Какие ускорители производят в Новосибирске и кому они
нужны?
Ускорители
заряженных частиц, которые обычно ассоциируются с Большим адронным коллайдером,
уже несколько десятилетий не просто важнейшая часть фундаментальной науки. В
новосибирском Институте ядерной физики (ИЯФ) имени Г. И. Будкера СО РАН
производят линейные ускорители, которые используют для различных промышленных
целей: от производства нанопорошков до очистки воды.
Ускорители, где
изучают физику элементарных частиц, существуют давно, еще с середины прошлого
века. Такие установки называют коллайдерами, название происходит от английского
слова collide, «сталкивать». В них протоны, электроны, нейтроны и другие
элементарные частицы разгоняют до околосветовых скоростей, чтобы столкнуть.
Столкнув, например, электрон и позитрон, физики получают четыре пиона, которые
можно изучать. По-другому на них не удастся взглянуть.
Мини-БАК
Подобных
коллайдеров в мире существует всего семь. Два из них находятся в новосибирском
Институте ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН — ВЭПП-4М и ВЭПП-2000.
Аббревиатура означает «встречные электрон-позитронные пучки». Главные
составляющие установок — это место встречи самих частиц, то есть коллайдер, и
детектор, позволяющий физикам зафиксировать результат столкновений. Времени для
измерения, например, массы объектов довольно мало — меньше триллионной доли
секунды.
«Увидеть
электронный пучок можно при помощи синхротронного излучения. Это узкий конус,
который излучает пучок, когда летит в ускорителе со скоростью, близкой к
скорости света. Видимая часть спектра, наблюдаемая системами оптической
диагностики, при фокусировке на рабочей поверхности приборов повторяет форму
пучка. И значит, что по синхротронному излучению, например при использовании
специальных видеокамер, мы можем видеть, какое поперечное сечение у самого
пучка. При помощи более сложной техники можно измерить и длину электронного
пучка»,— объясняет младший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Максим Тимошенко.
Такие ускорители
строят в форме колец, чтобы частицы в пучках, двигаясь по кругу, набирали
нужную скорость и энергию. А траекторию движения частиц корректируют магниты,
расположенные вокруг стенок ускорителя. Самый известный — Большой адронный
коллайдер (БАК) в длину достигает почти 27 км. Новосибирские ускорители,
конечно, меньше — кольцо установки ВЭПП-2000 в длину 24 м. Соответственно и
энергия, с которой они работают, меньше — от 2 до 6 ГэВ (гигаэлектронвольт). В
то время как БАК работает на 6,5 ТэВ (тераэлектронвольт), что в тысячу раз
больше.
«Изначально идеи
ускорителей частиц и метода встречных пучков были реализованы для экспериментов
в области физики элементарных частиц и высоких энергий, то есть исключительно
для решения задач фундаментальной науки. Позже ускорители частиц получили
распространение и в более прикладных областях. Но о возможностях частиц высоких
энергий работать над усовершенствованием материалов, стерилизации
сельскохозяйственных продуктов и прочего в ИЯФ СО РАН знали почти сразу»,—
говорит заведующий лабораторией промышленных ускорителей ИЯФ СО РАН Александр
Брязгин.
Резонанс и транзистор
Помимо изучения
мира фундаментальной физики, куда можно добраться только с помощью ускорителей,
эти установки используют и в промышленности. Это линейные ускорители частиц. В
новосибирском ИЯФ их два типа: ЭЛВ (электронный выпрямитель) и ИЛУ (импульсный
линейный ускоритель). В этом июле институт отмечал 50-летний юбилей первого
промышленного ускорителя — ЭЛВ. Физики за полвека развития разработали десятки
различных моделей промышленных установок.
ЭЛВ и ИЛУ
различаются принципом воздействия на частицу. В ИЛУ источником электрона выступает
гексаборид лантана, так называемый «нагревной катод». При нагревании в вакууме
он начинает выпускать электроны непрерывным потоком. Они сравнительно медленно
устремляются к ускоряющему зазору резонатора, где находится электрическое поле
с заданной напряженностью до 10 мегавольт. Пролетая сквозь зазор, электрон
получает энергию 10 МэВ (мегаэлектронвольт) и разгоняется практически до
скорости света. Далее он проходит через титановую фольгу и попадает в
атмосферу. А установки типа ЭЛВ ускоряют электроны с помощью постоянного
электрического поля, создаваемого трансформаторами.
«Благодаря явлению
резонанса в установках ИЛУ мы из входящего напряжения в 30 киловольт получаем
до 5 мегавольт на одном ускоряющем зазоре. Соединив несколько резонаторов
последовательно, мы ускоряем пучок до 10 МэВ. У этого способа КПД до 30%. КПД в
данном случае — это преобразование потребляемой мощности в мощность пучка.
Допустим, ускоритель получает из электрической сети 400 киловатт, а ускоренный
пучок электронов имеет мощность 100 киловатт. КПД здесь будет 25%. В ЭЛВ
повышающий трансформатор вместе с умножителями мощности выдают до 4 мегавольт.
При этом КПД этого ускорителя гораздо выше — около 70–80%. И чем больше энергия
электронов, тем более толстую упаковку мы можем пробить электронами, а чем выше
ток пучка, тем быстрее продукт облучается и едет по конвейеру»,— рассказывает
Александр Брязгин.
Стреляй по коробкам
Продукты в случае
промышленных ускорителей — это изоляция проводов, заготовки автомобильных шин,
медицинские изделия, сточные воды, пищевые продукты. Еще свойства этих
установок используют для получения нанопорошков и полимеров. Хронологически
проводная изоляция была первым объектом, который модифицировали с помощью прикладных
ускорителей. Происходит это следующим образом.
Длинные молекулы
полиэтилена никак между собой не связаны, поэтому этот материал так легко
растягивается, плавится и рвется. Они состоят из атомов углерода (в центре) и
атомов водорода (по краям). При облучении проводов связи С-Н разрушаются, атомы
водорода улетают, а молекула полиэтилена становится свободным радикалом,
который соединяется с другими такими же. В итоге получается сетчатая структура,
которая гораздо прочнее прежней структуры полиэтилена. Такие провода дольше
служат и по ним можно пускать ток с высоким напряжением.
«Радиация, то есть
ускоренные электроны, иначе зовется проникающей радиацией. Она проходит внутрь
объекта и инициализирует в нем различные виды химических реакций. Как правило,
химические реакции при холодной температуре протекают медленно. А если мы
нагреем какой-нибудь сосуд с химикатами, то скорость реакции резко вырастет.
Вот точно так же при облучении: объект остается холодным, но химическая
активность его резко возрастает. То есть мы нагреваем не весь объект, а
отдельные атомы. Поэтому это называют локальным нагревом»,— объясняет Александр
Брязгин.
Таким же образом
облучаются медицинские изделия. Коробка, например, с халатами или инструментами
приходит на стерилизацию. Ее обстреливают заряженными электронами, которые
проникают сквозь стенки упаковки и убивают болезнетворные бактерии. Дорога по
конвейеру заканчивается, коробку забирают и везут в аптеку или медучреждение.
После облучения степень стерильности (SAL) равна 10^–6, то есть на миллион
изделий допустим один микроб. Этот процесс гораздо быстрее традиционной
обработки дезинфицирующим газом. Облучение не требует вскрытия продукта в
стерильных условиях и последующей стерильной запаковки.
Однако, если
объект на конвейере слишком объемный и энергии электронов недостаточно, чтобы
«прострелить» его насквозь, физики прибегают к конвертации ускоренных
электронов. Ученые помещают под поток электронов танталовую мишень. Тантал —
это тяжелый металл, в поле которого электроны сильно тормозятся и образуют
гамма-кванты. У этих частиц проникающая способность гораздо выше, чем у
электронов, но производительность значительно ниже. Дело в том, что коэффициент
конвертации в этом случае меньше 20%. То есть при тех же затратах электроэнергии
гамма-квантов образуется в пять раз меньше, чем электронов. К тому же мишень
нагревается и ее нужно охлаждать.
«Метод
электронно-лучевой очистки воды используется пока только экспериментально. Для
реального процесса требуется очень много мощности. Скажем, 400 киловатт
позволит обрабатывать что-то в районе 3–4 тыс. кубометров воды в час. А в стоке
миллионы кубометров. Вода протекает слоем в несколько миллиметров под выпускным
устройством ускорителя. Достаточно 1–2 МэВ энергии, потому что с зарядом в 2
МэВ электрон сможет пробить сантиметр вещества. И в процессе облучения в воде
появляются не только свободные электроны, но и свободные радикалы, которые
разрушают вредные вещества. Иначе говоря, происходят химические реакции,
которые в нормальных условиях либо невозможны, либо протекают слишком
медленно»,— рассказывает главный научный сотрудник лаборатории промышленных
ускорителей ИЯФ имени Будкера Николай Куксанов.
Ускоритель навынос
Облучением и
очисткой сточной воды с помощью новосибирского ускорителя займутся в Бразилии.
Физики ИЯФ СО РАН совместно с коллегами из южнокорейского Института
электронно-пучковых технологий разработали передвижную установку, основанную на
ускорителе ЭЛВ. Она предназначена для испытания методов очистки воды в притоках
Амазонки. На основе собранных данных затем будет создаваться полноценный
ускоритель, который в разы больше мобильной разработки, помещающейся в трейлер.
Ранее с помощью подобных установок очищали воды в южнокорейском городе Тэгу и
стоки, загрязненные отходами Воронежского завода синтетического каучука.
Промышленный
ускоритель — это довольно громоздкое и дорогое сооружение. Сам аппарат
сравнительно легкий, несколько сотен килограммов, а в высоту 3–4 м. Но каждый
ускоритель должен быть размещен в металлический или бетонный короб с толщиной
стен от 2 м и весом несколько сотен тонн для защиты персонала от его радиации.
Вес и толщина защиты зависит от энергии ускорителя. Чем она выше, тем толще
стены.
«Производителей
таких ускорителей на самом деле не очень много. Хотя у нас есть конкуренты в
России. Вернее, это даже не конкуренты, мы друг друга дополняем. У разных
ускорителей разные параметры и принципы действия, поэтому мы все дружим.
Строительство подобных установок очень дорогое. ИЛУ, например, стоит миллионы
долларов. Мы его здесь производим, испытываем, разбираем и собираем у заказчика.
А он тем временем возводит у себя радиационный бункер, систему охлаждения и
прочую необходимую инфраструктуру. Все это стоит примерно столько же, сколько и
сам ускоритель»,— рассказывает Александр Брязгин.
Промышленные
ускорители пользуются большим спросом за рубежом. География покупателей
довольно разнообразна. Например, установки типа ЭЛВ за последние 40 лет
установили в Китае, Индии, Германии, Турции, Южной Корее, Казахстане и других
странах. Всего около 200 ускорителей. Основное направление применения — это
производство кабелей и проводов.
«Если вы пойдете
на рынок и купите кабель, скорее всего, он будет облучен. Сейчас это очень
массовое производство. Тысячи ускорителей в мире работают на облучение кабелей.
У нас в стране много установок, которые на этот продукт работают многие десятки
лет. В Польше есть один ускоритель, который мы сделали в 1980-х. В 2003-м мы
его модернизировали и поставили еще один — он производит термоусаживаемые трубки.
Срок службы наших ускорителей очень долгий, если соблюдать все правила
эксплуатации»,— объясняет Александр Брязгин.
Также в качестве
покупателей промышленных ускорителей нередко выступают научные учреждения. Им
установки нужны для различных прикладных исследований. Это процесс постоянного
поиска новой сферы использования ионизации, эксперименты с новыми материалами.
В дальнейшем успешные разработки внедряют в производство.
Еда облученная
Еще одна
перспективная область применения промышленных ускорителей — это облучение
заряженными электронами пищевых продуктов. В связи с растущими объемами
производства еды для населения остро встает вопрос увеличения срока годности
продуктов и их безопасности. Один из методов, решающих эту проблему,—
радиационная обработка. Она позволяет уничтожать болезнетворные бактерии и
насекомых, не лишая продукт питательных свойств. На данный момент около 70
стран одобрили этот метод. Обработке ионизирующим излучением подвергают
множество продуктов: специи, зерно, морепродукты, мясо, фрукты и прочее — всего
80 наименований.
В России пока не
так активно занимаются такой обработкой пищевых продуктов. Все дело в том, что
процесс ионизации никак не регулировался до недавнего времени. В марте 2023
года «Российская газета» сообщила, что Госдума приняла законопроект о внесении
поправок к статье «О радиационной безопасности населения». Требования к этой
безопасности должны соответствовать установленным Евразийским экономическим союзом.
Неизвестно,
сколько люди будут привыкать к тому, что продукты, обработанные на линейных
ускорителях, безопасные. Радиацию ведь легко дискредитировать. Для облучения
продуктов нельзя использовать энергетический заряд выше 10 МэВ. В противном
случае частицы начинают ионизировать не только патогенные бактерии, но и атомы
самого продукта. А это сделает его радиоактивным. Сейчас этот метод, который
еще называют холодной пастеризацией, использует центр Tecleor в Калужской
области.
«Облучение
продуктов питания на линейных ускорителях — это огромное преимущество. Они дольше
хранятся, и значит, их будут меньше выбрасывать. Это позволяет расширить
область распространения различной продукции. Во Вьетнаме, например, облучают
креветки и другие морепродукты, чтобы довезти до удаленных от Вьетнама стран.
Или тропические фрукты — вместо того, чтобы химически обрабатывать их газами,
достаточно облучить в соответствии с нормами. И это будет свежий, абсолютно
безопасный продукт, у которого сохранен природный вкус»,— заключает Александр
Брязгин.