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
|
