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    粒子望远镜技术有助于提高放射性治疗技术

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      牛顿

      来自堪萨斯大学的一个研究团队正在研发一种粒子望远镜技术,这种技术不仅可以用来分析太阳发出的带电粒子,还能够测量放射治疗过程中传递到病人身上的辐射量。那么,这种望远镜研发出来的主要目的是什么呢?又有哪些正在进行的工作能够帮助我们进一步了解它在临床医学上已有的,或者潜在的运用呢?

      粒子望远镜技术有助于提高放射性治疗技术

      在探测宇宙射线上的应用

      高能离子电子望远镜(又被称为敏捷号γ射线天文卫星)主要用来鉴别宇宙射线中的粒子种类以及测量它们的能量。来自堪萨斯大学的项目负责人克利斯朵夫·罗荣告诉我们,拥有这两种功能的高能粒子电子望远镜是十分实用的,因为目前固体探测器很难同时实现上述的探测及测量功能。

      粒子望远镜技术有助于提高放射性治疗技术

      图解:先进成分探测器(英语:Advanced Composition Explorer,ACE)是NASA研究太阳风中高能粒子、行星际物质和其他源的成分的探测计划以及太阳和空间探索任务。从ACE获得的实时数据被太空天气预测中心用于提高太阳风暴预测和预警能力 ACE发射于1997年8月25号,现在运行于接近拉格朗日点L1的利萨如轨道(位于日地之间距离地球150万公里)。观测器仍然良好运行中,拥有足够的燃料来保持轨道运行到2024年。NASA戈达德太空飞行中心管理ACE的开发和集成。

      “对于美国宇航局(NASA)而言,这种新型望远镜将会是一项新的突破。” 克利斯朵夫·罗荣说道,“这项技术的思路是用几层硅探测器来探测粒子,当粒子通过探测器后,探测器将产生一些信号,这些信号数字化后就能用以鉴别粒子的种类——它是氧还是氮,是电子还是质子等等,当然,粒子们具备的能量也会被测量出来。”

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      图解 : 粒子物理标准模型的粒子成分。

      拿到美国宇航局的1400万美元的奖金后,罗荣和他的团队开启了一项为期三年的项目来设计、建立和调试探测器的初始模型。他们首先会模拟出探测器对不同种类的粒子和不同的能量的反馈,然后通过布鲁克海文国家实验室或者洛斯阿拉莫斯国家实验室的相关设备来优化模拟结果,之后再开启第二阶段的研究——集中测量探测器对各种各样的质子、电子及重离子束的响应结果。

      “通常而言,硅探测器的输出信号是非常低的,需要放大处理。在堪萨斯大学,我们申请到了一项性能惊人的放大器的专利,这项专利将运用于我们的所有研究。”罗荣补充道。

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      这个项目的最后一步是把探测器安装到一个立方卫星(一种被广泛运用在天文学研究中的微型卫星)里,这样能够优化卫星的功耗,辐射硬度以及它从运行轨道传输到地球上的数据量。而该项目更长远的应用目标包括建立一个由成百上千个小型卫星组成的工作网络,它能监控地球周围的辐射等级。在其它的某些方面,这个项目也能非常好的得到运用,比如在一段去往火星的旅途中,宇航员们能够评估出这趟旅行里他们所要承受的辐射量。

      在临床医学领域中的应用

      粒子望远镜技术有助于提高放射性治疗技术

      敏捷号γ射线天文卫星技术有一个非常有意思的“副产物”,那就是它在临床医学里表现出来的潜力——尤其是在对放射治疗过程中被病人吸收掉的辐射量的计算上,罗荣强调指出,因为精确计算出放射治疗过程中病人体内沉积的辐射量是现阶段癌症治疗过程中的一个大难题。

      “我们用硅探测器来计算宇宙中的辐射,同样,我们也设想通过相似的技术来实时监控医学粒子加速器产生的辐射剂量。”罗荣告诉我们,“我们的项目目前还只处于初始阶段,但是世界上所有的医院都有同一个梦想,那就是能够拿到癌症放疗过程中病人所吸收的辐射剂量的精确数据。”

      根据罗荣的介绍,提高探测器的空间分辨率,然后把它运用在癌症治疗过程中对辐射量的测量上,能够帮助医生优化病人所吸收的辐射量,提高放射治疗的效果。罗荣十分有信心的认为,他的项目里发展出来的一系列测量手段虽然原本是用于研究宇宙的,但是临床医学作为它们的全新运用目标,它们在该领域上的运用将得到迅速发展,并引领一条提高放射治疗技术的全新道路。而在更长远的发展目标上,罗荣告诉我们他的团队现在正在和堪萨斯大学医学中心齐心协作,想要进一步挖掘他的项目在临床医学领域上的潜在运用价值,同时也试图进一步了解把这项技术运用在放射治疗上所要面临的挑战。

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      “我们在堪萨斯大学医学研究中心副主席的支持下不断的召开会议。对于我们的团队而言,最大的挑战是更详尽地了解医学方面的知识,以及辐射或者低能粒子如何与人体发生相互作用,这也就是为什么在这项研究的下一步发展里,与医学物理学家的协作显得如此重要。”罗荣说道。“然后我们和一家位于爱尔兰都柏林的医院也有合作,我们通过探测器来表征用来治疗病人的波束,然后我们就能更具体的了解波束的结构。”

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      相关知识

      宇宙线亦称为宇宙射线,是来自外太空的带电高能次原子粒子。它们可能会产生二次粒子穿透地球的大气层和表面。射线这个名词源自于曾被认为是电磁辐射的历史。主要的初级宇宙射线(来自深太空与大气层撞击的粒子)成分在地球上一般都是稳定的粒子,像是质子、原子核、或电子。但是,有非常少的比例是稳定的反物质粒子,像是正电子或反质子,这剩余的小部分是研究的活跃领域。

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      图解:宇宙线对能量的分布。

      大约89%的宇宙线是单纯的质子,10%是氦原子核(即α粒子),还有1%是重元素。这些原子核构成宇宙线的99%。孤独的电子(像是β粒子,虽然来源仍不清楚),构成其余1%的绝大部分;γ射线和超高能中微子只占极小的一部分。

      电子显微镜(英语:electron microscope,简称电镜或电显)是使用电子来展示物件的内部或表面的显微镜。

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      图解:透射电子显微镜

      高速的电子的波长比可见光的波长短(波粒二象性),而显微镜的分辨率受其使用的波长的限制,因此电子显微镜的分辨率(约0.2纳米)远高于光学显微镜的分辨率(约200纳米)。

      参考资料

      1.Wikipedia百科全书

      2.天文学名词

      3. 西冽- Andrew Williams

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