Физики Брукхейвенской национальной лаборатории США успешно испытали инновационную систему на основе постоянных магнитов, потенциально революционную для протонной терапии рака. Ключевым достижением стала демонстрация возможности транспортировки пучков протонов в беспрецедентно широком диапазоне энергий — от 50 до 250 миллионов электронвольт (МэВ) — с использованием дуги из девяти специально сконструированных постоянных магнитов.
Эта технология, разработанная как побочный продукт исследований в области ядерной физики, предлагает решение главного ограничения современных протонных ускорителей: медленного переключения между энергиями. В отличие от традиционных электромагнитов, требующих времени на «рампу» (изменение мощности для смены энергии), постоянные магниты создают фиксированное поле. Благодаря уникальному строению — клиновидные блоки в каждом магните расположены так, что сила поля плавно изменяется от края дуги к её центру — пучки протонов с разной энергией находят стабильные траектории в пределах одного горизонтального слота (апертуры).
Стабильные орбиты для каждой энергии расположены поперёк продолговатого слота. В этой конструкции все энергии возможны постоянно. Поэтому мы можем доставлять как высокие мощности дозы, так и быстро масштабировать энергию, - пояснил физик Стивен Брукс, разработчик магнитов.
Эта способность к мгновенному переключению энергий критически важна для реализации FLASH-терапии — метода, при котором опухоль облучается сверхвысокой дозой радиации за доли секунды.
«Это действительно как вспышка, по сути, пучок ультравысокой мощности», — отметил Сэмюэл Рю, заведующий отделением радиационной онкологии Медицинского центра Стони Брук, партнёр проекта. По его словам, исследования показывают, что «прилегающие здоровые ткани лучше сохраняются» при FLASH-воздействии. Протонная FLASH-терапия объединит преимущества протонов (точной доставки энергии в опухоль с минимумом повреждения окружающих тканей) и FLASH-эффекта. «Различные энергии дают разные глубины осаждения энергии протонов. Можно выбирать эти энергии мгновенно, поэтому можно охватить большие опухоли, особенно глубоко расположенные в простате, почках, поджелудочной железе и мозге», — добавил Рю.
Разработка основана на опыте проекта CBETA в Корнеллском университете, где фиксированные магниты использовались для переноса электронных пучков на четырёх энергиях. Однако для медицинского применения потребовались значительные усовершенствования: протоны в 1836 раз массивнее электронов, а установка должна быть компактной для клиник. Архитектура стала более сложной, с суженной апертурой для концентрации поля.
Собранная девятимагнитная дуга — это один сегмент будущего ускорителя. Полная установка будет состоять из двух таких дуг, соединённых прямыми секциями, образуя «трассу» размером около 9 х 3 метра — значительно компактнее существующих установок, достигающих размеров футбольного поля. Она рассчитана на циркуляцию пучка до 6000 оборотов.
Для воплощения проекта в реальность лаборатория сотрудничала с компанией SABR Enterprises, LLC (Массачусетс), специализирующейся на постоянных магнитах. Инженеры SABR разработали нестандартные инструменты для высокоточной (до микрона) сборки и фиксации магнитов. Собранный массив был доставлен в Брукхейвен, где команда механиков установила его на стальную опорную плиту.
Испытания прошли в Лаборатории космической радиации NASA (NSRL), использующей пучки из ускорительного комплекса Брукхейвена. Протонные пучки с энергиями от 50 МэВ (минимум NSRL) до 250 МэВ (максимум по проекту) успешно прошли через магниты по запланированным траекториям. Следующий этап — тестирование на более низких энергиях (10–50 МэВ) на установке Tandem Van de Graaff в Брукхейвене.
Хотя команда стремится к созданию полноценного ускорителя, путь к клиническому применению требует дополнительных исследований. «Ближайшая цель — провести исследования на клеточных культурах», — сказал Рю. Он выразил надежду внедрить эту технологию в лечение пациентов.