Ускорение по-русски: в Радиевом институте появится новый циклотрон

На родине первого в Европе циклотрона, в Радиевом институте им. Хлопина, появится новый циклотрон. Ускоритель с регулируемой энергией протонов будет самым мощным среди отечественных аналогов. На его базе планируется организовать центр циклотронных технологий «Росатома».

Циклотрон СС‑30/15 с регулируемой энергией протонов от 15 до 30 МэВ и интенсивностью пучков до 400 мкА построит для Радиевого института Научно-­исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Ефремова (НИИЭФА). Ускоритель будет нарабатывать изотопы, которые широко применяются в медицине.

Особенность СС‑30/15 в том, что на нем можно будет получать изотопы генераторного типа — ​нуклиды, при распаде которых образуются целевые радиоизотопы. Например, германий‑68 распадается, генерируя галлий‑68, который нужен для протонно-­эмиссионной томографии. У галлия‑68 период полураспада всего 67,7 минуты, а у германия‑68 — 271 день. Вполне достаточно, чтобы отвезти в другой город или страну — ​в генераторе, из которого в больнице получат целевой изотоп.

«Параметры циклотрона позволяют использовать его и в борнейтронзахватной, и просто в нейтронной терапии, — ​добавляет заместитель научного руководителя НИИЭФА Юрий Гавриш. — ​В проекте с Радиевым институтом такой задачи пока нет, но при необходимости адаптировать циклотрон не составит труда».

Циклотронное импортозамещение

Похожий ускоритель НИИЭФА в 2020 году изготовил для Института ядерных исследований Таиланда. Но у установки для Радиевого института возможности шире. «Циклотрон в Таиланде имеет максимальный ток 200 мкА. Получить более мощные пучки на нем можно только в коротких промежутках времени, — ​объясняет Юрий Гавриш. — ​В СС‑30/15 ток 400 мкА будет постоянным, регулярным и будет поддерживаться до нескольких суток, потому что этим периодом определяется время наработки наиболее сложных радионуклидов».

В ускорителе для Радиевого института впервые применят роботизированную систему смены мишенных устройств. Это позволит ускорить производство и сделать его компактным. Мишени тоже будут уникальными. «На циклотроне в Таиланде максимальный ток на мишень — ​50 мкА, следовательно, и выделяемое на мишень тепло не превышает 1,5 кВт, — ​продолжает сравнивать Юрий Гавриш. — ​Здесь на мишени мы должны иметь минимум 6 кВт, потому и требования к мишенному узлу совершенно другие, и понадобятся совершенно другие инженерные, технологические решения». Параметры циклотрона обеспечат одновременную работу на двух мишенных устройствах с интенсивностью пучка до 200 мкА на каждую.

За последние годы специалисты НИИЭФА существенно сократили количество импортных комплектующих при производстве циклотронов. «Раньше мы использовали в основном зарубежные компоненты для вакуумной системы, но теперь появились российские, — ​говорит Юрий Гавриш. — ​Прежде всего, омские криогенные насосы, владимирские турбомолекулярные насосы. Полностью отказались от покупки в США или Великобритании высокочастотных генераторов. Теперь делаем их сами». Замещаются и материалы. «Раньше мы заказывали трубку из бескислородной меди для намотки основных катушек циклотрона в Финляндии, сейчас завод во Владикавказе выпускает аналог, ничем не уступающий», — ​подчеркивает Юрий Гавриш. 

Вертикальное преимущество

Помимо России циклотроны на 30 МэВ делают Бельгия, Канада и Япония. «У всех этих установок медианная плоскость расположена горизонтально. Кардинальное отличие СС‑30/15 и неоспоримое преимущество — ​вертикальное расположение, — ​рассказывает Юрий Гавриш. — ​На нашей установке проводить ремонтно-­восстановительные работы удобнее и безопаснее». В циклотронах с горизонтальным расположением поднятое верхнее ярмо образует зазор не более 60 см. Чтобы добраться до центральной области, нужно практически лечь на элементы нижнего ярма. На вертикальном циклотроне два ярма раздвигаются на метр, и человек совершенно спокойно работает, не касаясь радиационно загрязненных элементов.

«Кроме того, мы имеем возможность расположить систему внешней инжекции непосредственно рядом с циклотроном. В зарубежных аналогах она либо над циклотроном, либо под циклотроном, что требует дополнительного приямка, подвального помещения. В нашем случае обслуживание системы внешней инжекции гораздо проще», — ​говорит Юрий Гавриш.

База для развития

С новым циклотроном Радиевый институт обеспечит бесперебойные поставки йода‑123 по всей России, возобновит производство галлия‑67, запустит производство германия‑68 и германийгаллиевых генераторов. Препараты на их основе применяются при сцинтиграфии мозга, исследованиях функции печени и почек, топографии щитовидной железы, диагностике рецидивирующего рака предстательной железы, лимфом и мелкоклеточного рака легких, оценке функционального состояния симпатической нервной системы, сердца и др.

На базе СС‑30/15 в институте собираются создать отраслевой центр циклотронных технологий. В нем будут разрабатывать радиофармпрепараты, изучать изменения физико-химических свой­ств материалов после длительного воздействия пучков нейтронов, заряженных частиц, тяжелых ионов, исследовать радиационную стойкость, в том числе матриц для хранения радиоактивных отходов. «Центр станет уникальной экспериментальной и научно-­производственной базой, — ​уверен гендиректор Радиевого института Константин Вергазов. — ​Уже в этом году мы открыли инвестпроект и находимся в процессе его реализации, в том числе по проектно-­изыскательским работам для подготовки площадки комплекса. Параллельно наши ученые актуализируют и дополняют программы исследований на циклотроне на 2026–2040 годы».

Справка

В циклотроне ускорение тяжелых заряженных частиц происходит по спиральной траектории от центра к периферии. Магнитное поле удерживает их на круговой орбите, а электрическое производит ускорение, последовательно перемещая частицы на более высокие радиусы.

Для производства медицинских радиоизотопов обычно используются нерадиоактивные материалы, которые подвергаются бомбардировке протонами или другими тяжелыми частицами (дейтронами, альфа-­частицами и т. д.). В результате ядерной реакции под действием ускоренного протонного пучка происходит превращение стабильных изотопов в радиоактивные.

Первый в Европе циклотрон был построен в 1937 году в Радиевом институте и служил вплоть до 1950‑х. Большое участие в его создании приняли Дмитрий Ефремов и Евгений Комар — ​будущие директора НИИЭФА. Под их руководством разрабатывались электромагнит, вакуумная камера, система электропитания и другое оборудование.