книги / СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в медицине, науке и технике

в качестве обычных катализаторов, роль которых вы­ полняла бы энергия пучка. Применение облучения в ка­ честве катализатора экономически оправдано только в отдельных случаях, когда необходим максимально жест­ кий контроль за ходом процесса.

Г. Биология. Важную область исследований представ­ ляет проблема биологического действия излучения. Ос­ новной вопрос состоит в том, каково соотношение между интенсивностью излучения и долей поражаемых им кле­ ток в организме.

Организм человека отличается высокой чувствитель­ ностью к действию излучения. 1 рад эквивалентен энер­ гии 10 мквт-сек на 1 з вещества. При общей дозе облуче­ ния 400 рад в течение 3 недель летальный исход наблю­ дается в 50% случаев. Ей соответствует энергия, доста­ точная для повышения температуры тела на 0,001 °С и появления в среднем одного иона на 100 млн. молекул, т. е. млн. ионов на клетку. Наиболее чувствительной частью клетки является ядро, и в первую очередь находя­ щаяся в нем дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), из которой состоят гены. Молекулярный вес ДНК дости­ гает 1 -10°. Ее молекулы служат матрицами для синтеза новых таких же молекул и обеспечивают передачу гене­ тической информации при клеточном делении. Ионы, свободные радикалы и некоторые химические яды (на­ пример, перекись водорода), образующиеся при прохож­ дении потока излучения сквозь ядро клетки, могут вы­ зывать деполимеризацию ДНК* Когда затем такая по­ врежденная клетка делится, то могут возникнуть либо аномальные, либо совершенно нежизнеспособные дочер­ ние клетки.

В радиобиологических исследованиях электронный СВЧ-ускоритель используется в качестве источника элек­ тронных, рентгеновских и нейтронных пучков, применяю­ щихся для изучения описанных выше процессов в клетке. Кроме того, пучок рентгеновских лучей можно исполь­ зовать для получения нейтронодефицитных изотопов. Так как такие изотопы создаются локально, они могут иметь короткие периоды полураспада и соответственно высокую активность, что позволяет обнаружить их, не прибегая к чрезмерному облучению всего ’^ела.

V. Применение в медицине

Вскоре после открытия рентгеновских лучей было испытано действие их на опухоли. Спустя десятилетия рентгеновские установки на 250 кв получили широкое применение в онкологии. Однако для лечения глубоко расположенных опухолей необходимы более жесткие рент­ геновские лучи, применение которых позволяет избе­ жать лучевого поражения окружающих опухоль здо­ ровых тканей и кожи. С появлением ядерных реакторов, предназначенных для военных целей, онкологи получи­ ли в свое распоряжение радиоактивный кобальт (Со60), испускающий гамма-лучи с энергией 1,1 и 1,3 Мэе. Те­ перь кобальт в основном заменил рентгеновские установ­ ки на 250 кв при лечении глубоко расположенных опу­ холей. Активность Со00 падает каждый год на 13%, по­ этому после 3—4 лет работы его обычно меняют.

В настоящее время для лечения злокачественных опу­ холей все шире используют электронные СВЧ-ускорите- ли с энергией ~ 6 Мэе. Они имеют некоторые преимуще­ ства по сравнению с Со60, так как обладают более высокой и постоянной интенсивностью, пучок имеет большую проникающую способность и гораздо более четко ограни­ ченное поле действия рентгеновских лучей, так как диа­ метр сфокусированного на рентгеновскую мишень пучка электронов много меньше, чем диаметр образца радио­ активного кобальта. Этиже установки дают электронный пучок с энергией 4—8 Мэе для непосредственного лечения поверхностных опухолей. Преимуществом этого способа является то, что электроны воздействуют на ограничен­ ную область и не повреждают здоровые ткани. Именно поэтому целесообразно использовать электроны с боль­ шими энергиями (свыше 35 Мэе) для лечения глубоко расположенных опухолей. Уже в течение многих лет' несколько электронных СВЧ-ускорителей с энергией до 70 Мэе применяются для непосредственного облучения электронами, а в настоящее время промышленность раз­ рабатывает стандартные установки с энергией 35 Мэе.

Общая доза на опухоль составляет обычно 6000 рад. Облучение производится дробными дозами: в течение 20 дней по 300 рад в день. К такому фракционированию

ская установка иа 6 Мэе для облучения с разных точек может поворачиваться на 360°.

Все опухолевые ткани, как правило, находятся в со­ стоянии аноксии (отсутствует свободный кислород); причина этого состоит в том, что кровоснабжение «не успевает» за ростом опухоли. В тканях, получающих до­ статочное количество кислорода, при воздействии элек­ тронов и рентгеновских лучей большая часть клеток гиб­ нет в результате химического повреждения перекисями макромолекул, находящихся в ядре клетки. В условиях аноксии перекиси не так легко возникают при облуче­ нии. Такие клеткипогибают при дозе в 2,7 раза выше той, которая убивает нормальные клетки окружающей ткани. Если бы удалось найти способ убивать находя­ щиеся в состоянии аноксии опухолевые клетки, не под­ вергая чрезмерному облучению окружающие нормальные ткани, можно было бы значительно повысить эффектив­ ность лучевой терапии опухолей. Это не решило бы проб­ лемы отдаленных метастазов, но снизило бы частоту ре­ цидивов опухоли.

Клетки, облученные такими сильно ионизованными тяжелыми частицами, как протоны с энергией менее 2 Мэе и альфа-частицы с энергией меньше 5 Мэе, поги­ бают, во-первых, непосредственно из-за процесса деполи­ меризации макромолекул и уже, во-вторых, из-за хими­ ческого воздействия перекисей. Таким образом, эти ча­ стицы убивают в равной мере и клетки, находящиеся в состоянии аноксии, и клетки, получающие достаточное количество кислорода. Так как для требуемой интенсив­ ной ионизации энергия этих частиц должна быть низкой, проникающая способность их не достаточна для того, чтобы посылать их из внешнего источника, — они должны возникать внутри самой опухоли. Один из методов со­ стоит в облучении пучком нейтронов с энергией около 7 М эе. Нейтроны выбивают протоны, обладающие высо­ кой ионизирующей способностью. Однако их доза резче падает с глубиной, чем доза рентгеновского излучения, поэтому рентгеновское излучение при лечении наиболее глубоко расположенных опухолей имеет преимущества. Другой метод основан на облучении пучком я-частиц. я-частицы позволяют получить ограниченное поле облу­

чения, так как при правильном выборе их энергии они могут быть поглощены в объеме опухоли при очень малой дозе облучения окружающих тканей. Остановленная я- частица поглощается ядром (73% частиц захватываются в ткани ядрами кислорода). Масса покоя я-частиц с энергией 140 Мэе передается ядру, расщепляя его. По­ лучающиеся в результате расщепления частицы обладают высокой ионизирующей способностью. Таким образом, пучок тс-частиц обладает двойным преимуществом. Он убивает испытывающие кислородное голодание клетки опухоли. При этом насыщенные кислородом клетки здо­ ровых тканей не подвергаются чрезмерному облучению. В результате вся доза может быть сконцентрирована в опухоли, а на окружающие ткани воздействие будет минимальным. В разд. III описаны методы превращения электронных пучков в пучки нейтронов и л-частиц. В бу­ дущем, возможно, появятся электронные СВЧ-ускорите- ли для терапии рака такими методами.

VI. Промышленные применения

А. Стерилизация медицинского инструмента и мате­ риалов. Стерилизация облучением является более доро­ гим способом, чем обычные, и оправдана только в том случае, когда из нее можно извлечь побочные выгоды, связанные с улучшением качества, упаковки или обра­ ботки изделия. Во многих случаях замена тепловой сте­ рилизации облучением позволяет использовать более высококачественные или более дешевые, но чувствитель­ ные к тепловой обработке материалы или продукты. В ка­ честве примера можно привести широко применяемый в хирургии рассасывающийся шовный материал — кетгут, который готовят из ткани кишечника овец и крупного рогатого скота. Это белок, который очень чувствителен к нагреванию, особенно в присутствии воды. Обычный про­ цесс заключается в обезвоживании его, стерилизации нагреванием, в повторном насыщении водой и упаковке. При замене нагрева облучением проводить операцию обез­ воживания не нужно, а сама стерилизация шовного ма­ териала производится облучением в его окончательной упаковке. Другим примером является замена стеклянных

ким к действию излучений является спорообразующий микроорганизм С1о5{пс1шт Ьо1и1тит, токсин которого вызывает смертельное заболевание — ботулизм. Для не­ кислых слабо соленых продуктов, чтобы уменьшить ко­ личество этих микроорганизмов до 1012, доза облучения должна составлять 4,5 Мрад. При этом достигается та­ кой же результат, как и при паровом консервировании. Правильно упакованный стерилизованный продукт будет храниться бесконечно долго. При меньших дозах проис­ ходит пастеризация, благодаря которой увеличивается срок хранения.

Впроцессе стерилизации при средней дозе 5 Мрад

икоэффициенте использования пучка электронов (в упакованной пище), равном 60%, электронный СВЧускоритель мощностью 50 кет обеспечит производитель­ ность 2,4 т продуктов в час. При типичной дозе 0,5 Мрад, требуемой для пастеризации, та же установка будет об­ рабатывать в час 24 т продуктов. Отметим, что произво­ дительность большой поточной линии для парового кон­ сервирования может достигать 20 т/час.

При трехсменной работе в течение всего года затраты на облучение установкой мощностью 50 кет (при пятилет­

меньшую величину для пастеризуемых продуктов. Уничтожая микроорганизмы, облучение, кроме того,

вызывает химические изменения, меняющие в свою оче­ редь вкус и цвет продуктов. Большой и все увеличиваю­ щийся список составляют продукты, у которых вкусовые изменения положительно оцениваются экспертными ко­ миссиями. Вкус многих других продуктов слишком силь­ но меняется при стерилизации, но при пастеризации меняется в допустимых пределах.

В. Пластики. Пластики состоят из длинных цепочек молекул углеводородов, у которых четыре связи прихо­ дятся на атом углерода и одна — на атом водорода. Связь заключается в совместном обладании двумя атомами одним электроном. В результате получается молекула с более низким энергетическим состоянием, чем отдель­ ные атомы. Под действием облучения эти связи разру­ шаются, образуя ионы и свободные радикалы, которые

рекомбинируют и перестраиваются в молекулы, являю­ щиеся модификацией исходной молекулы углеводорода. Такую перестройку называют полимеризацией, образо­ ванием поперечных связей, сополимеризацией (образо­ ванием графтполимеров) и т. п.

Прочность, внешний вид и стойкость древесины можно заметно улучшить, если импрегнировать его каким-либо мономером в вакууме, затем полимеризовать облучением и получить в результате дерево-пластик (шюб р1азИс). Такой пластик может найти применение для покрытия полов, изготовления мебели, спортивного инвентаря и т. д. Процесс полимеризации экзотермичен. Нагревание про­ исходит тогда, когда молекулы мономера связываются вместе з молекулы полимера с более низким энергетиче­ ским уровнем. Чтобы избежать чрезмерно высокой тем­ пературы внутри дерева и поскольку эффективность полимеризации зависит от скорости получения дозы, по­ следняя должна быть небольшой; обычно экспозиция со­ ставляет несколько часов при общей дозе около 1 Мрад.

Внастоящее время процесс облучения уже используют

впромышленном производстве испытывающих усадку при нагреве пластмассовых пленок, листов и трубок для герметичной упаковки пищевых продуктов, электронных компонентов и т. д. Чтобы ориентировать молекулы поли­ меров, пластик вытягивается и облучается. В результате молекулы связываются друг с другом за счет образова­ ния поперечных связей, и таким путем обеспечивается удержание их в том положении, которое они получили при натяжении. При нагреве жесткость связей соседних молекул полимера уменьшается и пластик сжимается до первоначального размера, герметизируя продукт. Для увеличения теплового сопротивления изоляции проводов

ипластиковых труб тоже применяется облучение, порож­ дающее образование поперечных «связей молекул.

Облучение было использовано для эксперименталь­ ного изготовления немнущейся одежды, которая приоб­ ретает такое свойство благодаря образованию графтпо-

лимера из молекул клетчатки ткани.

Г. Контроль с помощью рентгеновского] излучения. С помощью ЛУЭ получают также пучки жесткого про­ никающего рентгеновского излучения для рентгеногра­