
распределения энергий одновременно для ионов с различной величиной массы
и заряда.
Цель работы – разработка спектрометра Томсона для определения
энергетического спектра легких ионов. Информация по энергиям в свою
очередь необходима для получения в дальнейшем ультра короткоживущих
изотопов, внедряемых в организм человека для диагностики раковых,
сердечно-сосудистых и других заболеваний. Для достижения поставленной
цели, необходимо решить следующие задачи:
– определение габаритов спектрометра;
– выбор источника постоянного магнитного поля;
– расчет магнитной составляющей спектрометра;
– расчет электрической составляющей спектрометра;
– выбор габаритов детектора;
– расчет отклонений ионов с учетом ошибки;
– моделирование магнитного поля в среде Elcut;
– моделирование электрического поля в среде Elcut;
– разработка конструкции спектрометра.
1 Методы диагностики пучка заряженных частиц
1.1 Цилиндр Фарадея
Цилиндр Фарадея – один из старейших, но до сих пор используемых
датчиков интенсивности пучка, основным достоинством которого является
высокая точность измерения заряда. В простейшем виде цилиндр Фарадея
представляет собой массивный, электрически изолированный электрод,
стоящий на пути пучка заряженных частиц – электронов, протонов или ионов.
Когда пучок частиц поглощается материалом электрода, цилиндр Фарадея
оказывается электрически заряженным. К электроду с помощью подводящего
провода подключается сопротивление, замыкающее цепь на землю.