Четыре ускорителя PSI

Как работает ускорение

Электрические поля снова и снова подталкивают заряженные частицы – в кольцевом ускорителе на каждом обороте, в линейном ускорителе во многих последовательных секциях.
Магниты направляют частицы по траектории или удерживают их на круговой орбите.
Каждый раз, когда заряженная частица отклоняется, она испускает свет: синхротронное излучение. Чем быстрее (энергичнее) частица и чем сильнее отклонение, тем жёстче (короче длина волны) и ярче свет – вплоть до рентгеновского диапазона.
Протоны излучают гораздо меньше электронов той же энергии, потому что они примерно в 1836 раз тяжелее (излучение убывает с четвёртой степенью массы). Поэтому электроны используют как источники света (SLS, SwissFEL), а протоны – для получения других частиц и для терапии (HIPA, PROSCAN).

HIPA – сильноточный ускоритель протонов

Протоны 590 МэВ

Три ступени (Кокрофт–Уолтон, циклотрон Injektor 2, кольцевой циклотрон) разгоняют протоны до 79 % скорости света при токе до 2,4 мА (1,4 МВт) – мировой рекорд для циклотронных установок. Пучок создаёт нейтроны (SINQ), мюоны (SμS) и пионы для материаловедения и физики частиц.

Пионы и мюоны: пучок сначала попадает на два вращающихся графитовых колеса – мишень M (5 мм) и мишень E (40 мм). Там рождаются пионы, которые распадаются на мюоны. Мюоны использует источник мюонов SμS, в частности для μSR-измерений (мюоны как крошечные зонды магнитного поля в материалах). В 1980-х мишени были из бериллия; они не выдерживали пучок, и с 1990-х их делают из графита. Планируется HIMB (High-Intensity Muon Beams) – примерно в 100 раз больше мюонов.

Изотопы для медицины: протоны HIPA также напрямую используются для производства радиоактивных изотопов; уже сегодня – на станции облучения IP2 с частью пучка 72 МэВ. Для этого строится TATTOOS («Targeted Alpha Tumour Therapy and Other Oncological Solutions») – новая установка, направляющая часть пучка 590 МэВ (около 100 мкА) на танталовые мишени. Строительство и ввод в эксплуатацию запланированы на 2029–2032 годы совместно с Цюрихским университетом и Университетской больницей Цюриха. Первыми будут производиться изотопы тербия Tb-149, Tb-152 и Tb-155.

Tb-149: альфа-терапия (разрушает опухолевые клетки на малом расстоянии)
Tb-152: визуализация ПЭТ
Tb-155: визуализация ОФЭКТ (SPECT)
Tb-161: бета-терапия; уже применяется в исследованиях в Университетской больнице Базеля, но производится с помощью нейтронов вне PSI, а не на HIPA

Эта идея называется тераностика: один и тот же элемент сначала помогает найти опухоль, а затем прицельно облучить её изнутри.

Место: PSI Запад (точная координата в OSM не найдена, точка приблизительная). Источники: psi.ch – HIPA, psi.ch – Targets, Мезонные мишени (история бериллия), psi.ch – TATTOOS, psi.ch – TATTOOS (IMPACT), psi.ch – Радиофармация (график), Sci. Rep. 2024 (изотопы Tb), Kiselev (HIMB)

PROSCAN / COMET – протонная терапия

Протоны 250 МэВ

COMET – сверхпроводящий циклотрон, работает с 2007 года, только для медицины. Графитовый замедлитель устанавливает энергию от 70 до 250 МэВ в зависимости от глубины опухоли. Лечение проводится на Gantry 2, Gantry 3 и офтальмологической станции OPTIS2.

Место: PSI Запад, Центр протонной терапии (OSM «Proton Therapy (WPTA)»). Источники: Kiselev 2021 (PSI), Cyclotrons 2007

SLS – Swiss Light Source

Электроны 2,7 ГэВ

Накопительное кольцо длиной 288 м. После модернизации до SLS 2.0 (остановка с октября 2023 года, около 15 месяцев) оно работает при 2,7 ГэВ вместо прежних 2,4 ГэВ, со светом примерно в 100 раз ярче. Свет возникает в поворотных магнитах (широкий спектр, например суперотклонители) и в ондуляторах – рядах магнитов, которые ведут электроны «слаломом» и создают очень яркий свет на выбранных длинах волн.

Примеры: белковая кристаллография на каналах PXI, PXII и PXIII (структура белков, например для лекарств). Томография на S-TOMCAT и I-TOMCAT (трёхмерные рентгеновские снимки с разрешением лучше микрометра).

Источники: psi.ch – Storage ring, Willmott 2024 – SLS 2.0, psi.ch – TOMCAT

SwissFEL – рентгеновский лазер на свободных электронах

электроны до ок. 6 ГэВ

Линейный ускоритель длиной 740 м. Затем электроны проходят через длинные ондуляторы (Aramis: 12 штук на 60 м) и испускают когерентные, подобные лазерным рентгеновские вспышки длительностью всего от 1 до 60 фемтосекунд. Aramis (жёсткий рентген) работает при 2,2–6,2 ГэВ (проект: макс. 5,8 ГэВ), Athos (мягкий рентген) – около 3 ГэВ.

Место: в Вюренлингенском лесу, рядом с территорией PSI (восточный берег Аре, коммуна Вюренлинген). Источники: psi.ch – SwissFEL, Paraliev 2022

Эти объекты есть и в GPS-списке на странице PSI.