Первые ускорители заряженных частиц и циклотроны появились в начале 1930-х годов и дали старт производству радиоизотопов (или радионуклидов), что, в свою очередь, положило начало разработке радиофармпрепаратов. Сегодня таковыми принято считать лекарственные препараты, содержащие один или несколько радионуклидов. Они нашли применение в целом ряде медицинских областей — от визуализации различных злокачественных опухолевых образований в ходе проведения позитрон-эмиссионной томографии (ПЭТ) до лечения эндокринных, сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний.

Широко известно использование радиофармпрепаратов именно для диагностики и лечения больных раком. «Человеку в организм вводят фармацевтический препарат, в котором находится радионуклид. Данный препарат может накапливаться в определенных органах, тканях и в особенности новообразованиях, содержащих раковые клетки. В случае диагностики далее с помощью специальной ядерно-физической аппаратуры определяется распределение этого препарата в организме и делается вывод о наличии и характере протекания заболевания. В случае терапии радионуклид, прикрепившись к раковой клетке, своим ядерным излучением способен убить ее, разрушив ДНК», — рассказывает Владимир Иосифович Жеребчевский, ведущий научный сотрудник, доцент, заведующий учебной лабораторией ядерных процессов СПбГУ, один из авторов разработки.

По данным Минздрава РФ, в 2024 году почти 30 тысяч пациентов прошли лечение с помощью радиофармпрепаратов. Они также были применены в ходе почти 1 млн диагностических процедур. И эти цифры будут только увеличиваться вместе с ростом заболеваемости. Так, по данным Минздрава РФ, в 2023 году в России рак впервые диагностировали более чем у 670 тысяч человек. В 2024 году их, к сожалению, уже оказалось более 690 тысяч.

Изобретение физиков СПбГУ способно принести пользу, в том числе помочь увеличить количество и ассортимент нарабатываемых радионуклидов для последующего производства радиофармпрепаратов.

Используемые в настоящее время системы мониторинга и диагностики пучков заряженных частиц на основе сеточных сенсоров имеют ряд недостатков. Цель физиков СПбГУ как раз и заключалась в том, чтобы создать устройство, свободное от недостатков применяемых сегодня на ускорителях сенсорных систем. «Имеющиеся сегодня аналоги заточены под определенную задачу: работать с одним типом частиц в определенном диапазоне энергии. Мы же сделали прибор, который может работать на разных ускорителях, с разным типом частиц и, соответственно, с их разными энергиями», — поясняет Владимир Жеребчевский.

Важное преимущество разработки физиков СПбГУ заключается в ее универсальности. «Наша система мониторинга может применяться для диагностики пучка протонов, дейтронов, альфа-частиц и тяжелых ионов. Мы уже испытали ее на циклотроне в СПбГУ, а сейчас продолжаем цикл испытаний данной системы на пучках протонов и ионов аргона в Физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе на уникальной научной установке „Циклотрон ФТИ имени А. Ф. Иоффе типа У-120 с возможностью ускорения ионов в широком диапазоне энергий“, — рассказывает Владимир Жеребчевский. — Плюс она может работать в широких диапазонах энергий ускоряемых частиц, вплоть до высоких. Проще говоря, ее можно установить в ионопроводе, на выведенном пучке практически любого ускорителя».

Еще одно преимущество заключается в том, что из сенсоров системы мониторинга пучка заряженных частиц можно извлекать коэффициенты вторичной электронной эмиссии материала (испускание электронов с поверхности металлов. — Прим. ред.). «Поэтому наша многосенсорная система может применяться для различного рода научных исследований: не только в области ядерной физики (изучающей взаимодействие излучений с веществом), но и в области материаловедения», — отмечает Владимир Жеребчевский. Он подчеркивает, что многосенсорная система мониторинга заряженных частиц — это в первую очередь научный прибор, но он имеет значительный потенциал и для применения в прикладных областях. «Мы продолжим испытывать и совершенствовать нашу разработку», — заключает физик.

Бесспорным достоинством разработки является ее конструктивная простота, воспроизвести которую несложно. К тому же потребуются материалы, доступные на внутреннем рынке. Опытный образец ученые изготовили и опробовали в лабораторных условиях в СПбГУ.

Сама диагностическая система представляет собой тончайшую сканирующую сетку сенсоров из 16 позолоченных вольфрамовых проволочек толщиной всего 25 мкм (микрон). Для сравнения — это толщина фольги для запекания. Проволочки-сенсоры стоят перпендикулярно пучку заряженных частиц — по 8 вертикальных и 8 горизонтальных с интервалом по 2,5 мм друг от друга. «Нашу систему просто транспортировать и монтировать», — подчеркивает Владимир Жеребчевский и добавляет, что сенсоры могут быть изготовлены и из другого материала.