УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ — устройства для получения пучков заряженных частиц высоких энергий (электронов, протонов, атомных ядер и ионов легких химических элементов) при взаимодействии с электромагнитныхм полем в вакуумной камере.

Созданные в 30-х гг. 20 в. для исследований в области ядерной физики, У. з. ч. нашли применение также и в других отраслях науки (в т. ч. радиационной химии, биофизике), в промышленности (для дефектоскопии толстостенных изделий, радиационной обработки различных материалов), в медицине (для лучевой терапии злокачественных опухолей, стерилизации мед. изделий и материалов) и др.

По типу ускоряемых частиц различают ускорители электронов и ускорители тяжелых частиц (протонов и др.). Пучок ускоренных заряженных частиц можно выводить из У. з. ч. для непосредственного использования или предварительно осуществлять его торможение на внутренней мишени, в результате чего генерируется пучок вторичного тормозного излучения (см.), нейтронов, мезонов (генераторы нейтронов), фотонов. В зависимости от формы траектории ускоряемых частиц У. з. ч. делят на линейные, в к-рых траектория частиц близка к прямой линии, и циклические, в к-рых ускоряемые частицы движутся по траекториям, близким к окружности или спирали. По характеру ускоряющего электромагнитного поля У. з. ч. делят на резонансные и нерезонансные. В резонансных У. з. ч. ускорение производится переменным высокочастотным электромагнитным полем, причем движение ускоряемых частиц происходит в среднем синхронно (в резонанс) с изменением ускоряющего высокочастотного поля. Резонансными циклическими ускорителями тяжелых частиц (протонов и др.) и ионов являются циклотрон, фазотрон (синхроциклотрон) и синхрофазотрон, а электронов — синхротрон и микротрон. В нерезонансных У. з. ч. используется неизменное по направлению электростатическое поле (высоковольтные линейные ускорители) или вихревое электрическое поле (бетатроны).

У. з. ч. обладают рядом особенностей, к-рые позволяют использовать их в медицине: плавное изменение в широких пределах энергии и интенсивности излучения; управление потоком излучения с помощью электромагнитных линз и устройств сканирования, что позволяет создавать поля облучения любой конфигурации размерами от нескольких миллиметров до десятков сантиметров (см. Рентгеновское излучение) и реже — электронного (см. Ионизирующие излучения, Электронное излучение). Максимальная энергия для этих видов излучений до 50 Мэв, однако в последнее время считается достаточной максимальная энергия 20 Мэв.

Для лучевой терапии (см.) наиболее широко применяются высоковольтные и электронные линейные ускорители. Высоковольтные линейные ускорители (генераторы Ван-де-Грдафа) обеспечивают ускорение электронов и ионов до энергии 5 Мэв, они отличаются высокой стабильностью энергии и монохроматичностью ускоренных частиц (относительный разброс энергии 0,01— 0,1%). Линейные ускорители с энергией 100—200 кэв используют для получения нейтронных пучков (см. Нейтронное излучение) облучением ускоренными ионами дейтерия мишеней, содержащих тритий. Для дистанционной нейтронной терапии (см.) применяют пучки с энергией в среднем 7 —15 Мэв; изучается возможность применения сверхбыстрых нейтронов с энергией св. 20 Мэв. Электронные линейные ускорители — резонансные ускорители с бегущей волной. Их основной частью является диафрагмированный волновод, в к-ром с помощью мощного высокочастотного генератора возбуждается бегущая волна с составляющей электрического поля, направленной вдоль оси волновода. Инжектируемые в волновод электроны ускоряются электрическим полем бегущей волны. Основные достоинства электронных линейных ускорителей — простота ввода и вывода ускоряемых частиц и отсутствие громоздкой магнитной системы. Однако они имеют достаточно сложную высокочастотную систему. В медицине используются электронные линейные ускорители с энергией 15—35 Мэв. Из циклических нерезонансных У. з. ч. в медицине нашел применение бетатрон, в к-ром ускорение электронов осуществляется вихревым электрическим полем, создаваемым переменным магнитным потоком. Наиболее распространены бетатроны с энергией ускоренных электронов, не превышающей 50 Мэв. Перспективно использование в медицине микротрона — циклического резонансного ускорителя электронов с переменной кратностью ускорения. Электроны в микротроне ускоряются в вакуумной камере в однородном и постоянном во времени магнитном поле, многократно проходя ускоряющий резонатор, в к-ром с помощью мощного высокочастотного генератора возбуждается ускоряющее электрическое поле постоянной частоты. Микротрон является компактным и эффективным ускорителем электронов в диапазоне энергий от 5 до 50 Мэв.

Для лучевой терапии и лучевой диагностики используют также протонные пучки с энергией 50— 250 Мэв и более (см. Протонная терапия), получаемые на больших физических ускорителях (фазотронах, циклотронах, синхрофазотронах). Считается перспективным создание специализированных протонных мед. ускорителей для генерирования пучков протонов (см. Стерилизация).

К У. з. ч., применяемым в медицине, предъявляются следующие требования: они должны быть высоко надежны, просты и удобны в обслуживании, обладать хорошей воспроизводимостью параметров при повторных включениях.

Гигиена труда

Работа на У. з. ч. связана с возможностью воздействия на персонал комплекса проф. факторов радиационной и нерадиационной природы. Состав и соотношение различных компонентов ионизирующих излучений, пространственное распределение потоков зависит от назначения и конструкции У. з. ч., здания, в к-ром он размещен, размеров и конфигурации средств специальной защиты. Основной пучок излучения (протоны, электроны) резко ограничен в пространстве; при взаимодействии его со специальными мишенями или элементами конструкции У. з. ч. формируется поле вторичных излучений, а при прохождении через массивы технологических и строительных конструкций создаются поля излучения третьего порядка. Наличие защитных устройств приводит к поглощению излучений, а также к деформации их начального спектра и углового распределения. На ускорителях тяжелых частиц (протонов и др.) в процессе ядерных реакций, кроме высокоэнергетических нуклонов, образуются И±- и П°-мезоны, К±- и К°-мезоны и гипероны с энергией от долей электрон-вольта до энергии, сравнимой с максимальной энергией ускоренных протонов. Основной вклад в эквивалентную дозу за защитой составляют частицы высоких энергий (>20 Мэв) и быстрые нейтроны. Так, при работе синхрофазотрона на 10 Гэв за пределами защиты 35— 50% суммарной эквивалентной дозы составляют нуклоны и я-мезоны высоких энергий, 40—55% быстрые нейтроны, а остальное — медленные нейтроны и у-кванты. Вокруг ускорителей электронов потоки нейтронов незначительны.

Под влиянием излучения активируются металлические детали и конструкции У. з. ч. (возникает так наз. наведенная активность), вследствие чего при проведении ремонтных работ эти детали и конструкции становятся источниками бета- и гамма-излучения, загрязнения рук и одежды радионуклидами. В зоне ускорителя вследствие активации воздуха образуются короткоживущие нуклиды 150, 13N, ПС, 41 Аг.

Ионизирующие излучения, образующиеся при работе У. з. ч., имеют высокую биол. эффективность. Протоны высоких энергий при воздействии на биол. системы приводят к развитию лучевых реакций, к-рые по направленности, характеру, срокам развития тождественны эффектам, возникающим под влиянием гамма-излучения (см.). Действие на биол. объекты ускоренных ионов гелия, бора, углерода и неона приводит к развитию в них более выраженных эффектов, значительно превышающих эффекты от воздействия у-излучения. На современных У. з. ч. уровни облучения персонала значительно ниже допустимых значений. К нерадиационным факторам проф. воздействия относятся: постоянное магнитное поле (см.), а также Азот), образующиеся вследствие ионизации воздуха.

Обеспечение безопасных условий труда достигается отделением мест постоянного пребывания персонала от помещений, где расположены У. з. ч., мощными бетонными стенами, применением земляной обваловки помещений. В экспериментальных залах предусматриваются сборно-разборные защитные устройства. Двери в помещение, где размещены У. з. ч., снабжаются системой блокировки, звуковой и световой сигнализацией для предупреждения захода персонала в помещение во время работы У. з. ч. Вход в помещение разрешается только после включения специальной вентиляции, а ремонтные и другие работы с активированными деталями и мишенями — после снижения их активности.

За работой У. з. ч. осуществляется постоянный Медицинский осмотр).

См. также Радиационная безопасность.

Библиогр.: Глухих В. А. Ускорители заряженных частиц для промышленности и медицины, Л., 1977; Дозиметрический и радиометрический контроль при работе с радиоактивными веществами и источниками ионизирующих излучений, под ред. В. И. Гришмановского, т. 2, с. 9, М., 1981; Капица С. П. и Мелехин В. Н. Микротрон, М., 1969; Князев В. А. и др. Радиационная безопасность на ускорителях протонов высокой энергии, Атомная энергия, т. 27, в. 3, с. 210, 1969; Хараджа Ф. Н. Общий курс рентгенотехники, М.— Л., 1966.

С. Ф. Жулинский; Г. М. Пархоменко (гиг. труда).