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.
Фото: Алексей Танюшин, Коммерсантъ
Фото: Алексей Танюшин, Коммерсантъ
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.