21. Практическое использование антиматерии

Использование антиматерии в медицине

    Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) используется для диагностики в онкологии, кардиологии и неврологии. В основе позитронно-эмиссионной томографии лежит свойство биологи­ческой ткани выборочно поглощать определенные вещества. Если в состав поглощенного вещества входит радиоактивный изотоп, по регистрации его распада можно судить о состоянии биологической ткани. Метод ПЭТ основан на регистрации двух аннигиляционных гамма-квантов, вылетающих в противополож­ных направлениях, что позволяет получить изображение исследуемого органа. В ПЭТ могут использоваться короткоживущие позитронные излучатели: ¹¹С (T_1/2 = 20,4 мин.), ¹³N (T_1/2 = 9,96 мин.), ¹⁵O (T_1/2 = 2,03 мин.), ¹⁸F (T_1/2 = 109,8 мин.). Для их производства используются циклотроны, которые должны быть поблизости. Сегодня в основном используется ¹⁸F, который имеет относительно большой период полураспада. Другие изотопы в ПЭТ практически не применяются, хотя в ряде случаев лучше подходят для конкретной диагностики, например ¹⁵O для диагностики рака головного мозга[*].
    Использование антипротонов, переносимых в портативных ловушках, позволило бы производить позитронные излучатели непосредственно на месте их использования. Так, например, ¹⁵O предлагается получать экстракцией антипротонов из портативной ловушки (рис. 21.1) в воду или жидкий кислород. ¹⁵O будет образовываться в результате аннигиляции антипротона на нейтроне
¹⁶O(,π^-π⁰)¹⁵O. Кроме того, ¹⁵O будет образовываться в результате вторичных реакций, вызываемых вторичными гамма-квантами, нейтронами и пионами − ¹⁶O(n,2n)¹⁵O, ¹⁶O(γ,n)¹⁵O, ¹⁶O(π⁺,pπ⁰)¹⁵O,
¹⁶O(π⁺,nπ⁺)¹⁵O, ¹⁶O(π^-,nπ^-)¹⁵O. Большая часть ¹⁵O будет образовываться в результате реакций с заряженными пионами.

Рис. 21.1. Схема использования портативной ловушки антипротонов для получения позитронного эмиттера[†].

    Для проведенияодного сеанса ПЭТ необходимо приблизительно 15 мКи изотопа. За час работы циклотрона при токе 1 мА можно получить около 200 мКи ¹⁵O. Приблизительно за это же время ускорителе в Фермилабе можно было произвести и поместить в ловушку около 10¹² антипротонов. С помощью такого количества антипротонов можно получить столько же ¹⁵O как и на циклотроне. Время жизни антипротонов в современных ловушках дни − недели. Так что для производства процедуры ПЭТ необходимость в циклотроне пропадает и существенно расширяется география таких исследований.

 Радиотерапия

    Наибольшеераспространение в радиотерапии получило облучение гамма-квантами. Однако пучок гамма-квантов разрушает клетки на всем своем пути как до опухоли, так и после нее. У заряженных частиц (протонов и тяжелых ионов) основные потери энергии происходят в конце их пробега в веществе, в области брэгговского пика. Это позволяет, регулируя энергию, добиваться того, чтобы разрушались в основном клетки в области опухоли. С годами использование заряженных частиц в радиотерапии растет. Дополнительные преимущества в радиотерапии может дать использование антипротонов. Тормозная способность антипротонов почти такая же как у протонов. Вплоть до брэгговского пика удельные потери энергии и радиобиологическое действие протонов и антипротонов практически одинаковые (рис. 21.2).

Рис. 21.2. Зависимости потерь энергии от толщины поглотителя для протонов и антипротонов. Кривые нормированы на 1 при толщине 0.5 г/см^2†.

    Различия начинаются в области брэгговского пика. По сравнению с протонами антипротоны испытывают аннигиляцию, ~ 95% которой происходит при их остановке, при этом выделяется энергия около 2 ГэВ. Бóльшая часть выделяющейся энергии получают 4-5 высокоэнергетичных пиона. π⁰-мезоны быстро распадаются на гамма-кванты с энергиями около 70–300 МэВ. Высокоэнергетичные заряженные пионы уходят из области аннигиляции, не нанося заметных радиационных повреждений окружающим тканям. Однако заряженные пионы могут также вызывать в ядрах внутриядерные каскады, в результате которых ядра фрагментируются. Пробег заряженных ядерных фрагментов мал и они оставляют свою энергию в непосредственной близости к точке аннигиляции. В результате антипротоны по сравнению с протонами в области брегговского пика оставляют заметно бóльшую энергию. Более того, ядерные фрагменты имеют повышенное радиобиологического действие из-за большого коэффициента качества.

Рис. 21.3. Аннигиляция антипротона в теле человека. Образуются пионы, гамма-кванты и ядерные фрагменты^†.

    Использование антипротонов представляет уникальную возможность мониторирования в реальном времени процесса облучения[‡]. Образующиеся в результате распада π⁰-мезонов гамма-кванты и заряженные пионы можно использовать для получения информации о точном месте, где произошла аннигиляция. Это особенно важно, когда опухоль находится вблизи жизненно важных органов, которые надо не задеть облучением.

Использование антиматерии в космонавтике

    При аннигиляции антипротонов с протонами образуются заряженные и нейтральные пионы:

 + p → mπ⁰ + nπ⁺ + nπ^- [+ K^±, K⁰ (~5%)].

При этом количество заряженных и нейтральных пионов − m ≈ 2 и m ≈ 1.5.
    В случае аннигиляции антипротонов с нейтронами среднее число отрицательных пионов  больше, чем среднее число положительных пионов несколько больше и отношение числа заряженных к числу нейтральных пионов.
    Нейтральные пионы быстро распадаются (τ = 8.4·10^-17 с) на два высокоэнергетичных гамма-кванта:

π⁰ → γ + γ.

    Заряженные пионы живут дольше (τ = 7·10^-9 с) и распадаются на мюоны и соответствующие нейтрино:

π^± → μ^± + ν_μ (_μ).

    Энергию, которые получают нейтрино в результате распада π^± (около 90% энергии распада), можно считать потерянной, использовать ее невозможно.
    Мюоны (τ = 6.2·10^-6 sec) в свою очередь распадаются:

μ^± → e^± + ν_e(_e) + _μ(ν_μ),

а образующиеся электроны и позитроны аннигилируют

e⁺ + e^- → γ + γ.

Энергетическая плотность аннигиляции на порядки превышает таковую других процессов.

Таблица 21.1.

Плотность энергии различных видов топлива

    При аннигиляции 1 кг антиматерии выделяется столько же энергии как при сжигании 30 миллионов баррелей нефти. Тем не менее, несмотря на высокую энергетическую плотность аннигиляции, используя ее, трудно создать эффективный ракетный двигатель. Конечные продукты аннигиляции антипротонов, гамма-кванты и нейтрино, плохо или совсем не подходят для создания реактивной тяги. Нейтрино уносят около 50% всей энергии. Гамма-кванты излучаются изотропно и направленную тягу с их помощью создать затруднительно.
    Мировое производство антивещества является крайне низким. Сегодня оно составляет порядка от 1 до 10 нанограмм в год. Однако, существуют проекты, позволяющие увеличить производство антивещества на два и даже три порядка. Другой потенциальный источник антипротонов – радиационные пояса[§]. Максимальный поток антипротонов, образующихся в результате распада альбедо антинейтронов в околоземном пространстве оценивается в 4000 м^-2с^-1. Разрабатываются сборники-ловушки для таких антипротонов. Наиболее удачная схема сулит производительность до
~ 8.6 мкг/год. Однако для полетов за пределы Солнечной системы требуется килограммы антипротонов. Межзвездные путешествия с использованием двигателей на антивеществе в ближней перспективе исключены. В ближней перспективе успех сулят гибридные схемы, где антипротоны служат катализатором ядерных реакций. Такие гибридные схемы дают надежду осуществлять полеты в пределах Солнечной системы за разумное время и средства.
    При аннигиляции антипротона с нуклоном тяжелого ядра A >> 1 картина несколько отличается. Часть энергии аннигиляции передается тяжелому ядру пионами (рис. 21.4). Ядро делится на сильно ионизованные фрагменты. В итоге, за счет энергии деления, выделяется бóльшая энергия, чем при «чистой» аннигиляции. Более того, более эффективно используются пионы до их распада на длиннопробежные мюоны и нейтрино.

Рис. 21.4. Антипротон аннигилирует с протоном или нейтроном на поверхности тяжелого ядра. Часть образующихся пионов попадают внутрь ядра и взаимодействуют с плотной ядерной материей. В результате ядро фрагментируется, образуются сильно ионизованные короткопробежные осколки. Часть пионов, не попадающих в ядро, а также продуктов их распада имеют длинные пробеги и вылетают из делящегося топлива.

    Одним из проектов, использующих гибридную схему – ACMF (Antimatter Catalyzed Micro Fission/Fusion) (микро деление/слияние катализируемое антиматерией). ICAN-II (Ion Compressed Antimatter Nuclear)[**].
    В проекте предполагается использовать гранулы, которые содержат уран (²³⁸U), а также смесь дейтерия-трития. Гранулы бомбардируются ионными пучками, и в момент наибольшего сжатия – сгустком антипротонов. В результате вызванного антипротонами деления ядер урана образуются нейтроны, около 16 на одно деление, по сравнению с 2–3 при обычном делении. Выделяющаяся при делении энергия будет вызывать реакцию синтеза в дейтериево-тритиевой смеси и быстрое расширение плазмы, которое можно использовать для создания реактивной тяги. Согласно оценкам, таким образом можно будет получить удельный импульс[††] до 17000 секунд. Существенно, что, используя эту схему, можно обойтись небольшим количеством антивещества (около 140 нанограммов антипротонов для полета к ближайшим планетам). Кроме того, для этого необходимо около 360 т
D-T-U гранул. Полет к Марсу и обратно занял бы всего 120 дней.

Рис. 21.5. Проект межпланетного корабля ICAN-II

    Другой проект, использующий гибридную схему – AIM (Antimatter Initiated Microfusion) микрослияние, инициированное антиматерией[‡‡].
    Плазма антипротонов сжимается в потенциальной яме, созданной электрическими и магнитными полями. Затем в реакционную камеру вводится маленькая (42 нанограмма) гранула смеси дейтерия и ³He с небольшим количеством ²³⁸U. Аннигиляции антипротонов с ²³⁸U вызывает быстрое деление, в результате которого полностью ионизируется D-³He. В потенциальной яме плазма сжимается и происходит реакция термоядерного синтеза. Затем система возвращается в первоначальное состояние и процесс повторяется.
    Проект (AIM Star)[§§] предполагает длительный беспилотный полет. Например, долететь до облака Орта (10000 а.е.[***]). Для этого в течение 22 лет он будет разгоняться до 0.003 скорости света. Затем двигатель отсоединяется, и полет продолжает научный модуль. Расчетное время всего полета 50 лет. Для корабля с химическим двигателем для этого понадобились бы тысячелетия. Для полета AIM Star к облаку Оорта потребуется 28 микрограмм антипротонов. Удельный импульс двигателя AIM Star 61000 секунд.