Полное сканирование тела методом позитронноэмиссионой томографии

Ускорители и детекторы в медицине

В мире сейчас насчитывается примерно 17 тысяч ускорителей. Но лишь около сотни из них используются в научных целях. Остальные — это компактные низкоэнергетические ускорители, половина из которых работает на благо медицины. Адронная терапия позволяет с миллиметровой точностью выжигать глубокие опухоли без существенного воздействия на остальные ткани. При торможении в веществе протоны выделяют основную часть своей энергии на последних миллиметрах пути. Зная глубину залегания опухоли, можно так подобрать энергию пучка, чтобы эти последние миллиметры как раз попали внутрь опухоли. Другое медицинское применение ускорителей — создание прямо в медицинском центре короткоживущих изотопов-маркеров с периодом полураспада порядка часа. Сразу после синтеза они вводятся в организм, оседают в тканях и вскоре распадаются. Высокочувствительные детекторы регистрируют продукты распада и дают четкое изображение тканей даже при сверхнизкой концентрации радиоизотопов. Именно этот метод лежит в основе позитронной томографии. Впервые ее опробовали в ЦЕРНе в 1977 году, а сейчас используют в некоторых клиниках Европы. Впрочем, детекторам частиц нашлось немало работы и без радиоизотопов. Чувствительность детекторов высокоэнергетических фотонов, применяющихся в ускорительных экспериментах, на порядки выше, чем у обычной пленки. На их основе удалось создать малодозные цифровые рентгенографические установки, которые сейчас получили повсеместное распространение. При низкой дозе облучения они обладают очень высоким пространственным разрешением и совершенно недостижимым на обычных пленках количеством градаций яркости. Благодаря этому на одном и том же снимке, подобрав правильный контраст, можно изучать структуру и костей, и мягких тканей.

Взять с поличным

Но разогнать и столкнуть частицы — это только полдела. Необходимо еще и зарегистрировать рожденные в столкновении вторичные частицы. Этим занимаются не сами ускорители, а другие научные аппараты — детекторы.

На заре ядерной физики для регистрации частиц использовались люминесцентные экраны и фотоэмульсии. Люминесцентные экраны похожи на экран телевизора: частица попадает в какую-то точку экрана, выделяет там энергию, которая затем превращается в короткую вспышку света. С помощью этого нехитрого приспособления можно было наблюдать за рассеянием частиц в реальном времени.

Фотоэмульсии удобны для наблюдения за частицами космических лучей. Запущенная на аэростате стопка фотоэмульсионных пластинок в течение долгого времени подвергается бомбардировке космическими частицами, а после проявки изучаются оставленные ими треки, которые образуются из-за ионизации атомов вдоль пути энергичной заряженной частицы. Огромное преимущество такого метода регистрации — возможность видеть ход реакции, пусть и не в реальном времени. Вот трек входящей частицы, здесь произошло столкновение, а вот следы вторичных частиц. Изучая длину и толщину треков и используя законы механики, можно узнать, что это за частицы, как они взаимодействуют и сколько времени живут до распада.

Следующим шагом стало изобретение пузырьковой камеры. В ней под высоким давлением находится сжиженный газ в состоянии, близком к закипанию. При резком понижении давления жидкость становится термодинамически неустойчивой и начинает вскипать. Если в этот момент сквозь камеру пролетит заряженная частица, то первые пузырьки появятся как раз на оставленном ею ионизационном следе. Спустя долю секунды давление возвращают в норму, жидкость больше не стремится закипеть, но вдоль всего трека остается четкий след из пузырьков. Тут же делается фотоснимок всей камеры, и спустя еще мгновение пузырьки рассасываются — камера готова к очередному циклу.

Снимок пузырьковой камеры, где виден процесс рождения и распада первого зарегистрированного омега-гиперона. K--мезон взаимодействует с протоном, образуются омега--гиперон и два мезона (K0 и K+), которые далее распадаются в другие частицы. Справа: расшифровка снимка. Траектории нейтральных частиц, невидимых в пузырьковой камере, отмечены пунктиром

Пузырьковая камера позволяет визуализировать треки в реальном времени, однако ее главный недостаток заключается в том, что она должна работать непрерывно, цикл за циклом, независимо от того, пролетели частицы или нет. В подавляющем большинстве случаев на фотографиях ничего нет, а поиск какого-то редкого процесса на десятках тысяч снимков становится очень трудоемким занятием.

Чтобы избавиться от бесполезных циклов работы, физики изобрели искровую камеру. Она тоже визуализирует траектории частиц, но иным, электрическим, способом. В отличие от пузырьковой камеры, ее можно запускать только тогда, когда гарантированно пролетает какая-то частица, что позволяет избавиться от «холостых» снимков. Именно использование искровой камеры позволило в 1962 году открыть мюонное нейтрино.

Современные универсальные детекторы, применяемые на больших ускорителях, устроены намного сложнее. Их главная черта — многослойность. Все вместе разные компоненты детектора извлекают из пролетающих частиц максимум информации: координаты точки рождения, скорость, импульс, энергию и тип. Все это необходимо для понимания того, что именно произошло с частицами из встречных пучков в момент их столкновения.

Ближе всего к точке столкновения расположен вершинный детектор. Его задача — с максимальной точностью восстановить первые сантиметры траектории заряженной частицы. Имея несколько таких траекторий от одного столкновения, можно проследить их до пересечения и с субмиллиметровой точностью восстановить вершину — точку в пространстве, в которой произошло рождение частиц.

Следующими идут трековые детекторы. Они измеряют искривление траектории в магнитном поле и позволяют вычислить импульс частицы. Часто в качестве трековых детекторов используются дрейфовые камеры. В них с мелким шагом натянуты тонкие проволочки под напряжением. Заряды, порожденные пролетевшей частицей, оседают на ближайшей проволочке, сообщая регистрирующей аппаратуре, где пролетела частица. Из сигналов с многих проволочек и складывается траектория частицы.

Следующим слоем расположены черенковские детекторы, которые измеряют скорость пролетевшей заряженной частицы. Зная импульс и скорость, можно затем вычислить массу частицы и определить ее тип. Тут главная проблема состоит в том, что для всех рождающихся частиц скорость очень близка к световой. Требуется устройство, которое надежно различает, например, 95 и 99% скорости света, что при равных импульсах отвечают частицам с массами, различающимися вдвое.

На помощь приходит еще один физический эффект, на этот раз из оптики. Свет распространяется со скоростью с=300 000 км/с только в вакууме. При входе в прозрачную среду с показателем преломления n он замедляется до скорости c/n. А вот элементарные частицы при этом не тормозятся, и поэтому их скорость оказывается выше скорости света в данной среде. В 1934 году советские физики П.А. Вавилов и С.И. Черенков открыли, что такая заряженная частица излучает свет (черенковское излучение) под углом к направлению движения, и этот угол зависит от скорости частицы.

Для создания черенковских детекторов пришлось решить интересную задачу из области материаловедения. Для максимальной эффективности требовалось вещество с показателем преломления n=1,01–1,05. Но ничего подобного в природе не существует (например, для воды n=1,33, а для газов он не превышает n=1,001), и потому нужные материалы пришлось создавать искусственно. Так в детекторах появились аэрогели, которые иногда называют «твердым дымом». В руках кусок аэрогеля вызывает непривычные ощущения: по прочности он примерно как пенопласт, но ощутимо легче него и вдобавок прозрачный. Подбросив аэрогель в воздух, можно заметить, что падает он как бы «неохотно» — ведь он всего в несколько раз плотнее воздуха.