ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2014, том 77, № 10, с. 1266-1278
= ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ УСКОРИТЕЛИ В СОВРЕМЕННОМ МИРЕ1)
© 2014 г. А. П. Черняев2)'3), С. М. Варзарь3)
Поступила в редакцию 14.01.2013 г.; после доработки 25.02.2014 г.
В настоящее время в мире насчитывается около 40 тыс. ускорителей. В обзоре описывается их роль в различных областях деятельности человека: мировой экономике, фундаментальной науке и медицине. Анализируются данные, опубликованные в научных статьях и отчетах, материалах МАГАТЭ и др. за последние полвека, подчеркивается медицинское значение ядерно-физических методов.
DOI: 10.7868/S0044002714100031
1. ВВЕДЕНИЕ
После открытия Э. Резерфордом атомного ядра и осуществления первой искусственной реакции под действием а-частиц начались обширные эксперименты по исследованию ядер. Однако для этих целей не хватало энергии и интенсивности пучков частиц. Это стало толчком для идей создания установок, позволяющих искусственным образом увеличивать энергию заряженных частиц — ускорителей.
В конце 1920-х—начале 1930-х гг. были разработаны и запущены первые ускорители: каскадный ускоритель (1929 г.), электростатический ускоритель Ван-де-Граафа (1931 г.), циклотрон (1931 г.), линейный ускоритель Видероэ (1928 г.). Они создавались с целью проведения исследований в ядерной физике при более высоких энергиях, чем получавшиеся от естественных радиоактивных источников.
Спустя три четверти века эти установки станут играть в развитии нашей цивилизации такую же важную роль, как лазер, ракета, самолет, космический аппарат, т.е. станут одним из ярчайших достижений человечества. Ускорители — не только важнейший инструмент ученых, они проникают в различные области деятельности — промышленность, сельское хозяйство и медицину. Размеры ускорителей стали уменьшаться, а характеристики варьироваться в широких пределах, позволяя решать все более широкий круг задач.
В науке появились сложнейшие ускорительные комплексы (синхротроны, коллайдеры, линейные
Статья подготовлена на основе доклада, представленного на Международной конференции "ЯДРО-2012", Воронеж, 25-30 июня 2012 г.
2)НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова, Россия.
3) Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, Россия.
* E-mail: varzar@physics.msu.ru
ускорители), позволяющие ускорять частицы до сверхвысоких энергий — сотни ГэВ и даже единицы ТэВ. Именно эти сложные и дорогие ускорители сформировали у населения мнение о том, что ускоритель — это обязательно очень большая установка. На самом деле основная часть ускорителей — небольшие установки, предназначенные для решения определенных задач в народном хозяйстве.
За последние 20 лет количество крупных ускорителей высоких энергий практически не изменилось, в то же время количество ускорителей, соизмеримых с простыми бытовыми устройствами, растет экспоненциально. В настоящее время ускорители широко используются как в научных исследованиях (в физике, химии, биологии, экологии и других науках), так и в прикладных областях народного хозяйства.
Многие направления в медицине и промышленности: лечение онкологических заболеваний и радиационная диагностика, стерилизация продуктов питания и медицинского инструмента, дефектоскопия и сшивание полимеров, электронно-лучевая сварка и изготовление микросхем, а также другие технологии, используют ускорители.
Цель настоящей работы — аккумулируя имеющиеся в научной литературе сведения, наиболее полно представить состояние и роль ускорителей в различных областях жизнедеятельности человека, оценить тенденции того, как может происходить развитие ускорительной техники в будущем и будут изменяться пропорции между типами ускорителей в различных областях науки и народного хозяйства. Для полноты представления о месте ускорителей в современном мире желательно получить оценку как их общего количества, так и числа ускорителей по отраслям мирового хозяйства.
В настоящей работе собраны данные за последние почти полвека из многих источников: обзорных статей, научных отчетов по отраслям народного хозяйства, годовых отчетных материалов МАГАТЭ.
Таблица 1. Оценки количества ускорителей в мире [1 — 19]
Ускорители 1968 [1] 1970 [2] 1989 [3] 1994 [4,5] 1998 [6-8] 2000 [9, 10] 2004 [11, 12] 2007 [13, 14] 2009 [15, 16] 2012 [17, 18] 2014 прогноз
Промышленные ускорители, ~2000 ~2700 >4000 >4500 -7500 -8500 >8500 -17900 22500 25 300 27 000
в том числе:
Ускорители электронов на энергию более 300 кэВ -650 1500 1500 1500 >1500 2700 2750 -5000 -5000
Ускорители электронов на энергию менее 300 кэВ >350 >1000 4500 7000 7500 -8000
Ионные имплантаторы и ускорители для ионного анализа -3000 >2000 -6000 -7000 >7000 -9700 -10000 -11 300 -12000
Генераторы нейтронов -1000 -2000 -2000 -2000
Ускорители в науке -1000 -1200 -1200 -1200 -1200 -1200 -1200 -1200
Ускорители в медицине, 306 >2500 -4200 -4700 -5200 -8500 -9650 -11600 -13000 -14000
в том числе:
Ускорители электронов -2500 -4000 -4500 -5000 -7500 -9000 >11000 -12 000 -13000
Ускорители протонов и ионов (лучевая терапия) [19] 11 17 20 20 25 29 32 39 -59
Производство медицинских радиоизотопов -200 -200 -200 -260 >550 >600 -1000 -1100
Всего ~2000 -3000 >6500 >9700 >13500 >15000 >18000 -27 500 -30000 -39 500 41000
Часть данных из этих источников [1 — 19] приводится в табл. 1.
Целый ряд ограничений влияет на точность выводов. Данные, приводимые в разных работах, отличаются друг от друга либо просто не включают в себя некоторые направления использования ускорителей. Постоянно появляются и устанавливаются новые ускорители, а старые аппараты демонтируются или перепрофилируются. Часть ускорителей используется и в научных, и в промышленных или медицинских целях. К тому же сложно определить, какие установки следует считать ускорителями. Ведь ускорение заряженных частиц происходит и в рентгеновской трубке, и в кинескопе.
2. СТРУКТУРА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УСКОРИТЕЛЕЙ В НАУКЕ И НАРОДНОМ ХОЗЯЙСТВЕ
Общее мировое количество ускорителей, действующих в науке, промышленности, сельском хозяйстве и медицине, к середине 2012 г. оценивалось примерно в 40 000 единиц. Это число не включает в себя ускорители, используемые в закрытых работах, в частности в оборонной промышленности, а также электронные микроскопы и рентгеновские трубки.
В научных лабораториях и ускорительных центрах для исследований в ядерной физике и физике частиц используется около 1200 ускорителей, что составляет 3% всех существующих. В промышленности функционирует около 25 000 ускорителей (64%), в медицине - около 14 000 (33%).
За 50 лет количество ускорителей, используемых в мировом хозяйстве, возросло более чем в 20 раз. За 30 лет (до середины 1980-х гг.) оно возросло примерно в 10 раз, а за последнее десятилетие — более чем в 2 раза. К 1970 г. более 80% действующих в мире ускорителей работало в промышленности. Однако в значительной степени это были пилотные экспериментальные проекты, поэтому границы между фундаментальными исследованиями и промышленным использованием ускорителей были достаточно размыты. К началу нового тысячелетия сложилось близкое к нынешнему соотношение ускорителей в науке, промышленности и медицине. Границы между типами ускорителей для различных направлений использования стали более четкими. Так, например, вполне определенными параметрами характеризуются медицинские ускорители для лучевой терапии, сте-реотаксической хирургии, производства изотопов для медицинских целей.
На рис. 1 представлена динамика роста числа ускорителей в науке, медицине, промышленности и сельском хозяйстве. Видно, что число ускорителей
Таблица 2. Действующие ускорители России и стран СНГ на энергию более 1 ГэВ
Научный центр Название ускорителя Год запуска Ускоряемые частицы Длина орбиты, м Максимальная энергия, ГэВ
ИФВЭ (Протвино, Россия) У-70 1967 Р 1485 70
У-1.5 1985 Р 99 1.351
ИТЭФ (Москва, Россия) У-10 1961 р, Не2+ 80 10
ЕрФИ (Ереван, Армения) АР УС 1967 217 6.1
ОИЯИ (Дубна, Россия) Нуклотрон 2000 р, ионы 188 6
НИЦ "Курчатовский институт" Сибирь-2 1999 е 124 2.5
(Москва, Россия)
ХФТИ (Харьков, Украина) ЛУЭ-2000 1965 250 2
ТПУ (Томск, Россия) Сириус 1965 33 1.3
ИФП им. Ф.В. Лукина Основной 2012 116 2.5
(Зеленоград, Россия) накопитель
НЯИ СО РАН ВЭПП-4М 1992 366 6
(Новосибирск, Россия) ВЭПП-2000 2006 24 1
в мировом хозяйстве стабильно увеличивается. В науке количество ускорителей в течение последних 20 лет практически не меняется, в основном происходит их качественное обновление. Тем не менее количество ускорителей в мире ежегодно возрастает по разным оценкам, как минимум, на 10%.
В науке и различных отраслях народного хозяйства применяются ускорители электронов, протонов и ионов. В основном это линейные ускорители различных типов. Общее число циклических ускорителей находится в пределах 2000. Ускорителей протонов и ионов существует примерно 13 000—
Количество ускорителей
104
103
102
1970
1990
2010
Год
Рис. 1. Ускорители в медицине, промышленности, науке и сельском хозяйстве: ♦ — суммарное количество; ■ — промышленность и сельское хозяйство; ▲ — медицина; • — фундаментальные исследования.
14 000. Около 90% из них составляют высоковольтные ускорители (ВВУ) и резонансные линейные ускорители (ЛУ). Ускорителей электронов используется около 25 000, причем в основном это также высоковольтные и резонансные линейные ускорители. Число кольцевых ускорителей электронов (бетатронов и синхротронов) небольшое — несколько более 1000.
Ускорителей электронов в народном хозяйстве и медицине действует примерно одинаковое количество. Ускорители тяжелых заряженных частиц — это в основном имплантаторы ионов низких энергий, которые используются в промышленности (~78%). В народном хозяйстве ускорители тяжелых заряженных частиц, с учетом имплантаторов ионов, используются немного больше, чем ускорители электронов.
3. ПРОИЗВОДСТВО УСКОРИТЕЛЕИ И ПРОГНОЗЫ ЕГО РОСТА
В мире существуют около 70 производителей ускорителей. К наиболее крупным среди них относятся компании Varian (США), Elekta (Швеция), IBA (Бельгия), NHV
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.