Мини-ускоритель частиц может помочь в лечении рака

Ускорители частиц могли бы быть невероятно полезны для медицины – если бы они не были такими огромными. Например, ускоритель SLAC имеет длину почти 3,2 километра, в то время как Большой Адронный Коллайдер ЦЕРНа (БАК) целых 27 км. Теперь ученые из Стэнфорда сумели уменьшить технологию до размеров компьютерного чипа, что может привести к более точной лучевой терапии рака.

В обычных ускорителях частицы излучаются через вакуумные трубки и ускоряются до невероятно высоких скоростей. Ускоритель SLAC придает своим частицам ускорение, облучая их микроволнами, в то время как БАК использует сверхпроводящие электромагниты.

Оборудование, необходимое для этого, делает эти системы очень громоздкими и трудно масштабируемыми для использования в больницах и небольших научных учреждениях. В прошлом CERN удалось создать меньший прототип, всего около 2 метров в длину, а теперь команда из Стэнфорда и SLAC создала еще меньшую версию, которая помещается на одном кремниевом чипе.

Благодаря новой конструкции электроны излучаются через вакуумно-герметичный канал длиной 30 микрометров и тоньше человеческого волоса. Вместо микроволн или магнитов устройство ускоряет свои частицы с помощью инфракрасного света, который проходит через кремниевые провода, которые пронизывают стенки канала.

Инфракрасный лазер пульсирует 100 000 раз в секунду, каждый раз посылая фотоны, которые сталкиваются с электронами под прямым углом, чтобы ускорить их движение вперед.

В своем нынешнем виде этот ускоритель частиц на чипе не готов к практическому использованию, но он показывает, что эта концепция работает. На данный момент ему удалось придать электронам только энергию в 0,915 килоэлектронвольт (кэВ), что примерно в тысячу раз меньше, чем требуется для научных исследований или медицинских применений.

Но к концу года ученые планируют достичь мощности в 1 мегаэлектронвольт (МэВ), или примерно в тысячу раз больше энергии, чем в нынешнем виде. Сделать это довольно просто – исследователи продублируют один и тот же участок канала 1000 раз, который должен поместиться на чипе размером всего 1 дюйм (2,5 см) в длину.

Хотя это будет важной вехой, такое устройство будет по-прежнему слабым по мощности наряду с возможностями ускорителя SLAC, который может генерировать уровни энергии в 30000 раз больше, чем 1 МэВ. Но ученые считают, что подобно тому, как транзисторы в конечном итоге заменили вакуумные трубки в электронике, устройства на основе света однажды бросят вызов возможностям микроволновых ускорителей.

Так для чего же на самом деле может быть использован ускоритель частиц на чипе? Исследователи говорят, что первое применение может быть более целенаправленная терапия рака.

Например, пациенту можно было бы вставить катетерную вакуумную трубку, один конец которой был бы направлен точно на опухоль. Электроны, ускоренные через это устройство, могут быть направлены через эту трубку, чтобы воздействовать на раковые клетки непосредственно, не задев здоровые клетки поблизости.

Исследование было опубликовано в журнале Science.