Томские ученые примут участие в разработке лазера, сканирующего организм на уровне молекул

Томский политех заключил договор о научном сотрудничестве с Национальной Лабораторией DESY (Германия), которая занимается в том числе и созданием рентгеновского лазера European XFEL. Разработка позволит расширить возможности современной медицинской диагностики — с ее помощью можно будет изучать малейшие изменения, происходящие в организме на молекулярном уровне.

Как сообщает пресс-служба вуза, задачей политехников в совместном проекте станет разработка аппаратуры для диагностической станции непрерывного контроля параметров усиленного пучка European XFEL, что позволит сделать работу рентгеновского лазера максимально точной.

По словам руководителя научной группы ТПУ, участвующей в проекте, ведущего научного сотрудника кафедры прикладной физики Александра Потылицына, рентгеновское и лазерное излучение сейчас применяется в современной медицине, но отдельно друг от друга. Рентген позволяет просканировать организм пациента, однако поверхностно. Увидеть биологический объект изнутри, например, сосуды вблизи сердца, с его помощью нельзя. Проблема медицинских источников рентгеновского излучения связана с процессами его рассеяния в объектах, следовательно, только малая часть энергии доходит до нужной области организма, что существенно снижает  возможности диагностики. В свою очередь, лазер — это целенаправленный поток энергии, который не рассеивается. Однако лазеры не могут преодолеть толщину объекта более 30 см, такое излучение обладает высокой температурой, есть опасность при его использовании повредить сам объект, например, ткани человеческого организма.

«Идея рентгеновского лазера European XFEL в том, чтобы объединить преимущества рентгеновского и лазерного излучений. Интенсивность и направленность рентгеновского излучения станет целенаправленной, как у лазера. Таким образом, поток не будут рассеиваться, и возможности рентгеновской диагностики возрастут в разы.  С помощью рентгеновского лазера можно будет провести, например, сканирование на молекулярном уровне и узнать, как лекарственные препараты воздействуют на клетки нашего организма — какие их компоненты оказывают полезный, а какие, наоборот, вредный эффект», — объясняет Александр Потылицын.

Такая технология окажется полезной и при изучении свойств наноматериалов. Предполагается, что рентгеновский лазер European XFEL станет мощнейшим из существующих установок синхротронного излучения. 
 
«Чтобы получить мощный источник рентгеновского излучения, необходимо ускорить электроны до энергии 17,5 ГэВ в сверхпроводящем ускорителе и пропустить их через специальную магнитную систему — ондулятор. Длина таких сверхпроводящих ускорительных модулей составляет 3,4 км. Сейчас они размещены в специально оборудованном тоннеле, ведется их настройка», — говорит Александр Потылицын.

Для того, чтобы обеспечить требуемые параметры рентгеновского пучка, нужно будет контролировать характеристики ускоренного электронного пучка с высокой точностью. Для этого физики Томского политеха предложили новый метод диагностики таких пучков, и руководство Инструментального Отдела DESY приняло это предложение для экспериментальной проверки. В ходе совместных экспериментов в 2011-2015 годах было показано, что предложенный метод может быть использован для диагностики пучков XFEL.

В 2017 году с участием политехников планируется создание диагностической станции для непрерывного контроля параметров ускоренного электронного пучка. В подписанном Меморандуме согласована программа совместных исследований на 2016-2018 годы.
Стоимость проекта рентгеновского лазера European XFEL превышает 1 млрд. евро и обеспечивается консорциумом целого ряда стран, в который входит и Россия. Российский вклад в создание XFEL составляет 250 млн. евро.
 
Лаборатория DESY является одним из крупнейших европейских физических центров, где работает около 2 000 сотрудников. Ученые DESY разрабатывают и создают ускорители заряженных частиц для исследований по физике элементарных частиц, а также для получения интенсивных пучков электромагнитного излучения для прикладных исследований в материаловедении, в биологии,  в медицине и других областях науки.