Радиационные технологии на основе частотных наносекундных ускорителей электронов

 

 

Введение

Создание источников ионизирующего излучения вызвало к жизни радиационные технологии, т.е. технологии в которых главным орудием является само излучение. Радиационные технологии (РТ) можно подразделять как по виду используемого излучения, так и по конечному  продукту.

По последнему критерию можно выделить:

·        Радиационно-химические технологии, в которых под действием излучения происходит химическая реакция (деструкции, полимеризации, радиационная очистка стоков и т.п.);

·        Радиационно-физические технологии, в которых под действием излучения происходит физические процессы (ядерные реакции, диффузия, легирование, наведение дислокаций т.п.);

·        Радиационно-биологические технологии, в которых под действием излучения происходит биологические процессы (радиационная генетика);

·        Радиационная стерилизация и пастеризация (выделяется из-за важности)- уничтожение микроорганизмов в изделиях и продуктах с помощью излучения.

·         

Достоинства РТ:

·        Энергосбережение, связанное с точечным действием радиации (полная стерилизация связана с нагревом на 4 ⁰С);

·        Комплексность воздействия;

·        Возможность получения различных результатов одновременно (одновременная очистка и стерилизация воды или полимеризация и стерилизация);

·        Управляемость, путем подбора поглощенной дозы или алгоритма ее набора (эффекты мощности дозы);

·        Уникальность, связанная с тем, что некоторые процессы невозможно выполнить другим путем.

·         

Недостатки РТ:

·        Радиационная опасность при облучении;

·        Возможность активации продуктов;

·        Многофакторность воздействия .

 

Негативные стороны РТ можно уменьшить правильным подбором источников излучения.

 

 

Таблица 1. Источники излучения для РТ:

 

Как видно из таблицы, ускорители являются наиболее удачным выбором. Использование ускорительной техники для коммерческих применений в последнее время является актуальной задачей. При этом наиболее важны потребительские качества ускорителей, а именно, дешевизна, простота обслуживания, надежность и долговечность. Из большого числа имеющихся типов ускорителей электронов указанным требованиям наиболее отвечают частотные наносекундные ускорители, основанные на использовании полупроводникового прерывателя тока (SOS-технологии).

 

1. Ускорители электронов для технологий

1.1. Общие положения       

Подобные ускорители создаются сегодня двумя путями:

1)      с использованием схем предварительной магнитной компрессии энергии (Рис.1а);

2)      по схеме тиратрон- импульсный трансформатор- ППТ (Рис.1б).

 

К недостаткам первой схемы можно отнести:

·        относительную сложность схемы, содержащей несколько  взаимосвязанных контуров магнитного сжатия энергии, что затрудняет настройку и ремонт ускорителей;

·        сложность достижение точной (наносекундной) синхронизации срабатывания ускорителя из-за использования для коммутации низковольтных мощных тиристоров с большим временным разбросом.

Вторая схема не имеет указанных недостатков, но содержит тиратрон, который имеет существенно более низкий ресурс, чем остальные элементы схемы. Однако это относительно недорогой прибор, выпускаемый промышленность в больших количествах, и его применение, на наш взгляд, оправдано.

 

 

 

А)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Б)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1. Схемы построения ускорителей по SOS-технологии

 

 

 

Таблица 2. Параметры разработанных в ИЭФ УрО РАН ускорителей

и генераторов с полупроводниковым прерывателем тока.

 

ПТСК - установка с полностью твердотельной системой коммутации

 

           

1.2. Описание конструкции ускорителя

            Рассмотрим конструкцию и работу частотного наносекундного ускорителя на примере ускорителя УРТ-0,5. Принципиальная схема ускорителя и компоновка ускорителя показаны на Рис. 2 и 3.

 

Рис.2. Принципиальная схема ускорителя УРТ-0,5

            Ускоритель работает следующим образом (Рис.2). Источник высокого напряжения заряжает конденсатор первого контура С₀  до напряжения 25 кВ. Пульт управления формирует импульс запуска тиратрона, частота подачи управляющих импульсов определяет частоту работы ускорителя. Конденсатор  С₀ разряжается  на первичную обмотку трансформатора, происходит зарядка конденсатора С₁  с одновременной накачкой током ППТ  в прямом направлении. По окончанию зарядки сердечник трансформатора насыщается и происходит разряд С₁  в контуре с ППТ. Ток в контуре прерывается и формируется импульс напряжения, который прикладывается к вакуумному диоду.  На  многоострийном катоде в тройных точках (металл- диэлектрик- вакуум) происходит пробой и из образующейся плазмы идет эмиссия электронов. Электроны ускоряются приложенным напряжением и через фольгу выходят в атмосферу.

 

Рис.3. Конструкция ускорителя УРТ-0,5.

 

Характерные осциллограммы напряжения на вакуумном диоде U, тока пучка I и форма импульса тормозного излучения P, измеренная полупроводниковым детектором, приведены на Рис.4.

 

 

2. Радиационные технологии

Распределение поглощенной дозы (Рис.5), т.е. энергии поглощенной в веществе, и длина свободного пробега (глубина проникновения) электронов разной энергии выглядит следующим образом (Рис.6). Разница между расчетной и экспериментальной кривыми вызвана не "моноэнергетичностью" ускоренных электронов. Это связано с наличием фронтов у импульса ускоряющего напряжения, а также рассеиванием электронов в фольге выходного окна. Ускорители УРТ могут быть использованы в радиационных технологиях для слоев веществ толщиной до 0, 02 и 0,08 г/см² соответственно, при использова нии непосредственно СЭП. К настоящему времени опробованы нижеследующие технологии.

 

 

 

 

 

2.1. Генерация озона

 

Расчет и эксперимент показали, что генерация озона в воздухе импульсным СЭП на порядок энергетически выгоднее, чем под действием пучка постоянного тока [5]. Это связано с тем, что образующийся озон может убираться из зоны пучка в паузе между импульсами, которая почти на шесть порядков длиннее импульса. Отметим, что удельные энергозатраты падают с увеличением энергии электронов из-за увеличения длины свободного пробега электронов в воздухе. Эксперимент показал, что генерация озона под действием СЭП конкурентоспособна по энергозатратам с электроразрядным методом генерации озона, при концентрациях озона в воздушно-озоновой смеси до 0,1-0,5 г/ м³.

 

Достоинством предлагаемой технологии является отсутствие необходимости предварительной осушки, очистки и стабилизации температуры подаваемого под пучок воздуха. Полученная озоно- воздушная смесь может быть использована:

·для очистки и аэрации сточных вод;

·для дезинфекции и очистки питьевой воды;

·для дезинфекции и деаэрации помещений в медицине и пищевой промышленности;

·для поддержания микроклимата в технологических промышленных помещениях, например в птицеводстве.

 

2.2. Очистка и стерилизация воды

Радиация давно применяется для очистки воды от широкого спектра загрязнений (Табл.3), в том числе микробиологического. Механизм действия радиации на разложение примесей основан, в основном, на результатах радиолиза воды. Однако действие СЭП имеет свои особенности.

Экспериментально найдено, что стерилизующая доза наносекундного СЭП для смеси с начальной концентрацией микроорганизмов Коли, Стафиллокок и Сальмонелла по 10⁹ 1/мл каждого вида в физиологическом растворе составляет 4 кГр, при этом поглощенная доза на поверхности была равна 20 кГр [6].

 

Таблица 3. Доза требуемая для снижения концентрации  вещества

в водном растворев 100 раз (по лит. данным

 

Установлено сильное влияние перемешивания раствора в процессе облучения на гибель микроорганизмов - количество выживших микроорганизмов снижается на два порядка. Такое сильное влияние перемешивания нельзя объяснить только выравниванием дозы по объему кюветы, так как различие между дозой на поверхности и дозой на задней стенке кюветы меньше одного порядка. Предполагается, что за эффект отвечают вторичные факторы, возникающие при торможении СЭП и способные проникать на большую глубину, чем электроны (рентгеновское, СВЧ, электромагнитное и ультрафиолетовое излучения, ударная волна и др.).

Таким образом, при облучении воды из природных водоисточников с характерным загрязнением до 10⁷ 1/мл для получения питьевой воды требуется доза на уровне 2,5 кГр. С учетом того, что в процессе облучения может быть устроено активное перемешивание воды, требуемую величину дозы на задней стенке можно установить на уровне 1-1,5 кГр.

Поглощенная доза 1,3 кГр соответствует затратам энергии на очистку 1 куб. м воды в размере 0,62 кВт час (при 75% к.п.д. передачи энергии в пучок), что сопоставимо с расходом энергии при озонировании. Одновременно облучение приводит к комплексной очистки воды, в том числе от высокотоксичных соединений (Табл.3).

Для проверки полученных данных было выполнено облучение воды из Верх-Исетского пруда (источник питьевого водоснабжения г. Екатеринбурга). Поглощенная доза на поверхности и задней стенке кюветы составляла 14 и 1,3 кГр соответственно. Облученная вода оказалась стерильной, тогда как в контрольной пробе коли-индекс составлял 70 000.

 

 

2.3. Радиационно-химическая стерилизация

Суть радиационно-химической стерилизации (РХС) [7] состоит в использовании для стерилизации герметично упакованных изделий как излучения самого электронного пучка, так и возникающего внутри пакета при облучении стерилизующего токсичного химического вещества. Наиболее простым и дешевым путем является использование озона, который образуется при облучении кислорода воздуха, однако возможно применение и других газовых смесей с целью образования при облучении других токсичных веществ.

            Концентрация озона, генерируемого СЭП в замкнутом объеме герметичной кюветы была рассчитана по [5]. Время существования озона после прекращения облучения определяется константой его химической нестойкости (k=1,2 1/час) и превышает несколько часов при концентрации, смертельной для микроорганизмов.

Полученные результаты, по одностороннему облучению предварительно зараженных Стафиллококом (около 10⁴ 1/ см²) образцов толщиной большей, чем длина

пробега электронов, позволяют говорить о стерилизации как СЭП, так и озоном, созданным СЭП.

Достоинства РХС:

¨      радиационная безопасность, т.к. требуемая энергия электронов ограничивается толщиной упаковки;

¨      требуются поглощенные дозы (энергозатраты) не большие, чем для радиационной стерилизации при одностороннем облучении СЭП;.

¨      дешевизна.

Области применения РХС:

v     Стекло и пластиковая тара для пищевых продуктов;

v     Стеклотара для лекарств и препаратов;

v     Металлический инструмент;

v     Наружная упаковка лекарств и препаратов.

 

2.4. Радиационно-химические технологии:

·      Установлен эффект влияния облучения СЭП на адгезионные свойства пленки из фторопласта при дозах около 10 Мрад, при облучении в выбранном мономере, образуется сополимер на поверхности фторопласта, что позволяет получать адгезию к алюминию - 1 бал (высший при четырехбальной системе);

·      Установлен эффект влияния облучения СЭП на поверхность фторопласта. При дозах около 10 Мрад, при облучении в выбранном мономере, образуется сополимер на поверхности фторопласта, что позволяет производить склейку фторопласта эпоксидным компаундом с прочностью на разрыв до 100 Н/см;

·      Получение красителя-ингибитора радикально-цепных реакций мономеров на основе акриловой кислоты;

·      Приклейки бумажного шпона к древесно- волокнистой плите, с одновременным нанесением лакового покрытия;

·      Загущения растворов метилцеллюлозы, которая используется в качестве операционно-протектирующей жидкости в микрохирургии глаза, с одновременной стерилизацией;

·      Гидрофилизации поверхности полиметилметакрилата, который используется при производстве искусственных хрусталиков глаза.

·      Технология радиационной- химической стерилизации хирургической атравматической иглы и нити из биодеградируемого полигликолида посредством облучения СЭП, без потери прочностных свойств - доза на поверхности 2,2 Мрад;

·      Технология радиационной-химической стерилизации костной муки (белковой кормовой добавки) [8];

·      Технология радиационной-химической стерилизации стеклотары для препаратов крови в упаковке;

·      Технология генерации озона на установках производительностью до 1 кг/час;

·      Технология радиационной стерилизации и очистки воды, производительностью до 10 куб. м/час;

·      Технология облучения древесины на глубину до 1 см, для ликвидации грибка «Синевы» (доза 700 крад).

·      Технология радиационного стирания внутренней памяти программируемых микросхем, выполненных по технологии КМОП [9].

 

Литература

1. Котов Ю.А., Месяц Г.А., Рукин С.Н., А.Л.Филатов//ДАН, 1993, т. 330, N 3, с. 315-317.

2.   Kotov Yu.A., Mesyats G.A., Rukin S.N. et al// 9-th IEEE Pulsed Power Conf., 1993, Albuquerque, New Mexico, USA, v.1, p.p. 134-139.

3.   Ю.А.Котов, С.Ю.Соковнин //, ПТЭ, № 4, 1997, с.84-86;

4.   Yu.A. Kotov, S.Yu. Sokovnin // Abstracts of 12th Inttern. Conf. On High Power Part. Beams, June 7-12, 1998, Haifa, Israel, p.5.

5.   Котов Ю.А., Соковнин С.Ю., Филатов А.Л., Коржаневский С.Р.// Химия высоких энергий, 1996, т. 30, № 3, С. 386-387.

6.   Соковнин С.Ю., Котов Ю.А., Рукин С.Н., Месяц Г.А.// Экология, 1996, № 3, с. 222-224.

7.   Ю.А.Котов, С.Ю.Соковнин // ДАН, 1997, т. 355, № 3, с. 424-426.

8.   8. Yu.A. Kotov, S.Yu. Sokovnin // Abstracts of 12th Inttern. Conf. On High Power Part. Beams, June 7-12, 1998, Haifa, Israel, p.406

Ю.А. Котов, С.Ю. Соковнин, В.А. Скотников//Письма в ЖТФ, 1998, т.24, №22, с.29-32.