В лабораториях Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) ведётся разработка нового прототипа сверхпроводящего магнита, получившего ласковое прозвище «Фузилли» из-за необычной формы, напоминающей итальянский макаронный продукт. Этот проект может оказать значительное влияние не только на физику элементарных частиц, но и на медицинскую отрасль, в частности, на лечение онкологических заболеваний.
Изначально физики ЦЕРНа заинтересовались разработкой этой технологии для использования в компактных ускорителях частиц, например, в новом накопительном кольце для эксперимента ISOLDE. Однако потенциал применения «Фузилли» оказался гораздо шире, и теперь учёные рассматривают возможность его использования в адронной терапии – перспективном методе лечения рака.
Адронная терапия представляет собой вид лучевой терапии, использующий пучки протонов или лёгких ионов для облучения раковых тканей. В отличие от рентгеновских лучей, ионные пучки выделяют меньше энергии на своём пути и концентрируют её в определённой точке. Это позволяет минимизировать повреждение здоровых тканей вокруг опухоли и безопасно применять более высокие дозы облучения, что ускоряет уничтожение злокачественных новообразований. Кроме того, снижение воздействия на окружающие ткани приводит к уменьшению токсичности, благодаря чему пациенты лучше переносят лечение и быстрее восстанавливаются после него.
За последние десятилетия в мире было построено более 100 центров адронной терапии. Однако эта технология всё ещё остаётся малодоступной из-за высокой стоимости необходимого оборудования, в частности, магнитов, требующих больших токов и охлаждения жидким гелием. На данный момент адронная терапия доступна лишь в некоторых странах Европы, Азии и США, в то время как в Африке таких центров нет вовсе, а в Южной Америке только один находится на стадии строительства.
Технология «Фузилли», также известная как изогнутый наклонный косинус-тета (CCCT) дипольный демонстратор, может сделать это лечение более доступным в будущем. Новый тип электромагнита обладает рядом преимуществ: он требует гораздо меньшего тока, относительно недорог в производстве и более компактен благодаря упрощённой конструкции с меньшим количеством отдельных деталей. Ожидается, что «Фузилли» также будет легче охлаждать без использования жидкого гелия, в отличие от многих других сверхпроводящих магнитов.
В основе конструкции «Фузилли» лежит кабель, намотанный в две вложенные катушки. Катушки наклонены в соответствии с канавками так называемого «формера», причём внутренняя катушка наклонена в противоположном направлении относительно внешней. Вместе они создают дипольное поле внутри трубки. Этот новый подход к созданию дипольного поля проходит испытания на демонстраторе «Фузилли». Хотя сама идея существует уже несколько десятилетий, необходимые вычислительные мощности для её реализации стали доступны только в последние годы.
Для создания магнита, работающего при низком токе, команда в ЦЕРНе решила скрутить несколько изолированных проводов в своеобразный «канат», который затем наматывается на формер. Отдельные провода соединены таким образом, что ток может совершать множество оборотов вокруг катушек, создавая электромагнит полезной силы (3 Тесла в центре) при относительно небольшом токе (300 ампер).
Концепция наклонного косинус-тета (CCT) разрабатывается в ЦЕРНе с 2014 года и уже используется в проекте High-Luminosity LHC. Текущий проект по созданию изогнутого CCT-демонстратора занял около двух с половиной лет. Недавно был завершён процесс намотки кабелей на формер, и теперь, когда осталось выполнить лишь несколько заключительных этапов, фаза строительства подходит к концу. Первые полномасштабные испытания нового магнита запланированы на апрель. После серии предварительных оценок эти тесты позволят сравнить характеристики магнита с результатами симуляций и определить дальнейшие шаги в процессе разработки.
Ожидается, что магниты типа «Фузилли» найдут применение в новом накопительном кольце для HIE-ISOLDE в течение ближайших пяти лет, а затем могут быть доработаны для других приложений, включая адронную терапию.