Версия для печати
Вернуться к списку

Дырки из ускорителя

Прошло более полувека, как в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) был создан знаменитый синхрофазотрон. Возможно, 50 лет назад кому-нибудь могло показаться, что и ускоритель, и институт предназначены исключительно для фундаментальных открытий и поэтому далеки от нужд народного хозяйства. Но сейчас ясно, что это не так. ОИЯИ - признанный мировой лидер не только по научным исследованиям, но и по практическому применению своих ускорителей.

- У нашего сугубо фундаментального института, - говорит директор ОИЯИ член-корреспондент РАН Алексей Сисакян, - существует хорошая традиция - заниматься прикладными исследованиями. Она началась еще в то время, когда ведущие ученые ОИЯИ Г.Флеров, Н.Боголюбов, Д.Блохинцев по заданию государства много работали по прикладной тематике. Уже более 15 лет мы интенсивно создаем так называемый инновационный пояс вокруг института. Основываясь на сделанных у нас фундаментальных работах, способствуем разработке приборов и доведению их до уровня товара. Мы играем роль своеобразного инкубатора новых идей и доводим их до экспериментального образца. Но заниматься маркетингом товара и его продвижением на рынок институту такого уровня, как наш, по-видимому, не стоит. Здесь мы больше потеряем, чем приобретем.

- Что конкретно вы можете предложить народному хозяйству?

- У нас около 50 инновационных проектов. Некоторые из них уже имеют состояние товара, другие - экспериментального образца. При институте создано научно-производственное объединение “Аспект”, которое занимается применением атомных спектрометров для решения ряда практических задач. Например, ими разработан прибор, которым оснащены таможенные посты не только Российской Федерации, но и некоторых других стран. Если кто-нибудь пытается пронести радиоактивное вещество через таможенный пост, то его излучение улавливается прибором и затем идентифицируется. Кроме того, разработан экспериментальный образец прибора, способного обнаружить спиртсодержащие жидкости, наркотики, взрывчатку и другие опасные вещества. Прибор оснащен небольшой нейтронной пушкой, которая обстреливает исследуемый образец. Возникающее при этом гамма-излучение анализируется специальным детектором и обрабатывается с помощью небольшого компьютера, что позволяет очень точно определить химический состав спрятанного вещества. Так ядерная физика способна решать проблемы безопасности.

- Есть ли практическая отдача непосредственно от ускорителей?

- Мы нашли им интересное применение в медицине. Например, протонные и углеродные пучки используются при лечении онкологических заболеваний. Для этого в медсанчасти института создана небольшая клиника, где проводится лечение больных. Разрушение опухоли протонами протекает намного безопаснее, чем при использовании традиционной гамма-терапии. Когда гамма-лучи проникают в организм, они одинаково сильно разрушают и опухоль, и здоровые ткани, через которые вынуждены пройти. Протоны же взаимодействуют с веществом иначе. Когда протон на достаточно высокой скорости проникает в тело, то сначала движется в нем, практически не производя никаких разрушений, и постепенно теряет свою энергию. Наибольшие разрушения он производит уже в самом конце своего пути, перед тем, как полностью остановиться. Можно рассчитать скорость протонов, чтобы они, попадая в организм, разрушали именно опухоль и почти не повреждали здоровые ткани.

А вот другое интересное направление. С помощью ускорителей производятся изотопы с определенными параметрами, которые затем используются для диагностики организма, в том числе и для выявления сердечнососудистых заболеваний. Например, пациенту вводится очень малое количество изотопа таллия с периодом полураспада 48 часов. Он распределяется по всей кровеносной системе, а затем с помощью специальных датчиков, регистрирующих его излучение, мы получаем полную картину всех сосудов. И если какие-то из них повреждены, то это будет сразу же обнаружено. А через несколько суток весь таллий бесследно распадается. Из некоторых изотопов делают инъекции для локального удаления небольшой опухоли.

- Сейчас в стране большее внимание уделяется развитию нанотехнологий. А как у вас обстоят дела в этой сфере?

- Мы с самого основания института работаем с элементарными частицами, размеры которых в миллионы раз меньше нанометра! Я помню, как выдающийся ученый академик Г.Флеров еще лет двадцать пять назад говорил об использовании ускорителей в нанотехнологиях, хотя и слова такого тогда не было. Для этой цели он организовал в лаборатории ядерных реакций, которая была впоследствии названа его именем, отдел прикладной ядерной физики. Одна из основных задач этого отдела - разработка технологии создания трековых мембран - ядерных фильтров с помощью ускорителей тяжелых ионов. Напомню, что ион - это обычный атом с частично “оборванными” электронами. Когда он на большой скорости пролетает через вещество, то оставляет в нем трек, вызывая радиационные повреждения материала, которые в миллионы раз превышают аналогичные повреждения, создаваемые другими типами излучений. Чем больше ядерный заряд иона, тем более значительные повреждения он создает.

Материал в треках существенно изменяет свои макроскопические свойства, благодаря чему появляется возможность создавать в нем гетерогенные микро- и наноструктуры. “Продырявив” пучками тяжелых ионов с заданными параметрами пластиковую пленку, а затем обработав поврежденный материал кислотой, можно увеличить толщину трека до нужного значения. Используя различные ионы и меняя интенсивность пучка, можно получить требуемое количество нанодырок определенного размера в пленке. Сейчас мы уже научились изготавливать отверстия нужного диаметра с погрешностью менее 5% и делать сито на основе полимерной пленки с плотностью пор, варьирующейся в пределах от миллиона до миллиарда на квадратный сантиметр. В результате получаются уникальные нанофильтры, способные пропускать чистый воздух, но задерживающие мельчайшие частички пыли. Такие приспособления используются при создании так называемых чистых комнат, применяемых в медицине и электронной промышленности, на их основе разрабатываются респираторы и противогазы, они используются также для очистки питьевой воды. Сейчас в лаборатории ядерных реакций налажено производство трековых мембран в количестве 50 тысяч квадратных метров в год. Ведется разработка трековых мембран нового поколения. В частности, создана технология, позволяющая придавать порам различную форму: конусообразную, сигарообразную, песочных часов. Разрабатываются так называемые “умные” мембраны, способные менять свою проницаемость в зависимости от приложенного напряжения.

Делая мельчайшие дырки в пластике, можно потом их заполнить различными металлами и полупроводниками и таким образом “вырастить” элементы для наноэлектроники. В результате возникает очень удобная гибкая печатная плата. Кроме того, скорость ионов можно сделать достаточно малой, чтобы они не пробивали пленку насквозь, а оставляли в ней только глубокие, естественно по меркам наномира, кратеры. Облучив пленку с двух сторон, мы можем добиться того, что благодаря этим кратерам площадь поверхности возрастет в тысячи раз! Покрыв такую изрытую, но все же целую пленку с двух сторон тонким слоем металла, получаем конденсатор небольшого размера, обладающий очень высокой емкостью. Ведь, как известно, емкость конденсатора прямо пропорциональна площади его пластин.

Другое уникальное нанотехнологическое направление связано с существованием у нас нейтронных источников. С их помощью можно изучать различные мельчайшие структуры, в том числе наноструктуры и наноматериалы.

Такой институт, как наш, обладающий мощным научно-техническим потенциалом, является благодатной почвой для развития новых идей. Именно поэтому мы всегда настаивали на том, что экономические зоны должны строиться не на пустом месте, а вокруг крупных научных центров. Основная направленность нашей зоны - ядерно-физические и информационные технологии. В ней мы собирается создать определенную инфраструктуру, в которой различные организации будут использовать для практических целей существующие в институте ускорители, что позволит получить ощутимую экономическую выгоду и реализовать множество интересных и уникальных проектов.

- Алексей Норайрович, ваш институт активно сотрудничает с ведущими мировыми центрами в области фундаментальной науки. Существует ли подобное сотрудничество в сфере промышленного применения ускорителей?

- К сожалению, в погоне за высокими энергиями многие страны уже давно отказались от ускорителей тяжелых ионов, и их осталось во всем мире совсем немного, кроме того, они, как правило, не предназначены для практического использования. Поэтому мы помогаем создавать специализированные ускорители для зарубежных научных центров, проектируя их с ориентацией не только на фундаментальные исследования, но и на прикладные задачи. При нашем непосредственном и определяющем участии были созданы циклотроны тяжелых ионов в Варшавском университете, в Институте атомной физике в Белграде, в Циклотронном центре в Братиславе. На очереди - создание ускорительного комплекса Евразийского университета в Астане. Кроме того, мы оказываем помощь своим коллегам из Германии, которые планируют применять ускоритель для решения ряда практических задач.