Главная / Текущий номер журнала / Новосибирская область. Наука и промышленность / Фундаментальная физика — основа передовых технологий /

Фундаментальная физика — основа передовых технологий

  Институт ядерной физики СО АН СССР был создан в 1958 г. на базе руководимой Г. И. Будкером Лаборатории новых методов ускорения Института атомной энергии, возглавляемого И. В. Курчатовым. Академик Г. И. Будкер был основателем и первым директором института. Со дня его смерти в 1977 г. директором института, который теперь носит название «Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН», является академик А. Н. Скринский. Сейчас ИЯФ является крупнейшим институтом Российской академии наук — не-смотря на многие перемены, которые произошли в политической, экономической и социальной жизни страны, институту удалось сохранить свой научно-технический потенциал. Как и до перестройки, в штате сегодня около 2800 человек: среди них примерно 400 научных сотрудников, более 700 инженеров и техников, 300 лаборантов и почти 1300 рабочих.

В одном ряду с лидерами

Основным направлением деятельности института были и являются фундаментальные исследования в области физики элементарных частиц и атомного ядра, физики плазмы и управляемого термоядерного синтеза, синхротронного излучения и лазеров на свободных электронах. По этим направлениям ИЯФ является одним из мировых лидеров, и ему принадлежит немало значимых открытий и изобретений: первая реализация метода встречных пучков (вместе со Стэнфордским университетом, США), являющимся сейчас основным инструментом физики высоких энергий, изобретение техники электронного охлаждения пучков тяжелых частиц, разработка открытой магнитной ловушки для удержания горячей плазмы, изобретение оптического клистрона — одной из перспективных разновидностей лазера на свободных электронах и т. д.

Уникальность создаваемых установок и сложность (а иногда и невозможность) их изготовления на «обычных» заводах привела к необходимости организации в Институте ядерной физики собственного конструкторского бюро и экспериментального производства. Теперь это — более 150 технологических отделений, участков и специализированных цехов общей площадью 60 тыс. кв. м, оснащенных современным автоматизированным оборудованием с микронными точностями обработки. Производство ИЯФ способно изготавливать вакуумное, электро- и радиооборудование, высокочастотные системы, изделия с использованием сверхпроводимости, сверхмощные магниты и т. д.

По мере создания установок для фундаментальных исследований довольно скоро стало ясно, что их узлы и элементы можно успешно использовать для прикладных целей. Начиная с 70-х гг. прошлого столетия, ИЯФ производит компактные ускорители электронов, ориентированные на применение в промышленных радиационных технологиях. Несколько модификаций ускорителей серии ЭЛВ обеспечивают пучок электронов в интервале энергий от 0,4 до 2,5 МэВ при мощности до 400 кВт. Пять модификаций ускорителей серии ИЛУ создают пучок с энергией 0,6—5 МэВ и мощностью до 50 кВт. Промышленные ускорители, произведенные в ИЯФ, используются при радиационной модификации полимеров для придания им новых свойств (например, для создания термоусаживающейся трубки и пленки), с целью очистки дымовых выбросов электростанций и сточных вод, для стерилизации различных изделий и продуктов в медицине, фармакологии, пищевой промышленности.

Собственные средства в фундаментальную науку

Приобретенные при разработке и поставке промышленных ускорителей навыки маркетинга, успешных контрактных переговоров и промышленного производства существенно помогли ИЯФ во время перестройки, когда финансирование науки в России было резко сокращено, а многие научные программы свернуты. Нам пришлось значительно увеличить производственную деятельность. Были моменты, когда доля государственного финансирования в бюджете института составляла всего 30 %, а оставшиеся 70 % ИЯФ зарабатывал самостоятельно (впрочем, в последние годы имеется тенденция роста доли госфинансирования). Заработанные средства институт тратил на увеличение зарплаты сотрудников и, тем самым, сохранение существующих научных школ, на решение социальных вопросов и, не в последнюю очередь, на разработку и создание новых установок для фундаментальных исследований! За последние годы, в значительной мере за счет заработков института, были созданы новый лазер на свободных электронах, рекордный по мощности в терагерцовом диапазоне длин волн, инжекционный комплекс, призванный снабжать интенсивными пучками электронов и позитронов будущие ускорители ИЯФ, уникальный коллайдер ВЭПП-2000, эффективность работы которого намного выше, чем у других установок такого класса, протонный ускоритель-тандем с энергией протонов до 2,5 МэВ для медицинских приложений. Думается, это единственный случай в мировой практике, когда научная организация поддерживает фундаментальные работы такого масштаба за счет собственной прикладной деятельности!

Разносторонняя специализация

Если раньше ИЯФ был известен в России и за рубежом, как научный центр с пионерскими разработками в области физики частиц, то за последнее десятилетие институт получил широкое признание как крупный производитель высокотехнологического оборудования, которое успешно работает практически во всех регионах мира: в США и Канаде, в Германии, Швейцарии, Франции и других странах Европы, в Китае, Индии, Японии, Корее, Малайзии и т. д.

Продукция, разрабатываемая институтом, может быть условно разделена на «специализированную» и «широкого профиля». К первой категории относятся установки, их узлы и элементы, предназначенные для физических проектов, по профилю близких к тем, которые существуют в самом институте: ускорители заряженных частиц, оборудование для экспериментов с высокотемпературной плазмой, детекторы частиц, сверхсильные магниты, использующие явление сверхпроводимости и т. д.

Другая часть производимого оборудования используется в промышленности, народном хозяйстве, медицине, производстве лекарств. Приведем несколько характерных примеров, которые могут быть интересны, так как представляют собой пример своеобразной «конверсии» оборудования для фундаментальной физики в высокотехнологичное оборудование, применяемое в индустрии, бизнесе, здравоохранении и др.

По-прежнему пользуются популярностью уже упоминавшиеся выше промышленные ускорители. Однако если в советские времена более сотни таких установок были поставлены на заводы России, Белоруссии, Украины, Казахстана, Узбекистана, и менее десятка — за рубеж, то после 90-х гг. прошлого столетия мы тоже произвели более сотни аппаратов, но основная их доля продается в Японию, Китай, Корею, США, Германию, Италию. В Россию за истекший период было поставлено всего три установки! При этом продукцию, производимую этими ускорителями (кабели с изоляцией повышенного качества, термоусаживающуюся трубку и пленку и т. п.), Россия закупает за границей.

Ширится спектр использования промышленных ускорителей, производимых в ИЯФ, они «овладевают» все новыми специальностями. Особенно бурно растет рынок машин для стерилизации самых разных продуктов: лекарственных трав (которые, в отличие от термической стерилизации, не теряют своих лечебных свойств), одноразовых шприцев и белья медперсонала, систем переливания крови, пластиковой тары для соков, чая и других напитков, продуктов питания в упаковке и т. д. В США сейчас разрешено облучать электронами продукты питания, и этот метод уже получил специальное название — электронная пастеризация.

Другим характерным примером использования ускорительных технологий в промышленности является разработанный в ИЯФ энергоблок для электронно-сварочных машин. В состав энергоблока входят: электроннооптическая колонна, мощный высоковольтный источник питания, магнитная система фокусировки и отклонения электронного луча. Рабочая энергия электронов в данном энергоблоке равна 60 кэВ, а максимальный ток в электронном луче — 250 мА. Уникальный катодный узел триодной электронной пушки имеет срок службы в тяжелых вакуумных условиях сварочного объема не менее 50 часов, что в несколько раз превышает срок службы катодов других производителей. Оптимизированная с помощью программного обеспечения, разработанного в институте, система электронной оптики позволяет сваривать изделия увеличенной толщины (до 160 мм) при меньшей мощности пушечного узла. Коэффициент полезного действия энергоблока более 80 % при номинальной выходной мощности 15 кВт. Узлы управления высоковольтного источника и блока прикатодной электроники выполнены на самом современном уровне с применением цифровых сигнальных процессоров и элементов программируемой логики. Первая сварочная установка была поставлена и успешно испытана в НИТИ «Прогресс», г. Ижевск. Сейчас обсуждается поставка еще нескольких энергоблоков на другие предприятия России.

Специальный раздел занимают разработки ИЯФ в таких социально-значимых направлениях, как медицина и обеспечение общественной безопасности.

Созданная в ИЯФ малодозная цифровая рентгеновская установка «Сибирь-Η» предназначена для широкого круга рентгенологических обследований, таких как диагностика заболеваний органов грудной клетки, черепа, опорно-двигательного аппарата, включая позвоночник. Наиболее эффективно применение этой установки для профилактических обследований органов грудной клетки, где необходимы оперативная диагностика, удобство архивирования и сверхнизкие дозы облучения. Высокая эффективность и низкий собственный шум детектора обеспечивают высокую контрастную чувствительность при рекордно низких дозах облучения (в 30—100 раз меньше, чем стандартные пленочные рентгеновские аппараты). Высокий динамический диапазон, а также очень короткое время экспозиции фрагмента снимка обеспечивают одинаковое качество и резкость изображения по всему полю снимка, включая сердце и околосердечную область. Промышленное производство установки начато в 1997 г. Сегодня в России три предприятия выпускают малодозное рентгеновское оборудование, разработанное в ИЯФ, лицензии на их производство закуплены некоторыми отечественными и зарубежными фирмами. На конец 2006 г. в клиниках России работало свыше 300 таких установок.

В борьбе с терроризмом

В связи с возросшей угрозой террористических актов стала крайне актуальной проблема массового досмотра граждан в аэропортах, на вокзалах и других местах массового скопления. Цель досмотра — обнаружение любых подозрительных (в том числе и неметаллических) предметов и веществ, наличие которых незаконно, и которые человек пытается скрыть в одежде или внутри тела.

На основе опыта, полученного при разработке установки МЦРУ «Сибирь-Η», в ИЯФ была создана система рентгеновского контроля «Сибскан». Благодаря принципу сканирования удалось получить большой размер снимка (максимальная высота — 2000 мм, ширина — 800 мм). Высокие контрастная чувствительность и пространственное разрешение позволяют обнаруживать подозрительные малоконтрастные объекты. Установка абсолютно безопасна, доза облучения за один осмотр эквивалентна дозе от природного радиационного фона, получаемой пассажиром за 10 минут полета на самолете. Первые СРК «Сибскан» работают в нескольких аэропортах Москвы, Санкт-Петербурга, Ханты-Мансийска и Новосибирска. Система имеет все разрешительные документы и защищена патентом. Лицензии на производство СРК «Сибскан» куплены компаниями Японии, Южной Кореи и Китая. Такие установки могут применяться на железнодорожных вокзалах, стадионах, в банках, предприятиях золото- и алмазодобывающей промышленности и т. д.

На службе здравоохранения

Давно известны методы радиационной терапии онкологических заболеваний, однако использование традиционных гамма-пушек и ускорителей электронов является зачастую неэффективным, особенно для случая глубокозалегающих опухолей: излучение таких источников поглощается в основном в приповерхностных слоях тела, травмируя здоровые ткани и не достигая пораженных. В противоположность этому тяжелые частицы (протоны или ионы) способны выделять энергию на нужной глубине. Они как бы взрываются в конце пути, уничтожая пораженные раком клетки и слабо влияя на здоровые. Поэтому в последние годы во всем мире бурно развивается рынок ускорителей протонов и ионов для лечения онкологических опухолей. Подобные специализированные установки успешно работают в Японии, США, Китае, Европе, однако в России их пока нет ни одной.

В ИЯФ СО РАН разрабатывается проект протонно-ионного терапевтического ускорительного комплекса, которому мы снова стараемся придать уникальные качества, используя наработки, предложенные ранее для фундаментальных исследований! В конце 60-х гг. прошлого столетия в институте был изобретен и успешно реализован метод электронного охлаждения пучков тяжелых частиц, когда пучок электронов своим электромагнитным полем сжимает пучок протонов или ионов до микроскопических размеров. Разработка установок электронного охлаждения является одним из экспортных направлений ИЯФ, а сами установки успешно работают в Швейцарии, Германии, Китае.

Использование электронного охлаждения в терапевтическом комплексе позволит существенно увеличить интенсивность ионного пучка, сократив тем самым время облучения пациента, уменьшить размеры элементов ускорителя, энергопотребление и в конечном итоге его стоимость. Кроме того, ионный пучок малого размера дает возможность более точно (как тонким грифелем карандаша) очертить опухоль, не задевая расположенные рядом здоровые ткани и критические органы. Для излечения опухоли диаметром 3—5 см достаточно одного сеанса облучения, причем этот метод достаточно комфортен для пациента, который может приходить на лечебные процедуры, остальное время живя обычной жизнью.

Несмотря на то, что проект еще находится в стадии разработки, им уже заинтересовалась китайская частная компания, работающая в области здравоохранения, которая готова купить в ИЯФ два комплекса. К сожалению, найти в России ведомство, организацию или компанию, заинтересованную в создании такой установки пока не удалось.

С большим интересом в ИЯФ следят за процессом создания технопарков. Характерным примером деятельности возможных резидентов технопарка может служить инновационная фирма, созданная при участии ИЯФ и Института цитологии и генетики СО РАН для производства с помощью радиационных технологий абсолютно нового типа лекарств пролонгированного действия. «Первой ласточкой» таких лекарств должен стать «Тромбовазим» — препарат для чистки кровеносной системы. Далее последуют инсулин в таблетках и противотуберкулезный препарат «Изодекс». 60 % акций компании принадлежат частному инвестору, так что для нас взаимодействие науки и частного бизнеса — уже реальность.

С уверенностью — в будущее

ИЯФ легко найдет свое место и в области бурно развивающихся в настоящее время в России технологических разработках наноразмерных систем. Можно упомянуть об освоенном в институте производстве нанопорошков оксидов, металлов, кремния методом испарения вещества под пучком электронов. Используемый сейчас ускоритель ЭЛВ мощностью 70 кВт позволяет производить до 6 кг/час порошка SiO2 с частицами субмикронных размеров. Увеличение мощности до 160 кВт (что вовсе не является рекордом, в ИЯФ разработаны ускорители мощностью до 400 кВт) позволит поднять производительность до 20 кг/час, что уже может представлять интерес для организации промышленного производства.

В заключение хотелось бы сказать несколько слов о том стиле выполнения работ, который сложился в ИЯФ СО РАН — научной организации, совмещающей, казалось бы, несовместимое — фундаментальные исследования физики микромира и промышленное производство высокотехнологического оборудования. Наличие высококвалифицированного научного, инженерного и конструкторского персонала, обладающего опытом и широким кругозором, позволяет институту быть не просто исполнителем чужих идей, но зачастую в кооперации с заказчиком участвовать в разработке требуемых изделий и установок. При этом происходит естественная ориентация производственного процесса на технологии и операции, развитые и освоенные именно в цехах ИЯФ, что в свою очередь делает изготовление изделия более эффективным и экономичным. Институт имеет опыт подготовки персонала для поставляемых установок, а также обеспечивает их гарантийное и послегарантийное обслуживание.