Ускорители электронов серии ИЛУ

Ускорители электронов серии ИЛУ

    В настоящей работе представлены промышленные ускорители электронов серии ИЛУ, даны их основные параметры, описаны устройство, принцип действия, системы выпуска электронного пучка, широкий набор вспомогательного оборудования для различных технологических процессов, показаны пути их развития. Основные параметры     Начиная с 1970 года в Институте ядерной физики СО РАН разрабатываются и поставляются в промышленность импульсные линейные ускорители (ИЛУ), предназначенные для широкого применения в различных технологических процессах и расчитанные на длительную непрерывную и круглосуточную работу в промышленных условиях.
    В отличие от широко распространенных высоковольтных ускорителей, имеющих непрерывный ток пучка, импульсный характер пучка позволяет легко адаптировать ИЛУ к технологическим процессам, требующим создания зоны облучения сложной конфигурации.
    Наиболее ярким примером таких процессов является облучение полимерной изоляции кабелей и термоусаживаемых трубок, где применение 4-стороннего облучения позволяет без повышения энергии электронов резко повысить производительность процесса, улучшить качество продукции и расширить номенклатуру обрабатываемых изделий.
    Ниже приведены основные параметры производимых Институтом ускорителей серии ИЛУ, перекрывающие диапазон энергий от 0,7 до 4 МэВ с максимальной мощностью пучка до 50 кВт.

Параметры	ИЛУ-8	ИЛУ-6	ИЛУ-6М	ИЛУ-10	ИЛУ-10М
Диапазон энергий, МэВ	0.6-1.0	1.2-2.5	1.0-2.0	2.5-4.0	2.5-4.0
Мощность электронного пучка (max), кВт	20	20	40	50	30
Средний ток пучка (max), мА	25	17	20	20	12
Производительность (10 Mrad), кг/час	400	400	800	1000	600
Потребляемая мощность (3х380В), кВт	80	100	120	150	120
Вес, т
Ускоритель	0.6	2.2	2.2	2.9	2.5
Местная защита	76	-	-	-	-

Конструктивное исполнение и основные особенности В состав ускорителя входят:

ускоряющая система с выпускным устройством, вакуумной системой и ВЧ генератором;
импульсный источник питания;
стойка управления.

Ускоряющая система размещается внутри биологической защиты, все остальное - в незащищенных помещениях.
На рис. 1 -:- 6 приведены габариты основных узлов различных моделей ускорителей.

Рис. 1: Ускоритель ИЛУ-6

Рис. 2: Ускоритель ИЛУ-8 в местной защите

Рис. 3: Ускоритель ИЛУ-10

Рис. 4: Ускоритель ИЛУ-10M

Рис. 5: Стойка управления

Рис. 6: Импульсный источник питания     Базовой моделью является модель ИЛУ-6. При скромных габаритах этот ускоритель обладает достаточно высокими параметрами и может применяться для широкого спектра технологических процессов. Для его размещения достаточно защищенного помещения с внутренними размерами 3 х 4 х 5 м. При толщине стены помещения 1,5 м объем бетона составляет около 180 м³.
    Эта модель получила широкое применение как в нашей стране так и за рубкжом.
    Дальнейшим развитием стала модель ИЛУ-8, предназначенная главным образом для обработки кабелей и трубок.
    Этот ускоритель не требует строительства специального защищенного помещения и может быть размещен в обычном производственном цехе.
    Он размещается в местной биологической защите. Местная защита ускорителя выполнена в виде коробки из стальных пластин. Внутри коробка разделена на две части. В верхней части размещен ВЧ резонатор с магниторазрядными насосами и форвакуумная система. В нижней части находятся выпускное устройство, воздухопроводы вентиляционной системы и технологическое оборудование. В заднюю стенку вмонтированы каналы-лабиринты для ввода кабелей, воздуха и воды. Сдвигаемая передняя стенка служит дверью защитной коробки. Толщина радиационной защиты в нижней части 330 мм и в верхней -240 мм. Общий вес защиты 76 тонн. Коэффициент ослабления тормозного излучения при энергии электронов 1.0 МэВ не менее 5*10⁷.
    Модель ИЛУ-10 является новой разработкой и предназначена в основном для процессов, требующих повышенной энергии электронов. Габариты этого ускорителя не на много превышают габариты ИЛУ-6. Для осуществления процессов, требующих повышенной мощности, на ускорителе устанавливаются два ВЧ генератора.
    В большинстве современных ускорителей применяется принцип высоковольтного ускорения, т.е. энергия электронов соответствует напряжению, создаваемому выпрямителем.
    Промышленные ускорители типа ИЛУ являются исключением из этого правила. В них применен принцип ускорения электронов в зазоре высокочастотного резонатора. Такой ускоритель не содержит деталей, потенциал которых относительно корпуса сравним с ускоряющим напряжением.
    Таким образом исключено применение сложных высоковольтных узлов (ускоряющие трубки, секции выпрямителей и т.д.), выходящих из строя при пробоях. Нет также необходимости в применении изолирующего газа и сосудов под давлением.
    Использование принципа высокочастотного ускорения позволило создать относительно простой по конструкции ускоритель со скромными габаритами и весом. Это позволяет размещать его в зале меньших размеров, чем залы для высоковольтных ускорителей с теми же параметрами.
    Импульсность пучка ускорителей типа ИЛУ дает возможность направлять его в различные каналы выпускного устройства без потерь. Следовательно, появляется возможность создания выпускных устройств, формирующих зону облучения в соответствии с формой облучаемого изделия, что позволяет повысить эффективность использования ускоренного пучка. Ускоряющая система     На Рис.7 приведена ускоряющая система ускорителя ИЛУ-6, на примере которой поясняется принцип действия ускорителя.

Рис. 7: Общий вид ускорителя ИЛУ-6. 1-вакуумный объем, 2-резонатор, 3-дроссель смещения нижней половины резонатора, 4-магниторазрядные насосы, 5-инжектор электронов, 6-выпускное устройство, 7-измерительная петля, 8-лампа генератора, 9-опора петли связи, 10-вакуумный конденнсатор петли связи, 11-подвижная пластина конденсатора обратной связи, 12-катодный шлейф

    Ускоряющая система состоит из медного тороидального резонатора 1, размещенного в вакуумном объеме 2.
    Резонатор состоит из верхней и нижней половин, на внутренних выступах которых установлены электроды, образующие ускоряющий зазор. В верхнем электроде выполнена стержневая управляющая сетка. На изоляторе, установленном на электроде, смонтирован катодный узел, образующий с сеткой инжектор электронов 5. Нижний электрод и инжектор образуют триодную ускоряющую систему.
    Управление током ускоренного пучка электронов осуществляется изменением величины положительного смещения на катоде относительно сетки. Для подавления высокочастотного резонансного разряда в резонаторе его нижняя половина установлена на изоляторах и на нее через индуктивность 3 подано напряжение смещения, частично подавляющее этот разряд. Внутри выступа нижней половины резонатора установлена аксиально симметричная магнитная линза 13, формирующая пучок в канале ускорителя и выпускном устройстве 6. Выпускное устройство подсоединяется к фланцу линзы через шибер и сильфонный узел. Исполнение иыпускного устройства варьируется в зависимости от технологического процесса.
    Однокаскадный генератор высокой частоты установлен непосредственно на вакуумном баке резонатора (модели ИЛУ-6, ИЛУ-10) или вблизи него (модель ИЛУ-8) и связан с последним петлей связи.
    Генератор, собранный по схеме с общей сеткой, работает в режиме самовозбуждения на частоте связи, близкой к собственной частоте резонатора.
    В ускорителе ИЛУ-8 выходная мощность ВЧ генератора подается на петлю связи по коаксиальному фидеру, а сигнал обратной связи снимается с резонатора петлей обратной связи и заводится в генератор по кабелю.
    Откачка вакуумного объема во время работы ускорителя производится высоковакуумными магниторазрядными насосами 4, размещенными непосредственно на объеме. Предварительная откачка воздуха после вскрытия объема осуществляется форвакуумным насосом, установленным вблизи ускоряющей системы.

Импульсный источник питания Источник питания унифицирован для всех моделей ИЛУ. Источник импульсного напряжения, питающий анод лампы ВЧ генератора, работает непосредственно от трехфазной сети напряжением 380/220 В без применения промежуточного трансформатора (см. pис.8).

Рис. 8: Упрощенная схема источника импульсного напряжения. G1-выпрямитель, L1-накопительная индуктивность, G2-схема перезаряда, C1,C2-конденсаторы перезаряда, N1 - N7-тиристорные ключи, C13 - C28,L2,L3-формирующая линия, T2-импульсный трансформатор, G3-источник напряжения подвозбуждения
    К выходу выпрямителя G1, собранного на тиристорах, подключена накопительная индуктивность L1, закорачиваемая при накоплении тока тиристорными ключами N1 и N2. При включении тиристорных ключей N3 и N4 запираются ключи N1 и N2, накопление тока прекращается и вся энергия, накопленная в индуктивности L1, перебрасывается в конденсаторы формирующей линии (C13...C28, L2, L3), заряжая их до напряжения, определяемого величиной накопленной энергии. После прекращения заряда формирующей линии открываются тиристорные ключи N5 и N6, подключающие к линии первичную обмотку импульсного трансформатора T2. На нагрузке его вторичной обмотки (аноде лампы ВЧ генератора) формируется импульс напряжением до 30 кВ, длительностью 0.4 - 0.7 мс при токе нагрузки до 150 А.
    Задний фронт импульса формируется тиристорным ключом N7, закорачивающим первичную обмотку трансформатора.
    Частота повторения импульсов может изменяться от 2 до 50 Гц (при работе с пониженными амплитудами импульса до 100 Гц).
    Постоянное напряжение для подвозбуждения ВЧ генератора подается на анод лампы от источника G3 через вторичную обмотку импульсного трансформатора. Оно же используется для размагничивания сердечника этого трансформатора после высоковольтного импульса.
    Применение индуктивного накопителя позволило отказаться от выcoкoвольтного выпрямителя, значительно снизить габариты источника и повысить его КПД. Стойка управления     Управление ускорителем осуществляется с помощью компьютера. На стойке управления размещены электронные блоки, управляющие узлами и системами ускорителя, и блок управления, связывающий эти блоки с компьютером.
    Оператор вводит основные параметры технологического процесса в компьютер и включает питание и вспомогательные системы ускорителя. Дальнейшее управление работой ускорителя: начало и конец процесса облучения, поддержание параметров в заданных пределах, информирование оператора об условиях протекания процесса и выключение ускорителя в аварийных ситуациях осуществляется компьютером. Все параметры процесса могут быть выведены на экран компьютера в цифровой форме, основные параметры - в форме графиков текущего времени с изменением временного масштаба (8, 80 минут и 8 часов). Кроме того ведется таблица режимов работы ускорителя.
    Основные параметры усорителя и технологического процесса поддерживаются с точностью до 1%, что обеспечивает высокое качество обработки продукции.
    Программное обеспечение компьютера позволяет легко адаптировать установку к широкому спектру технологических процессов и задавать программу изменения параметров во времени в случае надобности.
При выходе компьютера из строя возможен переход на ручное управление технологическим процессом путем простого переключения стойки в режим ручного управления. В этом режиме рабочие параметры ускорителя и технологического оборудования выводятся на цифровой индикатор и осциллограф.
    Габариты стойки управления 1 х 1 х 2 м. К стойке поставляется приставка для размещения компьютера и осциллографа. Устройства выпуска пучка     Использование для радиационных технологий импульсных ускорителей электронов позволяет создавать устройства выпуска пучка, формирующие зону многостороннего облучения объектов различной формы.
Это дает возможность повысить эффективность использованя пучка и в ряде случаев снизить энергию, необходимую для облучения либо расширить номенклатуру обрабатываемых изделий. Такова, например, ситуация при обработке кабелей. Облучение проводов кабелей и трубок должно производиться по меньшей мере с двух сторон. Двухстороннее облучение приемлемо для миниатюрных или плоских многожильных проводов, лент и т.д.
    Однако при двухстороннем облучении толстых кабелей и труб неоднородность дозы облучения по периметру изделия получается слишком высокой. Более того, применение обычных облучателей с использованием линейной развертки пучка и перемоточного устройства обеспечивающего двухстороннее облучение на одном уровне не дает хороших результатов из за вращения изделия вокруг его продольной оси при перемотке.
    Удобной для радиационной обработки кабелей и труб являетя система облучения, в которой отсутствует изменение направления изгиба изделия при перемотке, т.е. в которой изделие облучаеся на двух уровнях как минимум с двух сторон. Такая схема облучения реализуется с помощью устройства выпуска пучка, показанного на Рис.9.

Рис. 9: Устрйство выпуска пучка для четырехстороннего облучения. 1-узел развертки, 2-сердечник магнита развертки, 3-вакуумная камера, 4-фокусирующая линза, 5-выпускные окна, 6-облучаемое изделие

Пучок отклоняется на 45^о последовательно на разных уровнях, что обеспечивает четырехстороннее облучение перематываемого под выпускными окнами изделия.
Такая система выпуска достаточно универсальна и позволяет реализовать двух- или четырехстороннее облучение или линейную развертку пучка простым переключением режима работы разворачивающих магнитов.
Для специальных целей была разработана трехканальная система выпуска пучка с линейной разверткой его в каждом канале (рис.10).

Рис. 10: Трехканальное устройство выпуска пучка. 1-отклоняющая система, 2-датчики продольного положеня пучка, 3-вакуумный об'ем, 4-датчики поперечного положения пучка, 5-выпускные окна, 6-облучаемый объект

С помощью этой системы обрабатывались изделия на трех отдельных линиях одновременно с различными режимами облучения.
Любой из ускорителей типа ИЛУ может быть оснащен как выпускным устройством с линейной разверткой пучка так и любым из вышеупомянутых выпускных устройств. При необходимости возможна разработка и других типов выпускных устройств, приспособленных к технологии заказчика.

Технологические процессы     Ускорители семейства ИЛУ нашли широкое применение в промышленных технологических процессах.
    Основная область применения - облучение кабелей, проводов и труб.
    В этой области они особенно эффективны т.к. реализуют процесс 4-стороннего облучения. Принцип реализации 4-стороннего облучения приведен на Рис.11.

Рис. 11: Схема технологической линии для четырехстороннего облучения кабеля под четырьмя выпускными окнами Для промышленной реализации этого процесса разработан ряд устройств для подпучковой транспортировки кабелей и труб с различными параметрами - от самых тонких до изделий с минимальным радиусом гиба до 0,75 м и диаметром до 50мм (Рис.12, Рис.13). Заказчикам поставляются облучательные установки, соответствующие номенклатуре их изделий.

Рис. 12: Установка для облучения кабелей и трубок малых и средних диаметров

Рис. 13: Установка для облучения толстых кабелей и труб     Установка на базе ускорителя ИЛУ-8 с энергией электронов до 1 МэВ может обрабатывать кабели с толщиной изоляции до 2 мм и трубки с толщиной стенки до 2,5 мм. При двухстороннем облучении таких изделий требуется энергия до 2 МэВ. Производительность такой установки на большинстве изделий ограничивантся возможностями существующих приемо-отдаточных устройств. Так, например, на установке, используемой в Корее для облучения термоусаживаемых трубок, основная их часть облучается в два ручья параллельно со скоростью до 200 м/мин.
    Установка может быть снабжена подпучковым транспортным устройством для облучения пленочных изделий.
    Установка на базе ускорителя ИЛУ-6 с энергией электронов до 2,5 МэВ способна обрабатывать кабели с толщиной мзоляции до 5 мм и полиэтиленовые трубы горячего водоснабжения ламинированные алюминием.
В Китае такая установка используется для облучения 10 кВ кабеля при производительности до 100 м/мин.
Следующая область перспективного применения ускорителей семейства ИЛУ - стерилизация медицинских изделий}.
    В Ижевске и Киеве работают установки на базе ускорителей ИЛУ-6 по стерилизации одноразовых шприцев.
    Производительность такой установки - до 100.000 шприцев в час.
    Модель ИЛУ-10 с энергией электронов 4 МэВ позволяет значительно расширить номенклатуру стерилизуемых изделий. Новая модель в семействе - ускоритель ИЛУ-11.     Опыт эксплуатации ускорителей ИЛУ показал, что однорезонаторные ускорители с одним ускоряющим зазором могут быть эффективно использованы для ускорения электронов в диапазоне энергий 0,7-4,0 МэВ при мощности электронного пучка до 20 - 40 кВт. Дальнейшее увеличение энергии требует перехода на многозазорные ускоряющие структуры (например, на основе цепочек связанных резонаторов). Такая ускорительная секция для нового ускорителя ИЛУ-11 была разработана на основе конструкции резонатора ускорителя ИЛУ-8.
    На Рис.14 показана конструкция ускорителя ИЛУ-11, рассчитанного на энергию 4-5 МэВ.

Рис. 14: Ускоритель ИЛУ-11 Его ускорительная секция состоит из двух связанных тороидальных резонаторов 1, помещённых внутри стального вакуумного бака 2. Связь между резонаторами осуществляется при помощи коаксиальной линии 3 длиной lambda/2. Внутренние части обоих резонаторов соединены вместе и установлены на трёх опорных изоляторах 4 для изоляции от корпуса. Триодная электронная пушка 7 установлена вверху на выступающей части резонатора. Магнитные линзы 8 фокусируют пучок, обеспечивая его прохождение по тракту ускорения и далее в устройство выпуска пучка в атмосферу.
Возбуждение резонаторов осуществляется от внешнего автогенератора через воздушный коаксиальный фидер и петлю ввода мощности 9. Автогенератор собран на мощном импульсном генераторном триоде ГИ-50А и имеет точно такую же конструкцию, как и у ускорителя ИЛУ-8. Обратная связь осуществляется через ускоряющий резонатор и фазовращатель.
Основные проектируемые параметры ускорителя ИЛУ-11:

Максимальная энергия - 5 МэВ
Средняя мощность пучка - 20 кВт
Длительность импульсов - 0,7 мс
Частота повторения импульсов - 50 Гц
Рабочая частота резонатора - 180 МГц
Добротность резонатора - 29*10³
Шунтовое сопротивление резонатора - 6 МОм
Диаметр ускоряющей секции - 820 мм
Длина ускоряющей секции - 1600 мм
Протяжённость ускоряющих зазоров - 116 мм.

Разработка новой системы выпуска пучка В конце 1996 года Лаборатория 14 заключила контракт с американской фирмой "RAYCHEM" на разработку системы вывода непрерывного пучка ускоренных электронов через четыре выпускных окна. Ускоритель фирмы "RAYCHEM" является машиной прямого действия и имеет следующие основные параметры: энергия ускоренных электронов 1.5 МэВ, мощность пучка 50 кВт.
Согласно техническому заданию неизбежные потери мощности пучка на внутренних элементах конструкции выпускного устройства не должны превышать 2% (или 1 кВт). Исходя из условия ограничения максимально допустимой тепловой нагрузки на фольгу выпускного окна общая длительность прямого и обратного хода развертки пучка вдоль выпускного окна составляет 10 мс, по всем 4-м окнам соответственно 40 мс.
В качестве варианта мы предложили использовать стандартное выпускное устройство для вывода пучка на четыре окна, разработанное для применения в импульсных ускорителях типа ИЛУ. Соответствующие доработки позволяют использовать это устройство для вывода пучка в ускорителе прямого действия (Рис. 15).

Рис. 15: Выпускное устройство.
1- водоохлаждаемый медный коллиматор; 2 - краевой магнит; 3,4 - траектории пучка; 5,8 - выпускное окно; 6 - магнит развертки; 7 - стенка выпускного устройства.
    Расчеты и последующие испытания макета показали, что при использовании стандартных (используемых на ускорителях серии ИЛУ) обмоток магнитов развертки и толщине стенок горловины выпускного устройства в 0,5 мм (материал - нержавеющая сталь) необходимая для переброски пучка из окна в окно индукция магнитного поля может быть достигнута за 70 мкс. При этом суммарная потеря мощности пучка составляет 50кВт*(4*70мкс.)/40мс=0.35 кВт, что не превышает допустимую величину потерь в 1 кВт.
Новые технологии     В Институте ядерной физики на стенде ИЛУ совместно с другими организациями разработан ряд перспективных технологических процессов, которые могут найти широкое применение.
    Высокотемпературные процессы.
    Пучок электронов, выпущенный в воздух через фольгу, способен обеспечить плотность мощности до 400 Вт/см², что дает возможность нагрева обрабатываемого материала до 2000 С^о. При этом материал нагревается во всем объеме проникновения электронов, что практически исключает тепловую инерцию, неизбежную при других способах нагрева.
    Простота управления параметрами пучка позволяет осуществить любой режим нагрева, что гарантирует высокую точность и воспроизводимость процесса.
    Эффект пучковой ионизации, добавляющийся к эффектам термической активации реакции, увеличивает скорость реакции и позволяет снизить температуру процесса. Таким образом, пучок выступает как нетрадиционный источник нагрева с одной стороны и как радиационный активатор реакции с другой.
    Эта технология применяется, в частности, при производстве катализатора на основе оксида железа для синтнза аммиака, высокотемпературных стекол и керамик, высококачественных ферритных материалов, в процессах повышения твердости поверхности металлов и порошковых покрытиях стали и неферритных материалов.
    Большой интерес представляет обработка пучком электронов пассивных компонентов при производстве гибридных интегральных схем (ГИС). При этом достигается:

улучшение качества компонентов;
увеличение плотности толстопленочных элементов;
уменьшение процента бракованных плат;
исползование паст на основе широко распространенных металлов взамен паст на основе редких и драгоценных металлов;
исползование металлических подложек взамен керамических с улучшением изоляционных качеств;
полная автоматизация процесса производства.

Технология радиационной иммобилизации биологически активных веществ.
Достоинствами применения радиационной технологии в сравнении с обычными класссическими химическими методами иммобилизации являются:

существенное снижение стоимости производства продукции;
высокая скорость технологического процесса (облучение в потоке);
уменьшение теплового и химического загрязнения;
сокращение количества химических ингедиентов необходимых для иммобилизации протеаз;
более эффективное использование электроэнергии;
возможность перестраивать ускоритель для решения сопутствующих задач:
--- стерилизация непрерывных потоков растворов, смесей,
--- производство гелей;
продолжительный срок службы оборудования.

    Подобные радиационно-технологические прооцессы относятся к практически безотходным видам производства.
    На ускорителе ИЛУ-6 отработана технология производства и налажен мелкосерийный выпуск медицинских и ветеринарных препаратов на основе иммобилизованных ферментов, а также компонентов, используемых для очистки отходов мясомолочной и целлюлозной промышленности.
    Ведутся исследования новых компонентов для радиационной иммобилизации (сыворотки, экстракты лекарственных растений) с целью создания биологически активных веществ пролонгированного действия, устойчивых к воздействиям окружающей среды.
Работы по применениям электронного пучка     Установленные в Лаборатории 14 ускорители ИЛУ-6 и ИЛУ-10 постоянно используются для проведения различных исследовательских и технологических работ с электронными пучками совместно с другими организациями. Одним из важнейших направлений Лаборатории 14 являются работы по медицинским, биологическим и фармакологическим применениям наших ускорителей, начатые ещё в 70-е годы.
В 1997 году совместно с Институтом Цитологии и Генетики СО РАН проводилось изучение процесса иммобилизации сывороточных иммуноглобулинов и отработка технологических процессов для создания препаратов, предназначенных для профилактики вирусных инфекций.
    Другая важная совместная работа с ИЦиГ, проводившаяся в 1997 году - отработка режимов стерилизации препаратов полисахаридов с биологически активными веществами, используемых в качестве компонентов для приготовления лекарственных прописей.
    Препараты "Иммозимаза" и "Профезим", разработанные в ИЦиГ СО РАН, относятся к новому типу лекарственных препаратов, представляющих собой комплекс бактериальных ферментов, иммобилизованных на полимерной матрице. Процесс выпуска "Профезима" сейчас налажен в НИКТИБАВ, г. Бердск, совместно с нашим Институтом. Процесс иммобилизации ("сшивка" ферментов с матрицей) происходит при облучении исходной смеси электронным пучком с энергией 2,5 МэВ. Режим обработки выбирается таким, чтобы одновременно с иммобилизацией происходила и стерилизация препарата с сохранением активности иммобилизованных ферментов. Способ получения радиационно-модифицированных ферментов защищён российскими и международными патентами.
    Совместно с ИЦиГ СО РАН были также проведены работы по картрированию генома млекопитающих и созданию панели соматических радиационно-индуцированных гибридов.
    Проблема стерилизации медицинских препаратов и изделий в процессе массового промышленного производства может быть решена несколькими способами, и разработаны технологии термической, фильтрационной (пригодной только для жидких сред), газовой (используется высокотоксичный и экологически опасный газ - окись этилена), гамма-стерилизации и электронно-лучевой стерилизации (ЭЛС). У каждой технологии есть свои сферы применения, преимущества и недостатки. В России распределение по способам стерилизации примерно следующее: гамма-стерилизация - 60%, газовая - 30%, электронно-лучевая стерилизация - 10%.
    Стерилизация с помощью естественных источников гамма и бета излучения известна практически с момента открытия радиоактивности, однако промышленное применение этот способ получил только после создания нового поколения промышленных электронных ускорителей, намного более эффективных и мощных источников излучения, чем изотопные.
    В процессе электронно-лучевой стерилизации (ЭЛС) стерильность достигается обработкой продуктов или изделий пучком ускоренных электронов с энергией 2,5-10 МэВ. Из-за сравнительно низкой проникающей способности электронов для достижения необходимой равномерности поглощённой дозы иногда приходится применять электроны с энергией до 10 МэВ, что вызывает дополнительные сложности.
В сравнении с другими методами ЭЛС обладает следующими преимуществами:

Более эффективное использование энергии;
Относительно низкая стоимость процесса;
Высокая производительность, быстрая обработка;
Низкое тепловое и химическое загрязнение окружающей среды;
Высокое качество продукции;
Непрерывность технологического процесса;
Достаточно большой срок службы оборудования.

    Электронно-лучевым технологиям, основанным на применении ускорителей электронов, присуща высокая чистота во всех отношениях и безопасность производства. При работе в диапазоне энергии 0,4--10,0 МэВ не образуются радиоактивные элементы, что делает ускоритель безопасным в этом смысле. Ускоритель можно практически мгновенно выключить и прекратить облучение, поэтому радиационная защита требуется только для ускоряющих элементов системы на время работы, а в нерабочем состоянии ко всему оборудованию можно относиться как к обычному электротехническому оборудованию с соблюдением соответствующих норм безопасности.
    В настоящее время электронные ускорители применяются в основном для стерилизации шприцев и значительно реже для стерилизации лекарственных форм. Это связано с недостаточной научной проработкой проблемы и слабой информированностью медицинской общественности о возможностях метода.
На ускорителях ИЛУ-6 и ИЛУ-10 проводились исследования и отрабатывались технологии стерилизации медицинского инструментария (шприцы, системы переливания крови, шовный материал, одноразовые гинекологические наконечники и т.п.) совместно с различными организациями Новосибирска, Красноярска, Барнаула и других городов. Другая примыкающая проблема, также прорабатывавшаяся на нашем стенде - возможность изготовления стерильной хирургической одежды и медицинского белья из специальных тканных и нетканных материалов.
    Совместно с центром "Медицина Катастроф" отрабатывается возможность создания запаса стерильного медицинского инструмента на случай чрезвычайных ситуаций.
    Серьёзной проблемой является стерилизация лекарств и препаратов, расфасованных в стандартные флаконы ФО-10, в обиходе обычно называемые "пенициллиновыми". Прямолинейным (или можно сказать лобовым) решением проблемы является гамма-стерилизация препаратов, расфасованных во флаконы, или стерилизация электронным пучком с энергией 5-10 МэВ. Недостатков обоих методов можно избежать при использовании следующего метода стерилизации, предложенного В.Л. Ауслендером и В.А. Поляковым. Специальный транспортёр перемещает флаконы под пучком, вращая их, при этом происходит перемешивание содержимого флакона. При правильно выбранных параметрах пучка и скорости перемещения все частицы содержимого флаконов получают необходимую дозу при энергии электронов 2,5-4 МэВ.
    В Институте Туберкулёза г. Новосибирска разработана оригинальная методика лечения больных препаратом "ПАСК" (парааминосалициловая кислота). "ПАСК" является очень эффективным и достаточно дешёвым препаратом для лечения туберкулёза, однако технология его производства не позволяет получить препарат с достаточной стерильностью. При термической стерилизации "ПАСК" разрушается.
    Обычный способ лечения препаратом "ПАСК" - приём порошка или таблеток внутрь. В Институте Туберкулёза был предложен метод внутривенного введения препарата, что, однако, требует его стопроцентной стерильности. На ускорителе ИЛУ-6 были отработаны методы электронно-лучевой стерилизации препарата без нарушения его лечебных свойств. Клинические испытания стерилизованного таким образом препарата, проведённые в Институте Туберкулёза, показали, что эффективность лечения по этому методу значительно возрастает, а стоимость лечения уменьшается в 2-3 раза. В настоящее время совместно с Новокузнецким Химическим Комбинатом отрабатывается схема промышленного производства высоко стерильной парааминосалициловой кислоты.
    В Институте Неорганической Химии СО РАН и в Институте Катализа СО РАН разработаны сорбенты, превосходящие в несколько раз древесный уголь по своей эффективности. Эти сорбенты в комплексе с антибиотиками, стерилизованные методом ЭЛС, в настоящее время проходят клинические испытания при лечении послеродовых и послеоперационных травм на кафедре гинекологии Новосибирского Медицинского Института и в некоторых клиниках Новосибирска.
    В настоящее время предъявляются повышенные требования к стерильности упаковок и посуды для медицинских нужд. Мы наладили сотрудничество с Институтом Трансплантации Почек г. Барнаула и провели работы по стерилизации упаковочных средств для длительного хранения материалов, необходимых для пересадки почек.
    В последнее время вырос интерес к препаратам и лекарствам из натуральных компонентов. Для производства таблетированных лекарств из экологически чистых трав и корней, произрастающих в Горном Алтае, в г. Бийске на основе программы конверсии было организовано АО "Бальзам". Так как изначальная обсеменённость исходного сырья патогенной флорой достаточно высока, мы совместно с АО "Бальзам" провели серию экспериментов по стерилизации образцов препаратов. Контрольный микробиологический анализ, проведённый после обработки, подтвердил полную стерильность таблеток, а физико-химические исследования подтвердили полное сохранение лечебных свойств таблеток. В настоящее время налаживается процесс промышленного производства этих таблеток со стерилизацией их на ускорителе ИЛУ-6.
Методика стерилизации, отработанная на ускорителе ИЛУ-6, позволяет производить лекарственные препараты с высокой степенью микробиологической чистоты на основе сырья животного происхождения, например, панкреатин, пепсин, холензим, тиреодин. Эти работы проводились совместно с заводом медпрепаратов г. Новосибирска. Все методики, наработанные на ускорителе ИЛУ-6, используются и на ускорителе ИЛУ-10.
    Метод ЭЛС может быть использован и для стерилизации мелкодисперсных сухих сред. Так, в ГНЦ Вирусологии и Биотехнологии РФ "ВЕКТОР" разработаны сухие питательные среды для однослойного и суспензионного культивирования клеточных культур. В сухой форме питательные среды выпускаются в виде порошков, расфасованных во флаконы Ф0-10, которые стерилизуются на ускорителе ИЛУ-6 по предложенному нами методу. Сухие питательные среды, стерилизованные таким способом, прошли аттестацию в ГИСК им. Тарасевича Минмедпромздрава РФ.
     Утверждены следующие фармстатьи:

ФС 42-351 ВС-90 среда ``ИГЛА'' стерильная сухая.
ФС 42-347 ВС-90 среда ``199М'' стерильная сухая.
ФС 42-346 ВС-90 среда ``МЕМ4'' стерильная сухая.
ФС 42-350 ВС-90 среда ``RPVI-1640'' стерильная сухая.

    Перспективным представляется процесс производства и стерилизации пластмассовой посуды малого объёма для разлива лечебно-профилактических препаратов в соответствии с новыми требованиями Минздрава РФ. Эта работа проводится нами в сотрудничестве с АО "БИО-ВЕСТА", производящим лечебно-профилактический препарат "Бифиллин-М".
    В последние годы в большинстве развитых стран для стерилизации одноразовых шприцов применяется электронно-лучевая обработка, используются ускорители электронов с энергия 5-10 Мэв. В нашей лаборатории предложен и отработан метод стерилизации шприцов, позволяющий использовать для этой цели ускорители с энергией электронов 2,5-4,0 Мэв. Метод утвержден Минздравом РФ. Обработка стандартных шприцов, упакованных в картонные коробки, проводится с двух сторон, и после этого коробки со шприцами можно сразу отправлять конечным потребителям. Применение этого метода не требует никаких изменений в технологической цепи производства шприцов, уменьшается мощность дозы и энергия электронов, что позволяет достичь заметной экономии при стерилизации.
    В нашем Институте был разработан и изготовлен автоматизированный комплекс на основе ускорителя ИЛУ-6 для стерилизации одноразовых медицинских шприцов. Комплекс установлен на предприятии "Ижевский Мотозавод", г. Ижевск, его производительность составляет до 600 млн шприцов в год. Компьютерная система (на основе IBM PC простейшей модели) управляет энергией, током пучка, частотой следования импульсов, а также системой транспортировки облучаемых изделий. Управляющая программа устанавливает и затем поддерживает заданный оператором режим облучения, стабилизируя все необходимые параметры с точностью до 1%, производит непрерывную диагностику оборудования, выдаёт сообщения о сбоях и недопустимых отклонениях рабочих параметров, а также ведёт "автоматический журнал" в памяти компьютера.
    Подача упаковок со стерилизуемыми шприцами в зону облучения осуществляется конвейером с компьютерным управлением, специально разработанным для работы в условиях воздействия ионизирующего излучения. Конвейер (Рис. 16) обеспечивает двустороннее облучение упаковок со шприцами, необходимое для равномерного распределения поглощённой дозы по объему. Комплекс сертифицирован Минздравом РФ и выпускает в настоящее время 120 млн шприцов в год. Количество продукции определяется мощностью производства.

Рис. 16: Конвейер     Одной из наиболее интересных перспектив применения ускорителей ИЛУ-6 и ИЛУ-10 является возможность их использования для производства медицинских изделий из резины (детские соски, всевозможные прокладки, презервативы и т.п.). Исследования, проведенные в нашей лаборатории, показали, что практически все типы каучуков (за исключением бутил-каучука) очень хорошо сшиваются (вулканизируются) под воздействием электронного пучка без применения дополнительных химических реагентов. Учитывая резко возросшие требования к экологической чистоте производства и биологической безопасности медицинских изделий, применение ускорителей в этих производствах имеет неоспоримые преимущества. Если использование ускорителей типа ИЛУ для производства объемных изделий (автошины, шахтные кабели и т.д.) представляется в настоящее время проблематичным, во всяком случае требующим больших дополнительных исследований, то применение их для производства тонколистовой резины для медицинских целей может дать заметный экономический эффект.
    Проводились работы по покрытию тонким слоем полимера внутренних стенок кварцевых капиллярных колонок для медико-биологической и химической хроматографии. Покрытие осуществлялось путём облучения капилляров, заполненных мономером. Образовавшееся защитное покрытие существенно увеличивает срок службы и чувствительность колонок.
    Электронно-лучевые технологии получают все большее распространение во многих производствах, а получение некоторых медицинских препаратов и веществ никаким другим способом просто невозможно. Относительно небольшая распространенность этих технологий в Российской Федерации объясняется как недостаточной информированностью соответствующих ведомств и производителей, так и финансово- экономической ситуацией в стране. Ускорители ИЛУ в фундаментальных исследованиях     В 1997 году совместными усилиями Института Химии Твёрдого Тела и Механохимии СО РАН и ИЯФ проводились исследования высокотемпературного массопереноса в оксидных системах NiO-Fe₂O₃ и NiO-Al₂O₃ при воздействии мощного пучка ускоренных электронов в качестве нагревателя. Установлено, что в этих условиях коэффициенты взаимодиффузии катионов увеличиваются в 5-7 раз по сравнению с обычными условиями термического нагревания, что свидетельствует о заметной активации процесса электронным пучком. Аналогичные результаты получены и для процессов диффузии Cu в Al, взаимодействии Cu <-> Ag, диффузии O₂ в сплавы, содержащих Cu. Полученные данные свидетельствуют, что одним из компонентов суммарного процесса радиационно-термической активации высокотемпературных процессов синтеза является активация диффузной стадии.
    Cовместная работа по изучению влияние поглощённой дозы на разуплотнение и флотацию некоторых сульфидных мономинералов (FeS₂, ZnS, PbS) была проведена тремя институтами СО РАН - БИЯФ, ИХТТиМ и Институтом Горного Дела. Было установлено, что оптимум воздействия электронного пучка достигается при поглощённой дозе 2+/-0,2 Дж/г. Увеличение дозы приводит к резкому уменьшению радиационного эффекта. Подобное поведение сульфидов не укладывается в известные механизмы радиационного воздействия, а сам эффект требует дальнейшего изучения.

Вверх Технологии на базе электронных пучков

08.10.98