СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ
ЛУЧЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

На декабрьской (2002 года) научной сессии Общего собрания СО РАН была рассмотрена группа докладов и сообщений по теме "Новые технологии для решения междисциплинарных исследовательских и технологических задач". Первым выступил заместитель председателя СО РАН член-корреспондент РАН Г.Кулипанов. Его доклад посвящен лучевым технологиям, основанным на использовании промышленных ускорителей электронов, источников синхротронного излучения и лазеров на свободных электронах. Приводим сокращенный для публикации в "НВС" материал доклада.

Г.Кулипанов,
член-корреспондент РАН

В последние десятилетия ускорители заряженных частиц нашли много применений в областях, далеких от физики высоких энергий и ядерной физики, для которых они первоначально развивались и создавались. Строительство источников синхротронного излучения, лазеров на свободных электронах, ускорителей на средние (~ ГэВ) и малые (~ МэВ) энергии не только для медицинских, исследовательских и технологических центров, но также для промышленного применения, образует сейчас мировой рынок на сумму около двух миллиардов долларов в год.

Современные физические установки, создаваемые для решения задач физики высоких энергий и ядерной физики, сейчас, как правило, представляют собой сложный комплекс ускорительных установок, состоящих из инжекторов, линейных ускорителей, циклических ускорителей — синхротронов и накопителей заряженных частиц. Все эти установки и послужили основой создания ускорительной техники, используемой в лучевых технологиях.

В качестве примеров — работы, сделанные на установках, созданных в Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН, одним из определяющих принципов развития которого является тесное сочетание фундаментальных и прикладных исследований. Целью данного сообщения является также обсуждение состояния и планов сотрудничества институтов СО РАН в развитии этих технологий.

Промышленные ускорители электронов

Работы по созданию промышленных ускорителей электронов были начаты в Институте ядерной физики по инициативе академика Г.И.Будкера в шестидесятые годы. В настоящее время примерно из 1100 ускорителей с энергией (0.4-5) МэВ и мощностью (10-200 кВт), используемых сейчас в промышленности и технологических центрах всего мира, около 120 ускорителей произведено в ИЯФ СО РАН. Институт сейчас разрабатывает и производит промышленные ускорители прямого действия двух типов:

— серии ЭЛВ (выпрямительного типа) с энергией (0.2-2.5) МэВ, мощностью от 20 до 400 кВт, имеющих коэффициент полезного действия от розетки более 90% (лаборатория профессора Р.Салимова);

— серии ИЛУ (высокочастотного типа) с энергией (0.7-5) МэВ, мощностью от 10 до 50 кВт (лаборатория профессора В.Ауслендера).

Ускорители серий ЭЛВ и ИЛУ создаются на базе унифицированных изделий. Машины рассчитаны на непрерывную работу в промышленных условиях (до 7000 часов в году), снабжены разнообразными системами развертки пучка электронов для облучения различных продуктов.

До 1990 года Институтом ядерной физики им. Г.И.Будкера было создано и поставлено в республики Советского Союза более 70-ти различного типа ускорителей. За последние десять лет основным рынком для поставки промышленных ускорителей являются зарубежные страны (Китай, Южная Корея, Япония, США, Германия, Чехия, Индия, Польша, Италия), куда к настоящему времени поставлено более 40 ускорителей.

Более 70% всех ускорителей во всем мире применяются для радиационно-химических технологий, используемых при производстве кабельной продукции с термостойкой изоляцией, полимерных труб горячего водоснабжения, термоусаживаемых труб, манжетов и пленок, хладостойких полимеров, полимерных рулонных композитных материалов.

Уникальная технология по использованию радиационно-химических процессов для производства нового типа лекарств была разработана в Сибирском отделении сотрудниками Института цитологии и генетики и ИЯФ (об этой работе рассказано в сообщении А.Троицкого). Как правило, радиационно-химические технологии используют электронный пучок, выведенный в атмосферу через тонкие металлические окна, с пространственной разверткой. Ускорители ИЯФ в течение многих лет (в некоторых случаях — более 20 лет) работают на технологических линиях "Мозырькабеля" в Белоруссии, "Азовкабеля" в Бердянске, на Кировском комбинате искусственных кож, Уфимском заводе резино-технических изделий, Ивановском НИИПИК, на заводах в Подольске, Ростове, Перми. Электронные ускорители с большой средней мощностью (100-200) кВт используются для решения экологических проблем: очистки дымов от окислов серы и азота, диоксинов на электрических и тепловых станциях и фабриках по сжиганию мусора; очистки воды, промышленных стоков, загрязненных участков земли от вредных органических и неорганических примесей.

Далее докладчик продемонстрировал схему очистки сточной воды с помощью ускорителя электронов, динамику восстановления загрязненной территории подземных вод города Воронеж в процессе эксплуатации системы очистки сточных вод, закачанных в подземную линзу в послевоенное время. Работа по очистке осуществлялась с помощью трех промышленных ускорителей электронов, изготовленных в ИЯФ СО РАН и работавших в г.Воронеж с 1985 по 2000 год.

Очень перспективным представляется использование электронных ускорителей для производства продукции на базе радиационно-термических технологий с помощью электронного пучка, выведенного через небольшую диафрагму в атмосферу, обеспечивающего в непрерывном режиме плотность мощности до 5 МВт/см². Институты Сибирского отделения (ИХТТиМС, ИТПМ, ИНХ, ИК) в последние годы работают на стендах ИЯФ и отрабатывают различные радиационно-термические технологии: синтез специальных керамик, поверхностное упрочение металлов, производство нанопорошков.

Электронные ускорители успешно используются для процесса сухой, низкотемпературной, экологически чистой стерилизации лекарств и медицинского инструмента, продуктов питания (мясо, морепродукты, овощи, фрукты, зерно). Можно привести много примеров использования ИЯФовских ускорителей для дезинсекции зерна (портовый элеватор в г.Одесса), стерилизации разового медицинского инструментария (г.Ижевск), "электронной пастеризации" мяса (США).

Отсутствие в течение последних десяти лет целенаправленной государственной политики по развитию радиационных технологий, существенное ослабление отраслевой науки заставляет институты СО РАН более активно участвовать в работах по созданию новых технологий, основанных на использовании электронных ускорителей, практической реализации этих технологий, созданию российского (в первую очередь — новосибирского) рынка использования электронно-лучевых технологий.

Синхротронное излучение

Уникальные свойства синхротронного излучения (широкий спектральный диапазон, большая мощность, высокая яркость источников, естественная поляризация излучения) объясняют большой интерес к его использованию для решения фундаментальных и прикладных задач.

Центры синхротронного излучения, число которых сейчас во всем мире более 60, судя по публикациям в журналах "Science" и "Nature", являются в последние годы одним из основных поставщиков новой научной информации в биологии, физике поверхности, физике твердого тела, материаловедении. Центры синхротронного излучения обеспечивают и различные прикладные исследования, а также являются базой для разработки новых уникальных технологий.

Сибирский центр синхротронного излучения, созданный более 20 лет назад, сейчас конечно уже не входит в первую десятку самых лучших Центров синхротронного излучения в мире. Однако по-прежнему много групп не только из институтов Сибирского отделения, но и из других городов России и зарубежных стран работает в Сибирском центре. Ежегодно публикуется более 200 работ на основании исследований, проведенных в нашем Центре. Среди них много пионерских работ, сделанных впервые в мире, и мы по ряду направлений удерживаем приоритет. В сообщении академика В.Титова подробно рассказано об исследовании ударно-волновых и детонационных процессов — синхротронное излучение и современная аппаратура детектирования позволяют исследовать процессы с разрешением в миллиардную долю секунды.

Интересны результаты из другой области — исследования палеоклимата, проведенные с помощью синхротронного излучения группой Лимнологического института и ИЯФ. Изменения климата на Земле изучаются по изменению концентрации микроэлементов в донных осадках озер. Станция рентгенофлуоресцентного элементного анализа "Байкал", на которой производились измерения донных осадков — одна из двенадцати экспериментальных станций Сибирского центра синхротронного излучения. В донных осадках озера Телецкое в период с 1400 по 1650 годы наблюдается синхронное изменение концентрации нескольких элементов с периодом примерно в 9.4 года, который легко находится из Фурье-анализа спектров. Такой же Фурье-анализ сделан для изменения концентрации микроэлементов в донных осадках озера Байкал, но уже в масштабе миллиона лет. Оказалось, периоды изменения концентраций элементов соответствуют изменениям климата на Земле, с периодом 19, 23, 41, 72 и 96 тысяч лет. Общим в результатах исследования донных осадков озера Телецкое и озера Байкал является то, что эти периоды легко вычисляются и давным-давно были рассчитаны. Периоды в десятки тысяч лет являются так называемыми периодами Миланковича, которые определяют изменение параметров орбиты Земли вокруг Солнца благодаря гравитационному взаимодействию планет Солнечной системы. А период в 9,45 года также находится при решении задачи изменения амплитуды приливных океанских волн при учете взаимодействия не только Луны и Земли, но и Солнца. Это очень важные экспериментальные результаты, показывающие, что заметные изменения климата на Земле объясняются простыми физическими эффектами, а не непонятными словами о влиянии деятельности человека на климат.

Синхротронное излучение во многих Центрах, в том числе и у нас, используется и для разработки технологий. Технологические возможности использования синхротронного излучения, реализуемые сейчас, довольно широки: изготовление микроэлектромеханических систем (MEMs) с помощью LIGA-технологий; белковая кристаллография для фармацевтической промышленности; структурный и химически анализ для создания новых материалов; медицинская диагностика и терапия.

Под эти технологии строятся специальные источники синхротронного излучения (СИ), в России это источник СИ "Сибирь-2" в Курчатовском центре и накопитель в Зеленограде, которые создавались и создаются Институтом ядерной физики им. Г.И.Будкера.

Для развития LIGA-технологии в этом году создана новая станция на накопителе ВЭПП-3. С помощью глубокой рентгеновской литографии и гальваники можно получать сложные механические структуры размером от сотен микрон до микрона из полимеров, металла, керамики. При этом шероховатость поверхности меньше 0.2 микрона, а аспектное отношение (толщина к зазору) достигает 10²-10³. Соединяя такие структуры с микроэлектроникой можно создавать модульные микросистемы. Безусловно, создание аналогичных микроэлектромеханических структур — это технология будущего.

Лазеры на свободных электронах

Лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) с мощностью ~ 1 Вт благодаря своим уникальным свойствам (плавная перестраиваемость длины волны; дифракционное качество пучков, независимо от мощности; потенциально большая средняя мощность (10-100 кВт), потенциально высокий кпд от розетки ~ 10%, в последние десять лет активно используются в научных исследованиях (физика твердого тела, химия, биология, медицина). Однако практически независимо от мощности, ЛСЭ требует использования достаточно большого ускорителя электронов (Е ~ 100 МэВ), поэтому это всегда габаритное, сложное и дорогое устройство. Следовательно, более адекватно применение ЛСЭ на больших мощностях (10-100) кВт, необходимых не для исследований, а в технологических процессах.

В течение следующих пяти лет перестраиваемые по длине волны ЛСЭ с непрерывной мощностью 10-100 кВт начнут работать во многих центрах мира. В этом случае ЛСЭ будут производить свет стоимостью меньше 0.2 цента/кДж, что составляет 10^-2 от стоимости света эксимерных лазеров, которые сейчас активно используются в промышленности. Анализ технологических применений мощных перестраиваемых ЛСЭ показывает, что их можно будет эффективно использовать для различных задач: реализации фотохимических технологий в реальном производстве; крупномасштабного дешевого производства стабильных изотопов, очень необходимого для развиваемой сейчас "изотопной инженерии"; модификации поверхности полимеров, металлов; производства наноматериалов; передачи энергии в космос для питания искусственных спутников Земли.

Почти десять лет назад Постановлением Президиума СО РАН было решено создать Сибирский центр фотохимических исследований и технологий на базе ИЯФ и ИХКиГ. Главной установкой в этом Центре должен быть ЛСЭ на основе нового типа ускорителя — восьмиоборотного микротрона с рекуперацией энергии. Лазер должен иметь мощность 10-100 кВт в диапазоне длин волн 2-30 мкм. В этом году запущена первая очередь ускорителя-рекуператора — однооборотный вариант. В начале 2003 года заработает ЛСЭ в субмиллиметровом диапазоне (100-300 мкм) с мощностью 1-6 кВт. Этот диапазон длин, практически не используемый ранее из-за отсутствия источников, в последние несколько лет стал привлекать внимание многих исследователей. Кроме того, мы надеемся одновременно в высших гармониках получить излучение мощностью (0.1-1) Вт в диапазоне (30-5) мкм. Поэтому во второй половине 2003 года Центр фотохимических исследований начнет отладку экспериментальных станций и, возможно, начнутся первые эксперименты. Восьмидорожечный вариант, который позволит иметь 10-100 кВт в диапазоне 2 — 30 мкм, будет реализован через два года. (О программе и подготовке к работе Центра фотохимических исследований рассказано в сообщении профессора А.Петрова из Института химической кинетики и горения СО РАН.) К участию в будущей программе работ готовятся группы из многих институтов СО РАН (ИХКиГ, ИНХ, ИК, ИОА и др.).

Исследования и разработка лучевых технологий на базе промышленных ускорителей, источников синхротронного излучения и лазеров на свободных электронах — прекрасное поле деятельности для интеграции усилий институтов СО РАН.

Один из возможных путей практической реализации лучевых технологий для полномасштабного их использования при выпуске реальной продукции — создание совместно с институтами малых предприятий, территориально отделенных от институтов.

Отметим, что развитие прикладных работ в Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера по созданию промышленных ускорителей электронов, источников синхротронного излучения, лазеров на свободных электронах подтверждает правильность и жизненную необходимость реализации одного из определяющих принципов развития института — тесного сочетания фундаментальных и прикладных исследований.

стр. 6-7