Guide › Paul Scherrer Institut › Чотири прискорювачі
Чотири прискорювачі PSI
Як працює прискорення
- Електричні поля знову і знову підштовхують заряджені частинки – у кільцевому прискорювачі на кожному оберті, у лінійному прискорювачі в багатьох послідовних секціях.
- Магніти спрямовують частинки по траєкторії або утримують їх на коловій орбіті.
- Щоразу, коли заряджена частинка відхиляється, вона випромінює світло: синхротронне випромінювання. Що швидша (енергійніша) частинка і що сильніше відхилення, то жорсткіше (коротша хвиля) і яскравіше світло – аж до рентгенівського діапазону.
- Протони випромінюють набагато менше, ніж електрони з тією самою енергією, бо вони приблизно в 1836 разів важчі (випромінювання зменшується з четвертим степенем маси). Тому електрони використовують як джерела світла (SLS, SwissFEL), а протони – для отримання інших частинок і для терапії (HIPA, PROSCAN).
HIPA – сильнострумовий прискорювач протонів
Три ступені (Кокрофт–Волтон, циклотрон Injektor 2, кільцевий циклотрон) розганяють протони до 79 % швидкості світла при струмі до 2,4 мА (1,4 МВт) – світовий рекорд для циклотронних установок. Пучок створює нейтрони (SINQ), мюони (SμS) і піони для матеріалознавства та фізики частинок.
Піони та мюони: пучок спершу влучає у два обертових графітових колеса – мішень M (5 мм) і мішень E (40 мм). Там народжуються піони, які розпадаються на мюони. Мюони використовує джерело мюонів SμS, зокрема для μSR-вимірювань (мюони як крихітні зонди магнітного поля в матеріалах). У 1980-х мішені були з берилію; вони не витримували пучка, і з 1990-х їх роблять із графіту. Планується HIMB (High-Intensity Muon Beams) – приблизно в 100 разів більше мюонів.
Ізотопи для медицини: протони HIPA також безпосередньо використовують для виробництва радіоактивних ізотопів; уже сьогодні – на станції опромінення IP2 з частиною пучка 72 МеВ. Для цього будується TATTOOS («Targeted Alpha Tumour Therapy and Other Oncological Solutions») – нова установка, що спрямовує частину пучка 590 МеВ (близько 100 мкА) на танталові мішені. Будівництво та введення в експлуатацію заплановано на 2029–2032 роки спільно з Цюрихським університетом і Університетською лікарнею Цюриха. Першими вироблятимуть ізотопи тербію Tb-149, Tb-152 і Tb-155.
- Tb-149: альфа-терапія (руйнує пухлинні клітини на малій відстані)
- Tb-152: візуалізація ПЕТ
- Tb-155: візуалізація ОФЕКТ (SPECT)
- Tb-161: бета-терапія; уже застосовується в дослідженнях в Університетській лікарні Базеля, але виробляється за допомогою нейтронів поза PSI, а не на HIPA
Ця ідея називається тераностика: той самий елемент спершу допомагає знайти пухлину, а потім прицільно опромінити її зсередини.
Місце: PSI Захід (точну координату в OSM не знайдено, точка приблизна). Джерела: psi.ch – HIPA, psi.ch – Targets, Мезонні мішені (історія берилію), psi.ch – TATTOOS, psi.ch – TATTOOS (IMPACT), psi.ch – Радіофармація (графік), Sci. Rep. 2024 (ізотопи Tb), Kiselev (HIMB)
PROSCAN / COMET – протонна терапія
COMET – надпровідний циклотрон, працює з 2007 року, лише для медицини. Графітовий сповільнювач установлює енергію від 70 до 250 МеВ залежно від глибини пухлини. Лікування проводять на Gantry 2, Gantry 3 та офтальмологічній станції OPTIS2.
Місце: PSI Захід, Центр протонної терапії (OSM «Proton Therapy (WPTA)»). Джерела: Kiselev 2021 (PSI), Cyclotrons 2007
SLS – Swiss Light Source
Накопичувальне кільце завдовжки 288 м. Після модернізації до SLS 2.0 (зупинка з жовтня 2023 року, близько 15 місяців) воно працює при 2,7 ГеВ замість колишніх 2,4 ГеВ, зі світлом приблизно в 100 разів яскравішим. Світло виникає в поворотних магнітах (широкий спектр, наприклад супервідхилювачі) і в ондуляторах – рядах магнітів, що ведуть електрони «слаломом» і створюють дуже яскраве світло на вибраних довжинах хвиль.
Приклади: білкова кристалографія на каналах PXI, PXII і PXIII (структура білків, наприклад для ліків). Томографія на S-TOMCAT та I-TOMCAT (тривимірні рентгенівські знімки з роздільністю кращою за мікрометр).
Джерела: psi.ch – Storage ring, Willmott 2024 – SLS 2.0, psi.ch – TOMCAT
SwissFEL – рентгенівський лазер на вільних електронах
Лінійний прискорювач завдовжки 740 м. Потім електрони проходять крізь довгі ондулятори (Aramis: 12 штук на 60 м) і випромінюють когерентні, подібні до лазерних рентгенівські спалахи тривалістю лише від 1 до 60 фемтосекунд. Aramis (жорсткий рентген) працює при 2,2–6,2 ГеВ (проєкт: макс. 5,8 ГеВ), Athos (м’який рентген) – близько 3 ГеВ.
Місце: у Вюренлінгенському лісі, поруч із територією PSI (східний берег Ааре, громада Вюренлінген). Джерела: psi.ch – SwissFEL, Paraliev 2022
Ці об’єкти є й у GPS-списку на сторінці PSI.