Ο μικροσκοπικός επιταχυντής
Η εικόνα που έχουν οι περισσότεροι άνθρωποι του CERN είναι οι τεράστιοι επιταχυντές και η ικανότητά τους να επιταχύνουν τα σωματίδια σε εξαιρετικά υψηλές ενέργειες. Όμως, χάρη σε ορισμένες πρωτοποριακές μελέτες σχετικά με τη δυναμική της δέσμης και την τεχνολογία ραδιοσυχνοτήτων, μαζί με καινοτόμες τεχνικές κατασκευής, οι ομάδες του CERN δημιούργησαν τώρα την πρώτη ενότητα ενός ολοκαίνουργιου επιταχυντή, ο οποίος θα έχει μήκος μόλις 2 μέτρα. Οι πιθανές χρήσεις αυτού του μικροσκοπικού επιταχυντή θα περιλαμβάνουν ανάπτυξη σε νοσοκομεία για την παραγωγή ιατρικών ισοτόπων και τη θεραπεία του καρκίνου. Είναι μια πραγματική ιστορία του David-and-Goliath.
Ο μικροσκοπικός επιταχυντής αποτελείται από ένα τετραπολικό ραδιοσυχνότητας (RFQ), ένα στοιχείο που βρίσκεται στην αρχή όλων των αλυσίδων επιταχυντών πρωτονίων σε όλο τον κόσμο, από το μικρότερο έως το μεγαλύτερο. Ο LHC έχει σχεδιαστεί για να παράγει ακτίνες πολύ υψηλής έντασης με πολύ υψηλή ενέργεια, αλλά ο μικρός αδελφός του είναι ικανοποιημένος να παράγει δέσμες σε χαμηλές ταχύτητες, που περιέχουν σωματίδια τα οποία, αφού ταξιδεύουν δύο μέτρα, έχουν ενέργεια 5 MeV. «Όταν αναλάβαμε την πρόκληση να δημιουργήσουμε τον πρώτο συμπιεστή υψηλής συχνότητας RFQ accelerator, με την υποστήριξη του Γραφείου Ιατρικών Εφαρμογών CERN, γνωρίζαμε ότι η τεχνολογία ήταν στη διάθεσή μας μετά από όλα τα χρόνια που είχαμε περάσει αναπτύσσοντας καινοτόμες λύσεις για το Linac4 , “εξηγεί ο Maurizio Vretenar, επικεφαλής του έργου Linac4 και συντονιστής του μικρού επιταχυντή.
Από την αρχή, ο μικρός επιταχυντής σχεδιάστηκε για να είναι αρθρωτός, συμπαγής και φθηνότερος από τους μεγάλους αδελφούς του. «Πραγματοποιήσαμε μελέτες σκοπιμότητας και δυναμικής δέσμης για αρκετούς μήνες», προσθέτει η Alessandra Lombardi από το τμήμα BE, ο οποίος είναι υπεύθυνος για το σχεδιασμό του RFQ. «Το σημείο εκκίνησης ήταν η ιδέα της αύξησης της συχνότητας λειτουργίας κατά έναν συντελεστή 2 σε σύγκριση με τα πιο πρόσφατα RFQ, τα οποία θα μας επέτρεπαν να μειώσουμε τις διαστάσεις αναλογικά. Αλλά μια τέτοια συχνότητα δεν είχε επιτευχθεί ποτέ πριν και έθεσε μια σειρά από νέες προκλήσεις. Στην αρχή φαινόταν αδύνατο, αλλά τελικά, χάρη στη νέα δυναμική της δέσμης και τις καινοτόμες ιδέες για τη ραδιοσυχνότητα και τις μηχανικές πτυχές, καταλήξαμε σε έναν σχεδιασμό επιταχυντή που ήταν πολύ καλύτερα προσαρμοσμένος στις πρακτικές απαιτήσεις των ιατρικών εφαρμογών. “
Τα RFQ που χρησιμοποιούνται για τη φυσική έχουν σχεδιαστεί για να παράγουν δέσμες υψηλής έντασης, αλλά αυτό το “mini-RFQ” είναι σε θέση να παράγει δέσμες χαμηλής έντασης μόνο μερικών microamps που είναι σταθερές δέσμες (χωρίς σημαντικές απώλειες) και ομαδοποιούνται σε συχνότητα 750 MHz. Αυτές οι προδιαγραφές καθιστούν το “mini-RFQ” έναν τέλειο εγχυτήρα για τη νέα γενιά συμπαγών γραμμικών επιταχυντών υψηλής συχνότητας που χρησιμοποιούνται για τη θεραπεία του καρκίνου με σωματίδια (θεραπεία αδρονίου). Επιπλέον, το μικρό του μέγεθος αμφισβητεί την αξιοσημείωτη ισχύ του: το “mini-RFQ” επιταχύνει τις δέσμες σε ενέργεια 2,5 MeV ανά μέτρο, σε σύγκριση με λιγότερο από ένα MeV ανά μέτρο για ένα κλασικό RFQ.
Η κατασκευή της πρώτης από τις τέσσερις μονάδες μήκους 50 cm που θα αποτελέσουν τον τελικό επιταχυντή ολοκληρώθηκε με επιτυχία στα εργαστήρια του CERN και σε λίγους μήνες οι ομάδες θα μπορούν να δοκιμάσουν όλες τις ενότητες μαζί. «Με αυτήν την πρώτη ενότητα, έχουμε επικυρώσει όλα τα στάδια κατασκευής και γενικά την ιδέα», εξηγεί ο Serge Mathot του τμήματος EN, ο οποίος είναι υπεύθυνος για την κατασκευή του «mini-RFQ». «Αρχικά, αρκετά στάδια στη διαδικασία κατασκευής φαινόταν πολύ δύσκολο, αλλά χάρη στην εμπειρία που αποκτήσαμε από τη συγκόλληση των κοιλοτήτων για το Linac4 και με τις δεξιότητες των τεχνικών ομάδων του CERN, καταφέραμε τελικά να επιτύχουμε εξαιρετικά αποτελέσματα, ακόμη και όταν αντιμετωπίζαμε με μια νέα τεχνολογική πρόκληση. “
Οι εφαρμογές αυτού του μικροσκοπικού επιταχυντή υψηλής τεχνολογίας υπερβαίνουν κατά πολύ τη χρήση του ως εγχυτήρα για θεραπεία αδρονίου. Χάρη στο μικρό του μέγεθος και το μικρό βάρος του, το “mini-RFQ” θα μπορούσε να γίνει το βασικό στοιχείο ενός συστήματος ικανό να παράγει ραδιενεργά ισότοπα επί τόπου σε νοσοκομεία για χρήση στην ιατρική απεικόνιση. Αυτό θα μπορούσε να αποφύγει επιπλοκές που σχετίζονται με τη μεταφορά ραδιενεργού υλικού και θα μπορούσε επίσης να διευρύνει το φάσμα των ισοτόπων που παράγονται για το σκοπό αυτό. Μικρό αλλά ισχυρό και με πολλές πιθανές χρήσεις, το “mini-RFQ” θα είναι επίσης ικανό να επιταχύνει τα σωματίδια άλφα για προηγμένες τεχνικές ακτινοθεραπείας, τις οποίες πολλοί θεωρούν ότι είναι τα νέα σύνορα στη θεραπεία του καρκίνου. Και, για να τελειώσει με μια ελαφρύτερη νότα, το μικρό του μέγεθος σημαίνει ότι κατ ‘αρχήν μπορεί να μεταφερθεί αρκετά εύκολα,
Η συναρμολόγηση των τεσσάρων ενοτήτων έχει προγραμματιστεί για τις αρχές του επόμενου έτους.