Лаборатория Сведберга

Лаборатория Сведберга в октябре 2016 г.

Лаборатория Сведберга ^[1] (TSL) — университетское учреждение, расположенное в Уппсале , Швеция . Деятельность TSL базируется на ускорителе частиц циклотроне Густава Вернера .

Основная деятельность — протонная терапия для лечения рака, основанная на соглашении между онкологической клиникой в ​​госпитале университета Уппсалы и университетом Уппсалы . Время пучка, не используемое для протонной терапии, отводится коммерческим проектам нейтронного и протонного облучения, в основном для радиационных испытаний. Также есть некоторое время для фундаментальных (академических) исследований, и в этом случае эксперименты должны быть связаны с университетом Уппсалы или проектами ЕС.

TSL поддерживается Европейским сообществом и входит в проекты ЕС ERINDA, ^[2] SkyFlash ^[3] и CHANDA. ^[4]

История

Теодор Сведберг (1884–1971), профессор физической химии в Уппсальском университете с 1912 по 1949 год, был удостоен Нобелевской премии по химии в 1926 году ^[5] за исследования дисперсных систем (коллоидных растворов). Он изобрел ультрацентрифугу , которая использовалась при открытии того, что белки состоят из макромолекул.

К концу 1930-х годов Сведберг и его коллеги построили свой первый ускоритель — нейтронный генератор . В 1945 году пожертвование от корпорации Gustaf Werner дало возможность построить гораздо более крупный ускоритель — синхроциклотрон. Институт Gustaf Werner с синхроциклотроном в качестве основного исследовательского инструмента был основан в 1949 году и продолжал служить базой для исследований в области физики высоких энергий и радиационной биологии до 1986 года, когда была создана лаборатория Svedberg.

Интенсивные дискуссии относительно типа и размера ускорителей, которые должны были быть в распоряжении шведских исследователей в области ядерной и физики высоких энергий, состоялись в начале 1980-х годов. Одним из результатов этого процесса стало решение о переносе магнитов так называемого ICE-кольца (Initial Cooling Experiment) из ЦЕРНа в Уппсалу. Ускорительное кольцо было перестроено в охладитель и накопительное кольцо и получило аббревиатуру CELSIUS (Cooling with ELectrons and Storing of Ions from the Uppsala Synchrocyclotron).

С 1994 по 2004 год лаборатория Сведберга была национальным исследовательским учреждением, финансируемым в значительной степени Шведским советом по естественным наукам ( Swedish Research Council ). Она была открыта для исследовательских групп из университетов и институтов Швеции и из-за рубежа. Лаборатория имела набранный на национальном уровне совет и международный консультативный комитет программы, который давал рекомендации относительно исследовательской программы, рассматривая предложения от групп пользователей. Университет Уппсалы выступал в качестве принимающей стороны лаборатории.

В 2004 году TSL была преобразована из национальной лаборатории в университетский объект, и новые инструкции для лаборатории вступили в силу 1 июля 2004 года. Основная деятельность TSL основана на соглашении между университетской больницей Уппсалы и университетом Уппсалы о продолжении протонной терапии . Время пучка, не используемое для протонной терапии, отводится коммерческим проектам по нейтронному и протонному облучению. Еще есть время для фундаментальных (академических) исследований, и в этом случае эксперименты должны быть связаны с университетом Уппсалы или с проектами ЕС.

Протонная терапия

Протонный пучок, извлекаемый из циклотрона, может иметь исключительные преимущества при лечении некоторых злокачественных опухолей человека и некоторых других заболеваний, при которых традиционная лучевая терапия или хирургия невозможны. Глубинное распределение дозы с пиком Брэгга и относительно острой полутенью позволяет концентрировать излучение на целевом объеме и минимизировать дозу для нормальной ткани, окружающей цель. Облучение протонным пучком может привести к излечению или уменьшению опухолевой нагрузки в случаях, когда другие методы лечения неэффективны. Все пациенты тщательно обследуются с помощью компьютерной томографии и/или магнитно-резонансной томографии для получения подробных сведений о положении и размере опухоли. В некоторых случаях будут использоваться ангиография и позитронно-эмиссионная томография . Перед лечением проводится тщательное планирование лучевой терапии для обеспечения оптимального распределения дозы. Виды лечения:

• Меланомы глаза. Первый пациент был пролечен в апреле 1989 года модифицированным пучком 72 МэВ до 54,5 Гр в 4 фракции с использованием техники одного поля.
• Артериовенозная мальформация (АВМ) головного мозга. Первый пациент с поверхностно расположенными неоперабельными АВМ был пролечен в апреле 1991 года модифицированным пучком 100 МэВ с использованием двух порталов с общей дозой 20 Гр за две фракции.
• Терапия протонными пучками у пациентов с увеальными меланомами и менингеомами головного мозга.
• Протонная лучевая терапия как дополнение к фотонной лучевой терапии у пациентов со злокачественными опухолями.
• Злокачественные глиомы. Пациенты с астроцитомами III и IV степени прошли курс облучения фотонами и протонами.
• Менингиомы головного мозга. Пациенты с частично резецированными менингиомами головного мозга I степени по классификации ВОЗ проходят лечение с 1994 года. Лечение обычно проводится четырьмя фракциями с общей дозой 24 Гр.
• Опухоли в области головы и шеи, опухоли в основании черепа и аденомы в гипофизе. Большинство пациентов получили комбинированную терапию фотонами и протонами.
• Первый пациент с раком простаты был пролечен в конце 2002 года с помощью 180 МэВ. Для этой цели была построена специальная кушетка/платформа (см. рисунок выше).
• В 2008 году Barncancerfonden (Шведский фонд борьбы с детским раком ^[6] ) профинансировал создание регулируемой лечебной кушетки, адаптированной для лежачих пациентов (см. рисунок выше), а также настройку программного обеспечения, используемого для лечения.

В июне 2015 года больница Университета Уппсалы завершит лечение в TSL и переедет в Skandion ^[7] , новую специализированную клинику протонной терапии в Уппсале, Швеция.

Облучательные установки для радиационных испытаний

В TSL имеются установки с пучками частиц высокой энергии для различных целей. Пользователи в основном используют их для проверки надежности электронного оборудования под воздействием радиации, ускоренных испытаний на радиацию. Также были замечены другие применения, такие как биомедицинские исследования, материаловедение и производство фильтров и т. д.

Доступны следующие удобства:

ANITA, установка нейтронного пучка белого спектра

Имитирует нейтронное поле, вызванное космическими лучами . Разработано для тестирования эффектов единичных событий/коэффициента мягких ошибок.

• Нейтронный пучок со спектром, напоминающим спектр в атмосфере Земли
• Высокий поток нейтронов, до 10^7/см^2/с, и, следовательно, высокий коэффициент ускорения
• Изменяемый размер и форма светового потока, пятна луча в соответствии с требованиями пользователя
• Просторная зона пользователя, > 50 м2

QMN, установка квазимоноэнергетического нейтронного пучка

Позволяет изучать энергетическую зависимость нейтронно-индуцированных эффектов в электронике.

• Выбираемая энергия нейтронов в диапазоне 20-175 МэВ
• Переменный поток, до 3*10^8 нейтронов в секунду по площади пучка
• Изменяемый размер пятна луча
• Просторная пользовательская зона, > 50 м2, где можно разместить довольно крупногабаритное оборудование для испытаний.

ПАУЛА, установка протонного пучка

Для испытаний на воздействие единичных событий и общую дозу ионизации

• Выбираемая энергия протонов в диапазоне 20-180 МэВ
• Высокий, переменный поток протонов
• Изменяемый, равномерный размер пятна луча

Установка тяжелых ионов

В течение многих лет циклотрон поставлял тяжелые ионы для исследовательских и промышленных проектов. Затем циклотрон использовал внешний источник ионов, ECRIS, для предварительного ускорения тяжелых ионов.

Технический обзор

Ускоритель частиц

Циклотрон Густава Вернера в лаборатории Сведберга, Уппсальский университет, Уппсала, Швеция.

Название машины: Циклотрон Густава Вернера

История Машина была спроектирована и построена собственными силами в 1946–51 годах, первая балка была изготовлена ​​в 1951 году. Затем машина была перестроена в 1977–86 годах, первая балка была изготовлена ​​в 1986 году.

Характеристика пучков, выходящих из машины: ионы / энергия (МэВ/Н) / ток (имп/с)

• стр 178 3×10^12
• стр 98 4×10^13
• 14N7+ 45 2×10^10
• 129Xe27+ 8,33 1×10^9

Установка вторичного пучка: нейтроны через реакцию 7Li(p,n)

• n 20-175 (1-3)×10^5 на см2

Эффективность передачи (от источника к извлеченному лучу)

• Типично (%): 5
• Лучший (%):

Технические данные (a) Магнит (№ 1 на рисунке)

• Тип: компактный
• Кб (МэВ): 192
• Кф (МэВ):
• Среднее поле (макс./мин. Т): 1,75/0,6
• Количество секторов: 3
• Угловая ширина холма (град.): варьируется
• Спираль (град.): 55
• Диаметр столба (м): 2,8
• Радиус впрыска (м): 0,019
• Радиус извлечения (м): 1,175
• Разрыв между холмами (м): 0,2
• Просвет в долине (м): 0,38

Катушки обрезки

• Номер: 13
• Максимальный ток (А-витки): около 5000

Гармонические катушки

• Количество: 2 комплекта по 3 катушки
• Максимальный ток (А-витки): около 8000

Главные катушки

• Номер: 2
• Общее количество ампер-витков: 814000
• Максимальный ток (А): 1000
• Сохраненная энергия (МДж): 9
• Общий вес железа (тонн): 600
• Общий вес рулона (тонн): 50

Власть

• Основные катушки (общая мощность кВт): 275
• Катушки дифферента (всего, максимум, кВт): 70
• Холодильник (криогенный, кВт):

(b)RF (№ 3 на рисунке) Ускорение

• Диапазон частот (МГц): 12,3 – 24,0
• Гармонические режимы: 1,2,3
• Количество Дью: 2
• Количество полостей:
• Угловая ширина ди (град.):72-42

Напряжение

• При инжекции (пик относительно земли, кВ):
• При извлечении (пик-сигнал относительно земли, кВ):
• Пик (пик-земля, кВ): 50
• Мощность линии (макс., кВт): 280
• Стабильность фазы (град.): ±0,5
• Стабильность напряжения (%): ±0,1

(c)Инъекция

• Источник ионов: внутренний PIG (№ 2 на рисунке), внешний ECR (нет на рисунке)
• Напряжение смещения источника (кВ): 20
• Внешний впрыск: аксиальный
• Тип пакетировщика: h=1 двойной зазор
• Энергия инжекции (МэВ/н):
• Компонент: спиральные инфлекторы
• Эффективность впрыска (%): 5 - 10
• Инжектор:

(d) Элементы экстракции , характеристика

• Изохронный режим: прецессионное извлечение

Эл. статическое напр. 65 кВ, апертура 5 мм, перегородка 0,5 мм, Эл. магн. канал 4,7 кА, перегородка 5 мм, пассивный фокусирующий канал

• Режим синхроциклотрона: регенеративная экстракция То же самое плюс

Пассивный очиститель, регенератор Типичная эффективность (%): 50 Лучшая эффективность (%): 80

(e) Вакуумные (№ 4 на рисунке) насосы:

• 2 Диффузионный насос для основного вакуума в баке,
• 1 диффузионный насос для промежуточного вакуума,
• 2 ловушки Мейснера

Достигаемый вакуум: 10-5 Па (10-7 мбар)

Линии луча

В TSL есть несколько линий пучка: A-линия использовалась для производства нуклидов, не использовалась в течение нескольких лет, но находится в рабочем состоянии. B-линия обычно используется для доставки протонного пучка для испытаний на облучение. C-линия используется для биомедицинских исследований с различными тяжелыми ионами. D-линия обычно используется для доставки протонного пучка для производства нейтронных пучков для испытаний на облучение. G-линия обычно используется для доставки протонного пучка для протонной терапии .

Руководители лабораторий

• Арне Йоханссон, почетный профессор, 1986–1992 гг.
• Лейф Нильссон, почетный профессор, 1993–1998 гг.
• Курт Экстрем, почетный профессор, 1998–2008 гг.
• Бьёрн Голнандер, доктор философии, 2008–2015 гг.

Scanditronix AB

Компания Scanditronix AB, которая позже была приобретена General Electric Healthcare в 1991 году, проектирует циклотроны частично на основе исследований TSL. ^{[8] [9]}

Ссылки

1. Главная страница лаборатории Сведберга. Получено в феврале 2015 г.
2. ERINDA Получено в феврале 2015 г.
3. SkyFLASH Получено в феврале 2015 г.
4. CHANDA Получено в феврале 2015 г.
5. Нобелевская премия. Получено в феврале 2015 г.
6. Шведский фонд борьбы с детским раком. Получено в феврале 2015 г.
7. SKANDION Получено в феврале 2015 г.
8. Андерберг, Б. "Scanditronix accelerator technology". CAS - CERN Accelerator School Вторая общая школа физики ускорителей . CERN. doi :10.5170/CERN-1987-010.318 . Получено 25.11.2023 .
9. "GE присоединяется к толпе с детским циклотроном". Диагностическая визуализация . 1991-08-14 . Получено 2023-11-25 .

59°51′13″N 17°37′31″E / 59.8537°N 17.6254°E / 59.8537; 17.6254