Ядерные лазерные технологии-конек Троицка
Прорывные направления в медицинской сфере (в областях: здравоохранения, образования, науки и техники)При разработке стратегических направлений развития в медицинской сфере - в областях здравоохранения, образования, науки и техники, нельзя ориентироваться на те направления работ, в которых мы безнадёжно отстали от зарубежья, и не пытаться догнать и тем более перегнать их в этом. Несомненно, передовой опыт зарубежных стран и их достижения нужно учитывать и использовать. Нужно ориентироваться на упреждающие, революционные прорывные направления работ, которые позволили бы дать мощный толчок развитию и процветанию России, и сойти с наркотической нефтяной и газовой иглы в экономике страны.
Такие направления (такая ниша) у России есть, где мы достигли существенных успехов наук и технологий - это лазеры, лазерные и ядерные технологии.
В разгадке тайн механизма возникновения онкологических и иных заболеваний, несомненно, принадлежит в первую очередь, успехам в развитии и внедрении в медицинскую сферу, и во все жизненно важные сферы человеческой жизни - ядерных и лазерных технологий.
В нижеизложенных материалах делается попытка дать общее представление о лазерах, лазерных и ядерных технологий и их возможностях.
1. О лазерах и лазерных технологиях
Лазеры и лазерные технологии, как уже отмечалось, традиционный конёк Троицка. Советские учёные Н.Г. Басов и А.М. Прохоров, работавшие в ЦПФ ИОФ РАН г. Троицка первые удостоились Нобелевской премии в области квантовой электроники - в области лазерной физики и создании первых лазеров. Их открытие предсказало новую научно - техническую революцию. Именно сейчас происходит интенсивное проникновение лазеров и лазерных технологий во все сферы человеческой деятельности, которые уже доказали свою эффективность и перспективность.
Лазеры и лазерные технологии в медицине воистину революционные и прорывные.
1.1. Краткие сведения о лазерах и лазерном излучении
Лазер это источник индуцированного (генерируемого) электромагнитного излучения*.
* Излучение возникает при переходе электронов атома с нижней орбиты на более высокую орбиту, в зависимости от величины поглощённой им энергии извне. При этом атом переходит в возбуждённое состояние, которое нестабильно. При возвращении электрона в исходное стабильное состояние атом генерирует квант электромагнитного излучения, имеющего свойство волны.
В широком смысле генерируется фотон (гамма - квант), который проявляет одновременно свойства волны и частицы. Эти свойства проявляются в явлениях фотоэффекте и давлении света.
Излучение лазеров может осуществляться в широком спектральном диапазоне длин волн (в инфракрасном - 10 - 1 мкм, видимом - 1-0.3 мкм, ультрафиолетовом - 0.3 - 0.2, рентгеновском - 0.2 - 0.01). Различают: газовые, твёрдотельные полупроводниковые и волоконно - оптические лазеры.
1.3. Специфика лазерного излучения
Лазерное излучение отличается от любого другого следующими обязательными свойствами:
- монохроматичностью - когда электромагнитное излучение, обладающее очень малым разбросом частот, в идеале - одной частотой (длиной волны);
- когерентностью - мерой согласованности между фазами волн, образующими данное излучение. Два пучка называются когерентными, если разность фаз между волнами остается постоянной за время наблюдения; - Направленностью - распространение излучения в пределах небольшого телесного угла, обеспечивающее максимальную плотность энергии на выходе лазера - дифракцией света - огибанием световыми волнами препятствий и проникновением света в область геометрической тени. Это свойство используется для получения объемных изображений (в голографии); - интерференцией - явление образования чередующихся полос усиления и ослабления интенсивности света при наложении друг на друга когерентных волн. Явление используется для измерения длины волны - как расстояние между двумя светлыми или тёмными полосами
1.4. Краткий перечень особенностей лазерных технологий,
1. Возможность бесконтактной подачи энергии к зоне обработки в замкнутом объёме через прозрачные стенки, через окна технологических камер и пр.
2. Обеспечение необходимой плотности энергии излучения в зоне обработки и локальность воздействующего излучения, обусловленная возможностью фокусировки излучения с помощью оптических систем в световой пучок (луч) диаметром в сотые доли микрон. 3. Возможностью ведения технологических процессов в любой прозрачной среде (в вакууме, газе, жидкости, твёрдом теле).
4. Возможность точного дозирования энергии, как в импульсном, так и в непрерывном режиме в зоне воздействия лазерного излучения.
5. Высокая эффективность лазерных технологий, обеспечивающих повышение производительности труда, точности и качества обработки различных веществ и материалов.
6. Обеспечение практически безотходных технологий, удовлетворяющих требованиям по защите окружающей среды.
7. Быстрый (по сути резонансный) локальный прогрев намеченной зоны обработки, обеспечивающий сублимацию (возгонку) вещества - переход его сразу из твёрдого или иного состояния в газообразное минуя жидкое состояние. Сублимация вещества происходит только в границах намеченной обработки (без нагрева вещества за её границей).
Указанные выше уникальные особенности лазерных технологий, основанные на свойствах лазерного излучения, определяют высокую их эффективность и широкое внедрение практически во все сферы человеческой деятельности.
1.5. Применение лазеров и лазерных технологий в медицинской сфере
Лазеры и лазерные технологии в медицине по праву пользуются большой популярностью во всем мире, что объясняет их интенсивное развитие в последние десятилетия. Без них сегодня трудно представить прогресс в медицинской сфере. Они открыли новые возможности в решении многих физико и медико - биологических проблем в разных областях медицины, например, таких как:
1.5.1. Хирургия и лучевая терапия. В этой области лазеры и лазерные технологии уже нашли широкое применение, и они особенно перспективны в области диагностики и лечения пока далеко не изученных онкологических заболеваний.
1.5.2. Стоматология. В этой области лазеры и лазерные технологии позволяют обеспечивать: практически бесконтактную, безболезненную и бесшумную процедуру при удалении кариеса и сверлении (препарировании) отверстий зуба. При этом отпадает необходимость в проведении анестезии и стерилизации отверстий и операционного поля; достигаются: получение сразу чистой полости отверстий готовых к пломбированию, после удаления с помощью лазера нерва, отсутствие перекрестной инфекции и экономия расходных материалов. Все эти операции могут проводиться за одно посещение врача - стоматолога.
У этой технологии большое будущее, и повсеместное внедрение лазерных систем в стоматологическую практику - лишь вопрос времени.
Федоров стал основоположником уникального направления - рефракционной хирургии. Фёдоров Святослав Николаевич - это выдающийся российский врач-офтальмолог, благодаря деятельности которого современная медицина получила эффективные.. доктор медицинских наук, профессор, академик Российской....
1.5..3. Офтальмология. В этой области, благодаря Российскому офтальмологу, д.м.н., академику Святославу Фёдорову, Россия занимает одно из лидирующих мест в мире на рынке медицинских услуг по использованию высоких лазерных технологий при восстановлении зрения*.
*В частности, впервые в России стали использовать высокие технологии эксимерлазерной коррекции зрения (близорукости, дальнозоркости и астигматизма - асферичности роговицы). Лазерные технологии нашли самое широкое практическое применение при лечении глазных заболеваний, таких как: - катаракты ( уплотнение и помутнение хрусталика) путём удаления и замены искусственным помутневшего хрусталика; - глаукомы (связанной с сужением поля зрения за счёт атрофии зрительного нерва) путём нормализации внутриглазного давления медикаментозным и лазерного лечениям, или микрохирургической операцией;. - патологии сетчатки - внутренней оболочки глаза (связанной с разрывом, истончением или с разрывом сетчатки) путём «склеивания»при помощи специального лазера разрыва сетчатки, а при отслойке сетчатки показано лазерное хирургическое лечение. - косметологии, флебологии, отоларингологии, дерматология и др. областях используются указанные выше методы лазерной хирургии и лечения.
1.6. Лазеры и лазерные системы для науки, технологи и медицины
(разработки компании ООО «Оптосистемы» - ЦПФ ИОФ РАН Троицка Наукограда)
Компания «Оптосистемы» признанный лидер в области лазерного оборудования для науки, технологий и медицины. Она является единственным в России производителем офтальмологических эксимерных лазерных систем для рефракционной хирургии. В ней работают с многолетним опытом профессиональные специалисты мирового уровня. ООО «Оптосистемы» используют комплексный подход к реализации проектов - от консультаций и технико - экономического обоснования до поставки современного высокотехнологичного оборудования, включая сервисное обслуживание и обучение специалистов. Компания кроме серийной продукции разрабатывает лазеры по техническому заданию заказчика.
В частности, компания «Оптосистемы» производит и поставляет:
1.6.1. Медицинские лазерные системы и оборудование:
1. Эксимерная офтальмологическая установка «МикроСкан». Установка (система) прошла все технические и клинические испытания и успешно применяется в клиниках России. Используя технологию сканирующего луча, система может формировать поверхность роговицы любой заданной формы. Это позволяет проводить операции по коррекции всех видов аномалий рефракции (миопии, гиперметропии, астигматизма) и использовать для широкого диапазона терапевтических и оптико - реконструктивных операций (по технологиям: ФЕМТО - LASIK, Epi - LASIK, ФКР).
2. Эксимерная установка для терапии кожных заболеваний «МЛ - 308» для лечения псориаза, витилиго и других кожных заболеваний. Эксимерный лазер на хлориде ксенона (ХеСI) обеспечивает узконаправленное излучение для фототерапии псориатических бляшек, а также депигментированных участков кожи. 3. Фемтосекундная лазерная система для офтальмологии «Фемто Визум» позволяет проводить внутристромальные операции без повреждения внешних слоёв роговицы глаза и даёт возможность реализовать большое число офтальмологических операций.
1.6.2 Лазеры для различных лазерных систем:
1. Эксимерные импульсные лазеры серии CL - 500, CL - 7000 - источники мощного UV - излучения в широком диапазоне длин волн: 193, 248, 308 нм.: - CL - 500 - для; эксимерлазерных офтальмологических установок, терапии кожных заболеваний, производства дифракционных решёток в оптических волокнах, микрообработки материалов, лазерного
напыления и др.;
- CL - 7000 - спектроскопия, производство дифракционных решёток в оптических волокнах, микрообработка материалов, лазерное напыления и др.;
- CL - 7000k - микрообработки материалов, лазерного напыления и др.;
-- CL - 7500 - ЛИФ - Спектроскопия, обработка материалов с высоким пространственным разрешением.
- Эксимерный лазер серии СL - 5000 - источники мощного UV - излучения в широком УФ диапазоне длин волн: 157, 193, 248, 398, 351 нм, на основе которого создана лазерная система МикроСкан. Лазеры СL «ЛИДАРЫ» широко применяются для измерения концентрации паров воды и аэрозолей на различных высотах от земли, озона в стратосфере и тропосфере
2. СО2 лазеры серии ИнфраЛайт в инфракрасно диапазоне длин волн - 9.2 -10.8 мкм: - ИнфраЛайт 100 и 200 - маркировка, гравировка не металлических поверхностей, сверление отверстий в печатных платах, лидарные исследования, ИК- спектроскопия, очистка поверхности; - ИнфраЛайт - SP - литография с использованием мягкого рентгеновского излучения, разделение изотопов, неразрушающий контроль, лидарные исследования, маркировка, сверление отверстий в печатных платах, ИК - спектроскопия.
3. Твёрдотельные лазеры непрерывного и импульсно периодического режима с диодной
поперечной накачкой и акустооптической модуляцией добротности серии DPSSL. Применение: маркировка, микрообработка, точное сверление, резка, микропайка, скрайбирование, абляция и ювелирное дело.
4. Высоковольтные источники питания от 0.1 до 50 кВ серии 700С/700 СW, 700ТС, 730,741,750 CW различного назначения, в частности, для зарядки конденсаторов в лазерных системах, питания модуляторов, передатчиков, лазеров, магнетронов, для накачки лазеров, формирования лазерных импульсов любой формы, длительности и амплитуды, для работы
дуговых ламп и др.
1.7. Фемтосекундные лазеры и технологии, как революционные прорывные направления в медицинской сфере
1.7.1. О фемтосекундных лазерных и их особенностях
Следует особо отметить, что основоположниками направления фемтосекундной лазерной техники в нашей стране и мире. являлись: сотрудники Троицких институтов РАН: института ФИАН - доктор физ.-мат.наук П.Г. Крюков и института ИСАН - доктор физ.-мат.наук, фиик спектроскопист мирового уровня В.С. Летохов.
Эти учёные под руководством Нобелевского лауреата в области квантовой электроники по созданию первого лазера Н.Г,Басова и его помощников теоретиков О.Н.Крохина и Ю.М.Попова с помощью своих учеников: А. Шаркова и А. Конященко впервые в Советском союзе запустили фемтосекундную лазерную установку (источник: АНИ " ФИАН-информ " )
В ФИАНе сейчас группа ученых под руководством доктора физ.-мат. наук М, А. Губина в сотрудничестве с компанией "Авеста-проект" создает перспективные компактные высокостабильные оптические часы, в частности, для спутниковой навигации с относительной нестабильностью всего 10-14 -10-15 . В них используются компактные волоконно - оптические лазеры, в которых в качестве активной среды используется оптическое волокно.
В ФИАНе Троицка производится 90% в России всех фемтосекундных лазеров.
1.7.2. Особенность фемтосекундного лазера
Фемтосекундный лазер позволяет получить ультракороткие импульсы света
длительностью до 1 фемтосекунды (1 фс = 10- 15 с), обладающие исключительно высокой монохроматичностью и стабильностью интенсивности во времени*.
* За указанное время свет при скорости 300 тысяч км в секунду проходит расстояние всего 0,3 мкм. О временном масштабе таких процессов красноречиво говорит следующий пример
10фс/ 1 мин = 1мин/ возраст Вселенной. Отличительная особенность фемтосекундных лазерных импульсов (ФЛИ) состоит в концентрации световой энергии в предельно малом временном интервале. Лазер позволяет получать диаметр сфокусированного пучка излучения равным длине световой волны с интенсивностью пучка 10 21 -1022 Вт / кв.см (давление света на вещество при указанной интенсивности эквивалентно 300 Гбар
(что в 1.5 раза превосходит давление плазмы вещества в центре Солнца).
А также получить излучение с малой нестабильностью (до 10-14 -10-15 с).
1.7.3. Области применения фемтосекундных лазеров и технологий
Указанные возможности фемтосекундных лазеров открывают колоссальные возможности в решении многих физико и медико - биологических и иных проблем в медицинской сфере, их применения в области: фундаментальных и прикладных наук, здравоохранения,, техники, образовании и других жизненно важных сферах деятельности человека.
В частности:
1. Для исследований быстропротекающих процессов - движений, передачи энергии и явлений в микромире, в исследованиях: взрывных процессов, динамики движений электронов в атомах, молекулах, полупроводниковых материалах, фотохимических реакций и иных процессов и явлений, протекающих с большой скоростью.
2. В создании техники для исследований быстропротекающих процессов: скоростного (мгновенного) фотографирования, микроскопов для непосредственного наблюдения сверх быстрых процессов в микромире молекул и атомов, различных по своей природе тел.
3. Для прецизионной обработки широкого класса материалов: сверления, резки и сварки с точностью, которая может превосходить размеры фокального пятна. Последнее свойство позволяет создавать наноструктуры - важный объект современной науки и нанотехнологий.
4. Для изготовления в объёме микро- и наноструктур за счёт полимеризации (отвердевания) некоторых веществ под действием сканирующего фокуса УФ - излучения ФЛИ*.
* Так, уехавший в Лазерный центр г. Ганновера (Германия) научный сотрудник ФИАН Борис Чичков с коллегами создали установку, работающую на этом эффекте, - с ее помощью можно отсканировать любую вещь и сделать в объёме уменьшенную во много раз копию с точностью до 100 нм. В частности, в медицине для изготовления искусственных имплантационных кровеносных сосудов (стентов) и клапанов сердца.
Это направление успешно развивается в Троицком Институте ИПЛИТ РАН.
5. Для создания современные системы волоконно - оптических линий связи, которые в сочетании с лазерами ФЛИ позволят создать устройства, обеспечивающие скорость передачи информации до 1 терабита в секунду (1 Тбит = 10 12 бит - это передача 1 гигобайта за доли секунды).
С уникальными свойствами лазерного излучения связывается: создание объёмного телевидения, квантовых компьютеров, возможно с алгоритмом работы человеческого мозга? Их будущее без сомнений лежит в огромном эффекте, которые они окажут на жизнь всего человечества.
6. Для создания перспективного нового источника энергии на основе лазерного управляемого термоядерного синтеза, с помощью сверхмощных петаваттных лазеров ФЛИ (1 петаватт = 10 15 Вт), способных достигать температур нагрева вещества в десятки и сотни миллионов градусов, что соответствует температурам инициирования ядерных реакций.
7. Для создания мобильных лазерных комплексов на основе современных волоконно - оптических лазеров, позволяющих осуществлять резку и сварку любых конструкций не только на воздухе, но и под водой, осуществлять экологически чистую утилизацию отходов, зондирование атмосферы, в целях определения её загрязнённости, резку льдов в Антарктике и многое другое*.
* С помощью такого комплекса, созданного в Троицком институте ГНЦ РФ ТРИНИТИ, была ликвидирована в 2012г. крупнейшая авария (пожар на нефтяной вышке на Ямале). Комплекс позволил срезать металлическую конструкцию вышки над горящей нефтяной скважиной на расстоянии порядка 100 метров, что позволило быстро потушить пожар.
8. Для терапии раковых заболеваний с помощью лазерно - ускоренных потоков заряженных частиц системы ФЛИ, способных глубоко (до 30 см.) проникать в биологические ткани, как при терапии с протонными пучками, получаемыми в настоящее время с помощью дорогостоящих и громоздкие линейных ускорителей протонов, как в Троицком Институте ядерных исследований (ИЯИ) РАН.
9. Для развития нового направления - оптических технологий в тканевой инженерии.
Технологий, основанных на возможности захвата и удержания в фокусе лазерного луча прозрачных объектов микроскопического размера, и их доставки в живые клетки*.
* Технология «оптического пинцета» позволяет конструировать нужным образом клеточные структуры. В частности, манипулировать вирусами, живыми клетками, хромосомами, и даже созданием новых комбинаций генома (jiht.ru›study/courses/Статья_Ашитков.pdf).
В настоящее время это одно из наиболее приоритетных направлений развития биомедицинских технологий.
Применения фемтосекундных лазеров и технологий ограничены лишь воображением и изобретательностью учёных и инженеров.
Лазеры и лазерные технологии являются поистине революционными и прорывными направлениями в медицинской сфере, в сфере фундаментальных исследований физики вещества, Космоса, Земли, и многих иных сферах.
2. О ядерных технологиях в медицинской сфере и иных сферах.
В Троицком институте ИЯИ РАН создан на базе уникального в стране линейного ускорителя протонов «Центр ядерной медицины» для лечения протонными пучками онкологических заболеваний. Уникальность данного ускорителя протонов в том, что он может обеспечить пучками частиц и производимыми изотопами основные виды радиотерапии и лучевой диагностики: протонную терапию, радионуклидную терапию, включая брахитерапию, ПЭТ диагностику, а также нейтронную терапию. Дополнительное преимущество для деятельности центра - это наличие в Троицке крупной клинической больниц РАН. Методы лучевой терапии нашли широкое применение и в Обнинском онкологическом центре.
18.12.2025г. в Физико - энергетическом институте в г. Обнинске (Калужская область) запущен уникальный для России и лучший в своём классе в мире, ускоритель заряженных частиц. «Тандетрон» (МК от 24.12.2015г.). Изготовлен ускоритель в Голландии по техзаданию и заказу Росатома. Это - техника нового поколения, не очень дорогая, но очень технологичная и компактная, позволяет получить широкий спектр ускоренных ионов - от водорода до золота.
«Тандетрон», получивший имя Джой - в переводе «радость», выходит на нужный режим за несколько секунд. На прежних установках требовалось ждать сутки. Для обслуживания ускорителя требуется всего один человек.
На этом ускорителе будет запущена нейтрон - захватная лучевая терапия для уничтожения раковых опухолей на стадиях, когда операцию делать уже нельзя.
* Суть терапии проста: Пациенту вводят в кровь раствор с короткоживущим радиоактивным препаратом (изотопом) бора. Поражённые ткани его накапливают, а здоровые - нет. Изотоп бора, который бомбардируют специально рассчитанными пучками, захватывает нейтроны и мгновенно распадается, разрушая раковую клетку. Такая терапия показана 30 тысячам пациентам в год с любой локализацией онкологии..
Перспективы применений ускорителя для науки, технологии и медицины огромны*.
*В частности:
- для исследований радиационной стойкости конструктивных материалов и калибровки систем безопасности и приборов контроля атомных реакторов разного типа;
- для получения новых или улучшенных свойств материалов с помощью их ионного облучения
(эта технология называется радиационным легированием). Такие материалы найдут применение в микроэлектронике, нано технологиях, медицине и др. областях науки и техники;
- для производства и поставки в медицинские центры Центрального региона короткоживущих изотопов, используемых в протон - эмиссионной томографии (ПЭТ), для диагностики и лечения онкологических заболеваний.
Ускоренные лазерные и ядерные потоки заряженных частиц могут быть использованы также в производстве упрочнённых и мембранных материалов, для изменения цвета кристаллов и др.