Жорж Шарпак - Спогади вигнанця, фізика, громадянина світу, Жорж Шарпак

а ті, своєю чергою, зумовлюють появу крапель. Тож, коли створено умови для перенасичення, достатньо освітити газ і сфотографувати — таким чином можна побачити траєкторії.

Цінність цих камер було складно перебільшити. Якщо можна керувати часом, за який слід утворює краплину потрібного розміру, освітлення вмикають потрібної миті, до того, поки середовище не потьмяніє через конденсацію пари. Це дозволяє за одну тисячну частку секунди прийняти рішення на випередження. Одначе до первісного термодинамічного оброблення газу в камері повернутися можна лише за тривалий час — чекати можна аж годину, якщо камера дуже велика.

Саме в такій камері Жоліо й Чедвік зафіксували перший нейтрон. Тоді про існування нейтронів лише здогадувалися. Чедвік, побачивши світлину, вирішив, що французи, напевно, бачили водневий струмінь газу, зумовленого нейтроном — частинкою, яку вже давно намагалися виявити в лабораторії Резерфорда. Переконливий дослід Чедвіка приніс йому Нобелівську премію.

Іншим знаряддям, яке посідало не меншу здатність розкодовувати складні процеси, була густа фотоемульсія. Використовувати могли до кількасот літрів емульсії — її переділяли на величезну кількість дрібних бляшок; потрібно було кілька років, аби команди фізиків проаналізували їх та дослідили події, які з’являлися на них досить рідко.

Один із науковців, які розробили цю техніку, — англієць Павелл відкрив також мезон π у космічних променях, за що одержав Нобелівську премію. Низка премій, якими винагороджували винахідників детекторів, показує, яке величезне значення приділяли відкриттям, що дозволяли збудувати нові прилади, аби спостерігати за ядерними реакціями.

Детектори і зображення

Застосування у біології

Наш винахід пропорційних камер знайшов вельми продуктивне застосування у біології.

Ми помітили, що завдяки лавинам в однорідному полі можна досягти передання світла, що його можна сфотографувати за допомоги підсилювачів світіння. Це дозволяло отримати зображення поверхонь, що випромінюють світло під впливом збудження іонізуючим промінням.

Нині в лабораторіях стоять сотні таких детекторів. Їхня реакція в сотні раз швидша за реакцію фотоемульсії. Вони спричиняються до значних відкриттів. Їм доводиться змагатися з приладами, де молекули позначають нерадіоактивними люмінесцентними речовинами; дуже складно отримати речовини, хімічний склад яких не менш гнучкий, ніж склад молекул, до яких входить тритій позначених тритієм або радіоактивних тіл — тож маємо велике досягнення.

Розшифрування складних молекул

Пропорційні камери набули великого значення, бо дозволяють використовувати пучки рентгенівських променів, заломлених кристалами молекул, використаних у потужних джерелах синхроциклотрона, та отримати доступ до структури дуже складних молекул.

Одну з варіацій цих камер у ЦЕРНі збудували, аби подолати значний паралакс, викликаний надмірною густотою ксенону, необхідною для поглинання рентгенівських променів напругою в кількадесят кеВ. Ішлося про сферичну камеру, у центрі якої розташовувалися кристали досліджуваної речовини. Камеру використовували впродовж десятка років як обладнання лінії пучків синхроциклотрона в Інституті ядерної фізики в Орсе31.

Після тривалої чесної служби прилад замінили — для нового європейського прискорювача SOLEIL (від франц. «soleil» – сонце) в Орсе — на тверді детектори. Коштують вони дорожче — три мільйони євро за один детектор розмірами 30х30 см². Я переконаний: завдяки газовим детекторам, винайденим частково задля підвищення точності та швидкості, які бачимо нині в нових прискорювачах, пощастило досягти прогресу, який з часом поверне нас до використання газорозширювальних камер, — адже коштують вони набагато менше.

Ми бачили, як пропорційні камери намагалися використати у найменш очікуваний спосіб, наприклад, для відхилення пучків частинок надвисокої енергії кристалами заради точності вимірювань у камерах траєкторних вимірів, створених для відхилення пучків викривленими кристалами на надкоротких відстанях.

Розвиток рентгенографії

Одне з перших значних практичних застосувань пропорційної камери для візуалізації рентгенівських променів у медицині винайшла група вчених із Новосибірська. Члени групи хотіли скористатися з переваги чутливості, якої можна було досягнути, використавши рентгенівські фотони для індивідуальної фіксації. Вони оприлюднили разючі світлини новонароджених перед матковим вічком, завузьким для виходу назовні — отже, виникала необхідність у кесаревому розтині, діагностувати яку можна було завдяки світлинам, отриманим за використання ксенону та камер, що фіксували рентгенівські промені напругою в кількасот кеВ. Вони запровадили цікаву інновацію — не паралельні струни-детектори, що сходилися біля джерела. Так учені зуміли подолати паралакс дуже густого газового детектора.

Згадаю і рентгенографію автомобіля за допомоги приладу, створеного компанією «Шлумберґер»32 — у ньому використовувалися гамма-промені напругою близько десяти МеВ. Цей прилад робив світлини дуже великих об’єктів — наприклад, контейнерів заввишки шість метрів. Інженер змогли пристосуватися до великих розмірів.

Доктори Ів Шарпак та Філіпп Деманж33 вирушили до Новосибірська, помилувалися цим дивом і згодом переконали лікарів Каліфу й Дюбуссе поставити новосибірську розробку в їхній лікарні. Втім застосувати прилад не довелося, бо використання рентгенівських променів у чутливих тканинах зародка вважалося неприпустимим.

На той час доктор Дюбуссе працював у лабораторії біомеханіки Національної вищої школи мистецтв і ремесел над оптимізацією рентгенівських світлин хребта людини у фас і профіль для отримання тривимірного зображення спинного мозку. Цілком природно виникла думка здійснити стереорентгенографію, значно знизивши кількість променів, потрібних для отримання зображення. Тож завдяки цифровій стереорентгенографії та роботі інженерів-біомеханіків було отримано віртуальне зображення хребта без використання тривимірних даних.

Поєднання ідей доктора Дюбуссе, розробок учених із лабораторії вищої школи мистецтв і ремесел та таланту інженерів компанії «Шлумберґер», які допомогли встановити першу в Парижі камеру та винайшли ксенонову пропорційну камеру, пристосовану для фіксації розсіюваних пучків, дозволило створити прилад, що хутко набув популярності.

Цей апарат, що сканує пацієнта, який стоїть, з голови до ніг, дозволяє вивчити певну ділянку кістяка відносно інших у просторовому вимірі. Він також дає можливість точно вирахувати найбільш рівноважну позицію піддослідного, визначаючи наявні вади та відхилення. Завдяки цьому було досягнуто значного прогресу у визначенні готовності до деяких видів хірургічних операцій, як-от: установлення протеза кульшового суглоба чи коліна, визначення рівня та кількості виправлень і хірургічних фіксацій, необхідних для лікування викривлень хребта.

Варті згадки й корекції, отримані не лише у двох, а й у трьох вимірах у позиції стоячи — себто у зручній позі, — це не вимагало звичних реконструкцій у 3D, що їх отримували проведенням комп’ютерної томографії в позиції лежачи. Лише це уможливило перехід від горизонтальної позиції кістяка пацієнта до вертикальної, що зумовило новий погляд на фізіологію людини та патології як росту, так і старіння.

Отже, випадковий збіг дуже різних здібностей привів до розвитку ідей, сперш ніяк не пов’язаних між собою. Було зроблено рішучий крок уперед, адже прилад, безперечно, значною мірою розвиватиметься.

Успіх цього детектора заслуговує на особливу увагу, бо справді ілюструє здатність винахідників розширювати поле використання знахідок завдяки міждисциплінарній співпраці.

Отже, вплив пропорційної камери був значно більшим за звичайну візуалізацію іонізованої частинки у газі. Спостереження дали можливість зробити стрибок уперед у розумінні кількох фундаментальних властивостей вільних електронів у газі та чи