На публичной лекции в рамках Городских дней науки слушатели узнали о работе промышленных ускорителей в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, о том, опасна ли электронно-лучевая стерилизация, и как ученые собираются бороться с внутрибольничными инфекциями.
— Я представляю лабораторию промышленных ускорителей ИЯФ СО РАН, которая занимается разработкой и производством импульсных линейных ускорителей электронов серии ИЛУ для нужд городского и народного хозяйства, а также для прикладных целей, начиная с 1970 года, — рассказывает сотрудник института Евгений Андреевич Штарклёв.
В основе работы любой такой установки заложено взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Первое способно увеличивать энергию частицы, а второе задаёт орбиту, по которой эти частицы движутся. Ускорители делятся на много подвидов, конструктивно их можно разбить на две большие группы: линейные, где пучок однократно проходит ускоряющий промежуток, и циклические, в которых пучки движутся по замкнутым траекториям, проходя ускоряющие промежутки по многу раз и набирая все большую и большую энергию.
— Наши установки относятся к классу импульсных линейных, ускорение которых происходит электрическим полем высокочастотных резонаторов. Приборы перекрывают диапазон энергий ускоренных электронов от 0.6 до 10 МэВ, с мощностью пучка до 100 кВт. Их отличительными особенностями являются компактность, простота конструкции, удобство в эксплуатации и надежность при длительной работе в условиях промышленного производства, — объясняет Евгений Андреевич.
Помимо общеизвестных областей применения ускорителей (научные исследования в физике высоких энергий, лечение онкологических заболеваний), существует масса других актуальных прикладных задач, для решения которых эффективно используются промышленные ускорители серии ИЛУ. Это, в первую очередь, электронно-лучевая стерилизация одноразовой медицинской одежды и инструментов, биодобавок и медпрепаратов, а также изготовление новых лекарственных препаратов, улучшение свойств изоляции проводов, полимеризация и так далее.
Проблема уничтожения всех видов болезнетворных микроорганизмов на поверхности и внутри материала в процессе массового промышленного производства решается несколькими способами. В частности, разработаны технологии термической, фильтрационной, пригодной только для жидких сред, газовой (используется высокотоксичный и экологически опасный газ — окись этилена), гамма-стерилизации (при помощи изотопных источников) и, наконец, электронно-лучевой стерилизации (ЭЛС).
В России распределение по способам стерилизации примерно следующее: гамма-стерилизация — 60%, газовая — 30%, электронно-лучевая — 10%.
— В сравнении с другими методами ЭЛС более эффективна. Она гарантирует относительно низкую стоимость эксплуатации, непрерывность технологического процесса, высокую производительность, быструю обработку материалов и достаточно большой срок службы самого оборудования. Кроме того, полностью исключается какое-либо химическое загрязнение окружающей среды. При работе с электронным пучком с энергией до 10 МэВ не образуется остаточной радиации, поэтому после выключения ускорителя какое-либо излучение отсутствует, что делает такой метод стерилизации безопасным и экологически чистым. Так что радиационная защита требуется только для ускоряющих элементов системы на время работы. В нерабочем состоянии к установке можно относиться как к обычному электротехническому оборудованию с соблюдением соответствующих норм безопасности, — поясняет Евгений Штарклёв.
Механизм такого способа основывается на способности электронного пучка разрушать ДНК живых организмов. Взаимодействие электронов с микробиологическими объектами можно описать двумя механизмами.
В первом случае излучение непосредственно ионизирует атомы цепочек ДНК, необратимо повреждая их, и, тем самым, препятствует размножению микробов. Во втором же, косвенном, излучение образует из воды высокоактивные свободные радикалы H+ и OH-, которые взаимодействуют с молекулой ДНК и разрушают её. Таким образом, патогенные организмы разрушаются.
Несомненный плюс подобной стерилизации — она способна происходить непосредственно в упаковке, всю партию товара после обработки можно сразу грузить и отправлять в пункт назначения, а не выдерживать некоторое время, как при обработке химическими веществами.
— Наиболее перспективными на сегодняшний день областями применения ускорителей ИЛУ являются обеззараживание медицинских отходов и пастеризация пищевых продуктов. По оценкам экспертов, первых ежегодно на территории России накапливается более 3,5 млн. тонн, из них более 1,2 млн. тонн — 35% — опасных, а 40 тыс. тонн — 1% — чрезвычайно опасных. Из-за того, что они не утилизируются должным образом, появилась такая проблема — внутрибольничные инфекции, которые в результате некорректных манипуляций с отходами возникают у 5% больных, находящихся в стационаре. По данным ученых, ежегодно фиксируется 2-2,5 млн. заражения пациентов внутри лечебных учреждений, и этому процессу можно помешать, — рассказывает Штарклёв.
Процесс радиационного обеззараживания сходен с процессом радиационной стерилизации. Оно проводится в многоразовых стандартных контейнерах. Основное преимущество перед другими методами (химический и сжигание) состоит в том, что нет необходимости открывания емкостей, и риск распространения внутрибольничных инфекций минимален.
Еще одна проблема, которую выявили международные исследования: в настоящее время около 40% пищевых продуктов выбрасывается покупателями либо торговыми сетями из-за истечения их срока годности. Пастеризация еды при помощи ускорителей электронов ИЛУ позволит на 30% сократить потери при хранении овощей и зерна, улучшить качество продуктов, а также добиться успехов в импортозамещении. Срок хранения охлажденного мяса после обработки увеличивается до 2-3 недель, а картофель перестает прорастать. Облучение электронами особенно необходимо для тех вещей, которые нельзя пастеризовать путем нагревания: салаты, охлажденное мясо, крупы, специи. Часть из них сейчас сохраняют, используя химические консерванты. Другие, например, специи, можно пастеризовать только электронами.
При этом важно учесть влияние облучения на свойства продуктов питания. В 1980-м году объединённый комитет экспертов рассмотрел данные международного проекта по исследованию токсичности облучённой пищи и заключил, что при дозе не более 10 кГр еда не более вредна, чем обычная. При этом дозы, необходимые для пастеризации продуктов питания, как правило, составляют единицы килогрэй.
— Такую технологию, которая используется во многих странах для продления срока их годности, в России начнут применять не ранее 2017 года. Закон, разрешивший ее, начал действовать с 1 января 2016 года, но на подготовку ГОСТов уйдет еще 1-2 года, — говорит Евгений Штарклёв.
Если говорить об установках, то базовой моделью, нашедшей приложения в широком спектре технологических процессов как в России, так и за рубежом, стал ускоритель ИЛУ-6.
Следующая модель — ИЛУ-8, который рассчитан на небольшую энергию электронов (до 1МэВ) и поэтому не требует строительства специального защищенного помещения. Он может быть размещен в обычном производственном цехе в местной радиационной защите. Эта установка в основном используется для улучшения эксплуатационных свойств изоляции проводов, применяемых, например, в самолетостроении.
— Электронная обработка повышает температуру смягчения и плавления изоляции и, как результат, предотвращает возникновение короткого замыкания в пучке проводов при эксплуатации в режиме увеличения количества градусов. Такой метод позволяет получить изоляцию с улучшенными эксплуатационными свойствами, она не горит открытым пламенем, что предотвращает возникновение пожаров при авариях, — рассказывает Евгений Штарклёв.
Модель ИЛУ-10 предназначена, в основном, для процессов, требующих более высокой энергии электронов, которая достигается установкой на резонаторе двух высокочастотных генераторов. Обычно он используется для стерилизации медицинских изделий однократного применения: хирургических и акушерских, халатов, шприцев, капельниц и так далее, а также для стерилизации биодобавок и растительного лекарственного сырья. Планируется его применение для холодной пастеризации пищевых продуктов.
— Самая последняя наша разработка — ускоритель ИЛУ-14. В отличие от предыдущих моделей, он расположен горизонтально и представляет собой модульную структуру, состоящую из нескольких ускоряющих резонаторов, в которых электронный пучок ускоряется до энергии 10 МэВ при мощности до 100 кВт. Область применения этой установки за счет ее высоких энергетических параметров очень обширна: электронно-лучевая стерилизация, пастеризация пищевых продуктов, а также обеззараживание медицинских отходов, — говорит ученый.
Подготовила Дарина Муханова
Фото предоставлены Евгением Штарклёвым
