Технопанацея

Первые ускорители создавались на фоне формирования научных представлений о строении атома. Прообразами устройств такого рода можно считать появившиеся в XIX веке катодные трубки, опыты с одной из которых привели Вильгельма Рентгена к открытию в 1895 году излучения, совершившего переворот в медицинской диагностике и других сферах. Однако первые такие конструкции изобретались в неведении о разгоняемых ими частицах: современные представления об электроне и протоне сформировались лишь к началу XX столетия. В 1920-х годах были придуманы работоспособные конструкции для разгона уже известных заряженных объектов микромира. Ускорители поначалу рассматривались как передовые инструменты науки, но очень скоро вышли далеко за ее пределы и нашли применение во многих практических областях, оставаясь в то же время одними из главных средств разгадки тайн природы.

Технологии
В ускорителях электрическое поле используется для разгона заряженных элементарных частиц, а магнитное — для корректировки их орбиты и фокусировки пучка. Существует целый ряд типов таких устройств, в которых эти общие принципы воплощены по-разному. Типология ускорителей может иметь в основе различные критерии, так что, в зависимости от их выбора, одна и та же машина может быть отнесена к разным группам. Например, ускорители различают по форме траектории частиц, выделяя линейные (разгоняющие частицы по условной прямой) и циклические или индукционные (в которых они перемещаются по криволинейным — замкнутой или спиралевидной — орбитам). Критерием может служить также то, пучки каких частиц получают в данной установке: распространены ускорители электронов, протонов и ионов, и каждый из них может быть линейным или циклическим.

Выделяют ускорители прямого действия и резонансные. В машинах прямого действия частица разгоняется однократным воздействием электрического поля — подобно тому как снаряд вылетает из ствола под действием расширяющихся пороховых газов от одного взрыва. В резонансных ускорителях поле периодически «подхлестывает» частицу, каждый раз придавая ей дополнительный импульс, на одних и тех же (в большинстве циклических ускорителей) либо разных (в линейных ускорителях резонансного типа) участках или промежутках.

Далее, различают ускорители с непрерывным током пучка (ускорители непрерывного действия) и импульсные. Мощнейшие импульсные ускорители способны генерировать кратковременные (миллионные доли секунды и меньше) сгустки ускоренных частиц с очень высокими импульсной мощностью (порядка 10¹⁴ Вт) и током пучка (порядка 10⁷ А), что намного превосходит показатели непрерывных ускорителей. Однако, в отличие от ряда устройств с непрерывным пучком, некоторые мощнейшие импульсные машины не могут работать длительное время беспрерывно и требуют многочасовой подготовки перед очередным «залпом».

По способу использования пучка различают ускорители с неподвижными мишенями и коллайдеры — устройства, предназначенные для столкновения частиц во встречных или пересекающихся пучках. Мишенные ускорители (в которых пучки заряженных частиц направляются на устройства из специально подобранных материалов — мишени) широко применяются как в научных и прикладных исследованиях, так и в практических сферах; коллайдеры, представляющие собой системы из нескольких ускорителей, предназначены для исследований и утилитарно не используются.

Наконец, ускорители классифицируются по количественным параметрам: уровням энергии частиц, тока пучка и другим. Такое деление условно, и градация выбирается в зависимости от критериев и задач. Например, при сравнении ускорителей всех видов и назначений по энергии могут выделяться низкоэнергетичные машины (с энергией протонов до 10 МэВ и электронов — до 30 МэВ), ускорители средних энергий (10−100 МэВ для протонов и 30−100 МэВ для электронов), высоких (сотни МэВ) и сверхвысоких энергий (измеряемых гигаэлектронвольтами — 10⁹ эВ — или, в единичных случаях, тераэлектронвольтами — 10¹² эВ). Однако для утилитарных задач сравнительно редко применяются машины третьей категории, а ускорители сверхвысоких энергий вне науки практически не используются. Для утилитарных машин (используемых вне научных исследований) существуют иные градации, зависящие от вида разгоняемых частиц: к примеру, применяемые в промышленности электронные ускорители могут считаться низкоэнергетичными при энергиях до 300 кэВ; ускорителями средних энергий — до 5 МэВ; установками высоких энергий — до 10 Мэ В.

В первые десятилетия развития ускорительной техники сложился ряд конструктивных типов ускорителей, составляющих основу большинства современных систем. К ним относятся линейные ускорители, циклотроны, бетатроны, микротроны, фазотроны, синхротроны, синхрофазотроны и некоторые другие конструкции. Крупнейшие ускорители обычно представляют собой не одну машину, а комплексы, включающие несколько ускорителей (как правило, разнотипных и достаточно мощных) и вспомогательные устройства. Такую систему нельзя отнести к какому-то одному конструктивному типу. Наиболее сложные из подобных комплексов — крупнейшие коллайдеры.

Исторически первыми конструкциями были линейные ускорители и циклотроны. Они были разработаны в третьем десятилетии XX века, а первые работоспособные экземпляры появились на границе 1920-х и 1930-х годов.

Первыми линейными ускорителями прямого действия стали электростатические машины, в которых заряженные элементарные частицы: протоны, ионы, электроны — разгоняются в постоянном электрическом поле с очень высокой разностью потенциалов (25 млн вольт и выше в крупнейших конструкциях). Подобный высоковольтный ускоритель был впервые сконструирован в 1929 году американским физиком Робертом Ван де Граафом на основе предложенного им генератора высокого напряжения, создающего разность потенциалов за счет механического снятия отрицательных зарядов с электрода посредством ременного привода. Впоследствии появились усовершенствованные варианты таких ускорителей. В частности, в так называемом пеллетроне, изобретенном в 1960-х годах, гибкая лента была заменена цепью, что обеспечило существенно бóльшую скорость снятия заряда и, соответственно, бóльшие напряжение и ток.

В ускорителях прямого действия иного типа — каскадных генераторах, первый из которых был сконструирован в 1931 году англичанами Джоном Кокрофтом и Эрнстом Уолтоном, — с помощью умножителя напряжения энергия низковольтного переменного электрического тока преобразуется в энергию электростатического поля с разностью потенциалов в сотни тысяч и миллионы вольт. В так называемых тандемных ускорителях обеспечивается двухэтапный проход частиц через электростатическое поле высокого напряжения, благодаря чему достигаются энергии, близкие к технически возможным для ускорителей данного вида — несколько десятков МэВ. Дальнейшему наращиванию препятствуют пределы электрической прочности элементов конструкции: напряжения в десятки миллионов вольт вызывают пробóй большинства диэлектриков. На ускорителях прямого действия в 1932 году была впервые осуществлена ядерная реакция расщепления атомного ядра посредством искусственно разогнанных частиц: с помощью каскадного генератора, разгонявшего протоны в поле с напряжением менее 1 МВ, Д. Кокрофт и Э. Уолтон разделили ядро лития.

В те же годы разрабатывались линейные ускорители другого типа — резонансные. Идея такой конструкции была предложена в 1924 году шведским физиком Густавом Изингом и воплощена в 1928 году норвежцем Рольфом Видерое, внесшим важный вклад в разработку и других типов ускорителей: прототип Р. Видерое длиной около метра разгонял ионы калия до энергии 50 кэВ. В подобных линейных резонансных машинах заряженные частицы пролетают сквозь выстроенные в ряд ускоряющие промежутки, чередующиеся с участками нарастающей длины, в которых поле на них не действует (так называемые дрейфовые трубки в случае машин типа сконструированной Р. Видерое). При этом частота и фаза поля, создаваемого высокочастотным (радиочастоты) генератором, подобраны таким образом, чтобы при проходе через ускоряющие промежутки частицы получали дополнительный импульс. Суммарный прирост энергии частиц пропорционален частоте поля и (или) числу ускоряющих промежутков, то есть в конечном итоге — длине ускорителя. Крупнейший в мире (он же самый длинный — 3,2 км) линейный ускоритель, ставший основой линейного коллайдера Национальной лаборатории ускорителей Стэнфордского университета в США, в годы работы на полную мощность (до 1998 года) разгонял электроны и позитроны до энергий в 50 гигаэлектронвольт, что остается рекордом для ускорителей линейного типа. Проект Международного линейного коллайдера (ILC), в котором участвуют компании разных стран, предусматривает строительство к 2030-м годам линака, разгоняющего бета-частицы до вдесятеро большей энергии, чем была достигнута в Стэнфорде, а в дальнейшей перспективе — ее увеличение до 1 ТэВ.

Параллельно с концепциями линейных ускорителей развивалась идея циклического ускорения. Первый такой ускоритель, названный циклотроном, был создан американским физиком Эрнестом Лоуренсом в 1931 году: машина размером с ладонь разгоняла протоны до 80 кэВ. В классическом циклотроне частицы двигаются по спиралевидной орбите в постоянном магнитном поле, ускоряемые переменным электрическим полем неизменной частоты. В таких устройствах получают пучки протонов или ионов. Этот тип ускорителей сразу же нашел широкое применение (в том числе в американском ядерно-­оружейном проекте «Манхэттен») и остается одним из наиболее распространенных: он применяется как в исследовательской, так и в практических сферах (о чем подробнее ниже). Его достоинство — сравнительная простота конструкции, позволяющей получить тяжелые частицы с энергиями вплоть до десятков мегаэлектронвольт. Однако обычный циклотрон не годится для ускорения электронов или получения протонов и ионов с энергиями в сотни МэВ.

Последнее возможно с помощью более сложных вариантов этой конструкции. Первый из них — так называемый изохронный, или релятивистский, циклотрон. Его основное отличие от классического — переменное управляющее магнитное поле, благодаря которому на заданной спиральной орбите могут удерживаться релятивистские частицы, чья энергия на один-два порядка больше получаемой в классическом циклотроне. Еще одна производная от циклотрона конструкция, разработанная в 1940-х годах, — фазотрон, или синхроциклотрон, в котором, наоборот, магнитное поле неизменно, а частота электрического меняется по мере наращивания энергии частиц. В нем протоны или ионы также двигаются по спирали, и их энергии могут составлять сотни мегаэлектронвольт: так, уже в 1949 году в СССР, в Дубне, был построен фазотрон на 680 МэВ.

Циклический ускоритель другого типа — бетатрон — был впервые построен в 1940 году американским физиком Дональдом Керстом с использованием идей, высказанных Р. Видерое в 1920-х годах. Поначалу это была единственная машина, приспособленная к работе с релятивистскими электронами, для ускорения которых она и предназначена. Конструкция бетатрона основана на индукционном разгоне частиц в вихревом электрическом поле, порожденном переменным магнитным полем, подобранным так, чтобы круговая орбита бета-частицы была практически стабильной (в отличие от циклотрона).

Первый ускоритель Д. Керста разгонял электроны до 2,3 МэВ, а уже в 1944 году General Electric создала бетатрон на 100 МэВ. В современных машинах достижимы энергии в несколько сотен МэВ. Бетатроны позволяют получить высокие энергии при относительной компактности и простоте конструкции, поэтому они нередко применяются как источники тормозного излучения жесткого рентгеновского или гамма-­спектров там, где другие ускорители менее удобны из-за громоздкости, дороговизны, большого энергопотребления.

Альтернативный тип ускорителя релятивистских бета-частиц был предложен в 1944 году советским физиком Владимиром Векслером, которому принадлежал и ряд других идей, сыгравших важную роль в развитии мировой ускорительной техники. В микротроне частота ускоряющего электрического поля не меняется, магнитное поле постоянно, частицы движутся по спирали. Из-за схожести некоторых черт микротрон иногда называют электронным циклотроном. Однако, в отличие от циклотрона, в этом типе ускорителей все витки спиралевидной орбиты частиц соприкасаются на одном участке (условно — в одной точке), где осуществляется резонансный разгон. Благодаря этому при технически приемлемых размерах машины достижимы энергии бета-частиц в несколько десятков МэВ. Кроме того, микротрон хорошо приспособлен для работы в непрерывном режиме.

Развитием этой концепции стал так называемый разрезной микротрон — по существу комбинация обычного микротрона с линейным ускорителем: в такой машине единственный резонатор заменен на серию ускоряющих структур, выстроенных в линию. Соответственно, траектория частиц напоминает приплюснутую, вытянутую спираль. Такая конструкция позволяет увеличить достижимую энергию электронов на один-два порядка. При современном уровне технологий возможны сравнительно компактные утилитарные разрезные микротроны с энергиями порядка 100 МэВ.

В середине 1940-х годов появилась конструкция ускорителя, впоследствии опередившая все остальные по максимальным достигнутым энергиям и ставшая основой большинства крупнейших ускорительных комплексов мира — синхротрон. Его концепция и лежащий в ее основе принцип автофазировки были предложены в середине 1940-х годов В. Векслером и — независимо от него — американским физиком Эдвином Макмилланом. В этом типе ускорителей ведущее магнитное поле меняется синхронно изменению энергии частиц, что позволяет удержать их траекторию возле стабильной замкнутой орбиты постоянной длины. Одной из первых модификаций такого ускорителя стал так называемый синхрофазотрон, в котором, в добавление к изменяющемуся магнитному полю, меняется и частота электрического.

Первые синхротроны были построены в США (1946 год, General Electric) и СССР (1949 год, ФИАН — Физический институт Академии наук). Разработка в начале 1950-х годов принципов жесткой фокусировки пучка, основанных на последовательном прохождении частиц сквозь череду корректирующих орбиты магнитов разного назначения, открыла возможность для строительства мощнейших ускорителей тяжелых частиц. В результате в 1950-х годах появились протонные синхротрон и синхрофазотрон с энергиями в миллиарды электронвольт (ГэВ). В современных синхротронах достигнуты энергии тяжелых частиц, составляющие триллионы электронвольт (10¹² эВ = тераэлектронвольт — ТэВ).

Синхротроны стали основными элементами большинства коллайдеров — ускорительных комплексов, обеспечивающих столкновения частиц во встречных или пересекающихся пучках. Идея коллайдера была впервые реализована в начале 1960-х годов в Италии и СССР: в 1961 году в итальянском Национальном институте ядерной физики под руководством ученого австрийского происхождения Бруно Тушека был создан электрон-­позитронный коллайдер; примерно в тот же период подобный комплекс построили и в Институте ядерной физики Сибирского отделения Академии наук СССР (ныне ИЯФ им. Г. И. Будкера СО РАН). До начала 1970-х годов действующие коллайдеры предназначались только для столкновения легких частиц. В 1971 году в Европейском центре ядерных исследований (CERN, или ЦЕРН) вошел в строй первый адронный коллайдер. Хотя строились и линейные коллайдеры (SLAC в Стэнфордском университете), наиболее значительные комплексы такого рода базируются на крупнейших синхротронах: так, синхротрон Большого адронного коллайдера (БАК) рассчитан на энергию протонов 7 ТэВ, синхротрон Тэватрона — протон-­антипротонного коллайдера, действовавшего до 2011 года в Лаборатории Ферми в США, — почти на 1 ТэВ.

Сегодня, помимо упоминавшегося проекта нового линейного коллайдера, прорабатываются идеи создания в следующем десятилетии циклических коллайдеров с характеристиками, значительно превосходящими существующие конструкции. В частности, концепция Будущего циклического коллайдера (FCC) на площадке ЦЕРНа предполагает строительство комплекса с энергией столкновения адронов 100 ТэВ, ключевым элементом которой станет гигантский синхротрон с длиной окружности кольца 100 км. Рассматривается и проект реконструкции БАКа с использованием ныне действующего кольца, увеличивающий энергию частиц более чем вдвое. Проекты сооружения других адронных коллайдеров с сопоставимыми характеристиками рассматриваются, например, в Китае.

Применение ускорителей — как в исследовательских, так и в утилитарных целях — основано на непосредственном использовании пучков заряженных частиц (в большинстве случаев — бета-частиц, адронов или ионов) либо на применении вторичных частиц (фотонов или нейтронов), получаемых разными способами.

В качестве источников нейтронов ускорители могут использоваться для получения фотоядерной реакции, возникающей при бомбардировке электронами с энергией в несколько десятков МэВ мишени из тяжелых металлов (например, вольфрама или ртути). Ядра атомов, возбужденные полученным в результате этого тормозным излучением жесткого рентгеновского спектра, испускают нейтроны. Другие варианты — бомбардировка протонами или дейтронами (ядрами дейтерия) мишеней из легких элементов (лития, бериллия) либо использование пучков высокоэнергетичных (0,5−2 ГэВ) протонов для получения так называемых испарительных (каскадных) нейтронов, испускаемых возбужденными ядрами.

Шире распространена практика получения с помощью ускорителей электромагнитного излучения — тормозного либо синхротронного. Тормозное излучение возникает при направлении электронного пучка ускорителя на мишени из материалов с большим атомным весом. При торможении электронов в полях ядер испускается высокоэнергетичное электромагнитное излучение сложного, непрерывного спектра, энергия которого зависит от энергии бета-частиц в исходном пучке. С помощью коллиматоров, фильтров и других устройств, установленных за мишенью, формируется вторичный пучок с заданными характеристиками.

Помимо мишеней или конвертеров, есть другой способ получения посредством ускорителей электромагнитного излучения, характеристики которого при этом уникальны. С появлением первых синхротронов ученые столкнулись (впервые — в 1947 году) с явлением, которое прежде было известно лишь в теории и поначалу воспринималось как техническая помеха, но со временем стало одним из важнейших достоинств этих ускорителей, обеспечив десяткам таких установок уникальную специализацию. Речь идет о потерях энергии частиц на электромагнитное излучение, получившее название синхротронного. Синхротронное излучение (СИ) возникает при вынужденном движении заряженной релятивистской частицы по криволинейной траектории. Хотя такое излучение может проявляться для разных объектов микромира, его интенсивность у бета-частиц на много порядков выше, чем, например, у протонов со схожими параметрами движения. Поэтому именно пучки релятивистских электронов, образованные в синхротронах, превратились в главное средство получения СИ, а десятки электронных синхротронов по всему миру стали основой специализированных источников синхротронного излучения.

Спрос
Сферы и способы применения ускорителей весьма разнообразны. Прежде всего, они, как и 90 лет назад, остаются уникальными инструментами фундаментальной науки. В частности, обеспечивают едва ли не единственную возможность исследования материи на субатомном уровне: позволяют «заглянуть внутрь» атомного ядра и отдельных элементарных частиц, получать «осколки» объектов микромира, постигая всё новые детали его устройства. Для этой области применения ускорителей необходимы, как правило, высокие и сверхвысокие энергии частиц. Однако тераэлектронвольтные энергии, получаемые в крупнейших ускорителях, все еще далеки от уровней, достигнутых в ряде областей Вселенной; для дальнейшего развития фундаментальной науки и моделирования некоторых природных процессов нужны на порядки бóльшие энергии. Выйти на следующий уровень позволят в ближайшие примерно 20 лет планируемые ускорительные комплексы следующего поколения, о которых говорилось выше.

Исключительно широкое применение нашли ускорители и в прикладных исследованиях во множестве областей: от геологоразведки и биохимии до материаловедения и военного дела. В этих сферах ускорительная техника дает уникальную по точности информацию, в частности, о составе веществ, их происхождении и перемещении в различных процессах, изменениях под воздействием различных факторов, новых способах получения и изменения их свойств и т. д.

Создававшиеся как научные инструменты, ускорители очень скоро нашли применение в практических сферах, причем направления их специализации со временем расширились и преумножились. Уже в первые два десятилетия существования ускорителей они стали использоваться в лабораторных масштабах для нужд медицины, а с появлением в 1940-х годах ядерно-­оружейных программ на основе ускорителей были созданы технологии дообогащения урана после предварительного изотопного разделения в установках других типов; разрабатывались механизмы имплозии для достижения критических условий в ядерном заряде и т. д.

По мере совершенствования ускорителей они заняли важное место в ряде индустриальных и иных технологий. Сегодня с их помощью решаются разнообразные практические задачи: обеспечиваются безопасность человека, сохранность пищевого сырья и продуктов питания, уничтожаются болезнетворные организмы и насекомые-­вредители (см. Справку 5); различным материалам придаются полезные или уникальные свой­ства (см. Справку 3); производятся ценные изотопы; определяется химический состав веществ, находятся мельчайшие примеси в них; контролируется качество и выявляются дефекты в ответственных конструкциях и узлах (см. Справку 4); осуществляются сварка и резка; проводятся геологоразведочные работы; выявляются опасные и запрещенные вещества при досмотре грузов (см. Справку 4); анализируются вопросы нераспространения ядерного оружия и т. д. Помимо этих, широко используемых технологий, ускорители находят свое место и в решении отдельных задач, которые со временем могут превратиться в новые сферы их рутинного применения: это очистка стоков, питьевой воды или отходящих газов электростанций и промышленных предприятий, криминалистическая экспертиза, производство новых композитных материалов, получение биотоплива из новых видов сырья и т. д.

Особая область использования ускорителей — медицина, где, помимо биологических исследований, они применяются в прикладных целях: для терапии (в первую очередь онкологических заболеваний), стерилизации, обеззараживания медицинских отходов и производства антисептиков, наработки изотопов, применяемых в диагностике и терапии. В этих сферах ускорители конкурируют с радионуклидными источниками излучения и атомными реакторами, успешно тесня их в отдельных нишах. Ускорительная техника в принципе позволяет получать различными способами большинство видов излучения, используемых в медицинских приложениях: электромагнитное (рентгеновского и гамма-­спектров), пучки бета-частиц, протонов и более тяжелых ионов, нейтронов разных энергий. Это находит применение, прежде всего, в дистанционной лучевой терапии, интраоперационной терапии, а также квазихирургии, позволяющей уничтожать раковую опухоль в местах, недоступных обычным механическим методам оперативного вмешательства (см. Справку 7). Если в некоторых областях применение ускорителей пока невозможно или нецелесообразно ввиду характера технологий (например, в радионуклидной диагностике, брахитерапии, лечении радиофармпрепаратами, в том числе внутренней, так называемой таргетной, альфа-­терапии), то в дистанционном облучении высокоэнергетичным электромагнитным излучением они постепенно вытесняют радионуклидные источники, а в перспективной сфере протонной и ионной терапии ускорительная техника незаменима (см. Справку 7).

Использование ускорителей для стерилизации и производства радиоизотопов давно поставлено на поток, и в перспективе эти сферы применения будут расширяться, охватывая новые ниши и региональные рынки. Радиационная стерилизация посредством ускорителей позволяет многократно повысить скорость и эффективность процесса, обрабатывать уже запакованные изделия, обеспечить обработку наибольших объемов практически в конвейерном режиме, избежав при этом нежелательного изменения свой­ств материалов, которое зачастую неизбежно при их термической или химической обработке. С этой точки зрения радиационная стерилизация во многих случаях не имеет альтернативы. Хотя она в принципе может осуществляться и радионуклидными источниками, ускорители имеют перед ними ряд преимуществ (см. Справку 5).

Производя некоторые медицинские изотопы, ускорители, среди прочего, косвенно участвуют в медицинских технологиях, где они не используются напрямую. Например, с их помощью получают важнейшие нестабильные изотопы, применяемые в позитронно-­эмиссионной томографии — ПЭТ (¹⁸F, ¹⁵O, ¹³N, ¹¹C), и отдельные изотопы для однофотонной эмиссионной компьютерной томографии — ОФЭКТ (⁸¹Rb, ¹²³I, ⁸⁷Y, ²⁰¹Tl, ¹¹¹In, ⁶⁷Ga). Для этих методов вынужденно применяются коротко- и ультракороткоживущие радионуклиды, чей период полураспада в ряде случаев измеряется минутами, что требует расположения изотопного производства в непосредственной близости от мест использования изотопов. Зачастую это возможно только с применением сравнительно компактных установок на базе ускорителей, размещаемых в медицинских центрах. В перспективе применение ускорительной техники может распространиться и на случаи, для которых они сегодня практически не используются: например, в ряде стран (прежде всего в США) осуществляются перспективные программы массовой наработки посредством ускорителей наиболее широко применяемого в мире диагностического радиоизотопа — ^99mTc (в настоящее время его «серийно» получают в радиоизотопных генераторах из исходного радионуклида ⁹⁹Mo, производимого в атомных реакторах в результате деления ²³⁵U).

Предложение
Крупнейшие ускорители, размещенные в научно-­исследовательских центрах и составляющие менее 1% от числа таких устройств в мире, — это «штучные» системы, созданные по уникальным проектам с использованием ряда неповторимых элементов. Среди большинства других ускорителей они занимают исключительное положение по энергии частиц (до 5−7 порядков больше, чем у рядовых машин, применяемых в индустрии и медицине), размерам и стоимости строительства (свыше $ 5−10 млрд в некоторых случаях), источникам финансирования (нередко строятся вскладчину несколькими государствами) и т. д. Хотя некоторые из этих устройств вовлечены в прикладные исследования и коммерческие проекты, в основном они используются для фундаментальных изысканий, не предполагающих гарантированной и тем более быстрой экономической отдачи. По этим причинам мегаускорители стоят как бы над рынком стандартной ускорительной техники, пересекаясь с ним лишь в части поставки отдельных унифицированных компонентов или применения схожих технологических решений.

Исключая этот особый сектор, в мире насчитывается свыше 30 тыс. действующих ускорителей утилитарного назначения с энергией частиц более 1 МэВ. В отличие от специфической научной ниши, в сферах коммерческого применения ускорителей на протяжении десятилетий сформировался рынок изделий с разными наборами унифицированных характеристик, необходимых для решения различных задач. В некоторых рыночных нишах получили распространение стандартные, или унифицированные, ускорители ряда поставщиков, зачастую продаваемые «под ключ» в составе комплексов определенного назначения. Это, например, установки для радиационной обработки пищевой продукции, модифицирования материалов, инспектирования и досмотра, а также медицинские комплексы, иногда объединяющие во взаимосвязанную систему диагностику, терапию, производство изотопов и синтез радиофармпрепаратов.

Наибольшее распространение в сферах утилитарного применения получили ускорители, на которых генерируются пучки электронов или протонов с максимальными энергиями в единицы и первые десятки МэВ, а также потоки вторичных частиц — прежде всего фотонов рентгеновского или гамма-­спектра. «Рабочие лошадки» этого сектора — сравнительно небольшие линейные ускорители и циклотроны. Линейные установки чаще применяются либо для воздействия пучками бета-частиц, либо с целью генерации высокоэнергетического электромагнитного излучения. Пучки ускорителей протонов или ионов, как правило, используются непосредственно.

В «сферу компетенций» циклотронов входит наработка некоторых изотопов. Кроме того, наиболее мощные разновидности таких машин (с энергией 230−250 МэВ и выше) применяются в протонной и ионной терапии. Для этого используются также синхроциклотроны и некоторые синхротроны, включая их «облегченные» версии, которые создавались с начала 1990-х годов специально для медицинских целей (см. Справку 7).

Линейные ускорители тоже могут использоваться для наработки отдельных изотопов, а также преобладают в ряде технологических производственных процессов (модифицирование материалов, укрепление поверхностей, сварка, резка и др.), в устройствах неразрушающего контроля и анализа вещества (гамма-­активационный анализ), досмотровых системах, терапевтических установках. Чаще это ускорители электронов, но применяются и линейные ускорители протонов или ионов, например, для некоторых методов высокоточного анализа состава вещества, таких как нейтронно-­активационный анализ (позволяющий выявить мельчайшие примеси) или ускорительная масс-спектрометрия (дающая, среди прочего, ключ к определению возраста образцов с высочайшей точностью). Однако наиболее обширная область использования ускорителей ионов (высоковольтных, импульсных) — ионная имплантация в полупроводниковой индустрии, требующая невысоких энергий ускоряемых частиц (чаще менее 0,5 МэВ) при сравнительно больших токах и сечении пучка. Это один из важнейших секторов мирового рынка поставки ускорителей, сравнимый по объему с сегментом облучательных установок медицинского назначения.

Помимо перечисленных, для утилитарных целей применяются и другие виды ускорителей. Например, для получения электронных пучков и тормозного излучения иногда целесообразно использовать бетатроны или (разрезные) микротроны. Так, бетатроны при энергиях, сравнимых с утилитарными линейными машинами, отличаются невысокой ценой, сравнительно малыми габаритами и весом. До распространения компактных линаков бетатроны преобладали среди медицинских ускорителей, а ныне применяются в качестве источников тормозного излучения жесткого рентгеновского спектра, например, в некоторых системах досмотра и неразрушающего контроля. Наряду с машинами с непрерывным пучком, нередко используются импульсные ускорители, в том числе в медицине или в некоторых технологических процессах, таких как модифицирование полимеров, стерилизация. Одно из преимуществ машин этого типа — гибкость в формировании зоны облучения, благодаря которой повышается эффективность обработки изделий сложной конфигурации.

Рынок поставки ускорителей носит глобальный характер: это редкая сфера, в которой протекционистские барьеры слабы даже в государствах, не допускающих иностранной конкуренции во многих других областях применения ядерных и радиационных технологий. Например, в России в сферах утилитарного применения ускорителей преобладают установки зарубежных вендоров, хотя имеется собственная, одна из старейших, школа разработки и изготовления утилитарных ускорителей, которая развивалась начиная с 1960-х годов. Эта ситуация характерна и для других стран — ведущих носителей ядерных и радиационных технологий, на чьих рынках тоже присутствуют разные вендоры: США, Франции, Японии, Канады, Великобритании, Германии, Китая, Индии.

Круг поставщиков готовых ускорителей на мировой рынок насчитывает десятки компаний, из них несколько в каждой нише относятся к глобальным вендорам, присутствующим практически во всех странах, применяющих ускорители (свыше 130 государств). Утилитарные ускорители или технологические комплексы на их основе поставляют General Electric, Siemens, IBA, Elekta, Varian, Accuray, NEC, Sumitomo, HVE, MHI, НИИЭФА, Nissin Electric, Axcelis, Toshiba, ИЯФ, Hitachi, ACSI, Applied Materials, Mevion, JSW, Best ABT, Altair, AET и т. д. Например, в рыночном секторе терапевтических комплексов на основе линейных ускорителей выделяются шведская компания Elekta, фирмы из США Varian и Accuray; в нише ускорительной техники для протонной и ионной терапии — американские Varian и Mevion, бельгийская IBA, японские Toshiba, Hitachi и Mitsubishi; в сфере поставки ионных имплантеров — американские Applied Materials, Axcelis и NEC, японские компании Nissin Electric и Sumitomo, нидерландская HVE; в секторе поставки инспекционно-­досмотровых систем — британская Smiths Detection, структуры американской группы OSI Systems (Rapiscan, AS&E), китайская Nuctech; в рыночной нише циклотронов, используемых преимущественно для наработки изотопов, — IBA, американская GE, немецкая Siemens.

Конкуренцию в этом секторе иллюстрирует пример рынка циклотронов, используемых преимущественно для производства изотопов: как видно из Таблицы 1, это глобальный рынок, на котором действует множество компаний, каждая из которых присутствует в нескольких странах. Хотя упомянутые мировые вендоры в этой нише преобладают на большинстве рынков, в ряде государств непропорционально сильны позиции других поставщиков: например, Sumitomo играет особую роль в Японии и Китае, техника НИИЭФА наиболее заметна на рынках России, стран бывшего СССР и социалистического лагеря. В этой рыночной нише преобладают циклотроны с энергиями, редко превышающими 20−30 МэВ; в исключительных случаях используются коммерческие машины с энергиями 70−100 МэВ и выше.

Утилитарные ускорители и основанные на них системы — весьма дорогостоящее оборудование: так, современная установка для ионной имплантации или новейший терапевтический комплекс на базе линейного ускорителя обходятся в несколько миллионов долларов США, стоимость мощнейших циклотронов может измеряться десятками миллионов долларов, а расходы на строительство современного комплекса протонной или ионной терапии достигают сотен миллионов долларов. Не каждая компания, организация или медицинский центр могут себе позволить новое оборудование, в котором воплощены последние технологические достижения. Не случайно в некоторых секторах (например, в медицине) весьма развит вторичный рынок, а также востребованы услуги по реконструкции давно работающей ускорительной техники с повышением ее характеристик.

Перспективы
Как видно на примере медицинской техники (см. Справку 6), применение ускорителей расширяется благодаря не только совершенствованию их собственной конструкции, но и развитию вспомогательных или периферийных устройств, входящих вместе с ними в одни комплексы: детекторов, средств обработки данных и визуализации, роботизированных систем, оптики и т. д. Технологическая революция, произошедшая в ряде таких сфер в последние десятилетия, подняла применение ускорителей на качественно новый уровень и помогает им завоевать стремительно растущий рынок радиотерапии. Нечто похожее наблюдается и в некоторых других областях применения ускорительной техники, где важны постоянная адаптация и точная настройка параметров облучения (ряд производственных процессов) или интерпретация полученных данных (досмотровые, исследовательские комплексы).

Что касается собственно ускорительных технологий, достигнутый ими уровень все еще не вполне отвечает всем потребностям современной науки, но в принципе позволяет решить большинство задач в прикладных областях. Однако и в некоторых «приземленных» сферах применения ускорителей до совершенства еще далеко: по-прежнему требуют повышения показатели надежности и КПД ускорительной техники, качественные параметры пучка. В то же время в ряде практических сфер более широкому использованию ускорителей препятствуют непомерные размеры и стоимость тех машин, которые в принципе могут справиться с некоторыми задачами. Поэтому одно из основных направлений развития ускорительной техники актуально на ближайшую перспективу так же, как 40−50 лет назад: создание все более компактных и приемлемых по цене машин. Это видно на примере медицины, где, допустим, появление начиная с 1980-х годов более компактных линейных ускорителей привело к сильному расширению и диверсификации сегмента дистанционной радиотерапии с одновременным частичным вытеснением из него радиоизотопного оборудования.

Другой пример из этой серии — компактизация оборудования протонной/ионной терапии, вызвавшая быстрый рост этого сектора ядерной медицины (см. Справку 7). До конца прошлого века протонная терапия осуществлялась в качестве экспериментального метода на огромных ускорителях научных учреждений — это было сродни стрельбе из пушки по воробьям, к тому же отвлекало часть ресурсов институтов на непрофильные задачи. С начала 1990-х годов во впервые создаваемых специализированных центрах протонной терапии стали внедряться сравнительно небольшие, «ненаучные» версии синхротронов. В конце того десятилетия, наряду с синхротронами, для этого вида лечения начали применяться специализированные циклотроны. За этим последовала коммерциализация сверхпроводниковых технологий, освоенных в конце XX века в научных центрах: в 2007 году начал работу первый сверхпроводниковый изохронный циклотрон для протонной терапии в Институте Поля Шеррера в Швейцарии. Такие циклотроны в полтора-два раза компактнее и легче (их магнит весит «всего» 80−100 тонн) классических машин, чьи системы работают при «комнатной» температуре.

Следующий шаг на этом пути был сделан с появлением утилитарных сверхпроводниковых синхроциклотронов: первые такие ускорители начали использоваться для регулярной терапии пациентов в 2013 году в США. Их отличают еще меньшие размеры. Благодаря многократно сниженным габаритам и массе (вес некоторых ускорителей — 15−20 тонн) впервые в практике протонной терапии такие машины стали размещаться непосредственно на поворотных гантри. Продолжается и совершенствование, компактизация утилитарных синхротронов, которые по-прежнему устанавливаются, наряду с циклотронами, в ряде строящихся комплексов протонной/ионной терапии.

Однако очевидно, что даже самый современный ускоритель весом в десятки тонн, размещенный на гантри вместе с криогенной техникой, обеспечивающей работу его компонентов при температуре около -270 °C, — все еще слишком сложное и затратное решение. Необходима гораздо более компактная и недорогая ускорительная техника, и не только в медицине: похожая потребность ощущается на рынках инспекционно-­досмотровых комплексов, устройств для анализа состава вещества, радиационной обработки и т. д.

Наряду с коммерциализацией сверхпроводников в системах контроля пучка, другое магистральное направление развития ускорительной техники, расширяющее сферы ее прикладного применения, — это совершенствование разгонных устройств. Этот процесс начался с внедрения все более компактных механизмов, работающих при «комнатных» температурах и обеспечивающих повышенный ускоряющий градиент — в конечном счете энергию, придаваемую частице на каждом отрезке длины линейного ускорителя или витке циклического. Потребность рынков заключается не столько в сильном наращивании энергии (во многих случаях утилитарным ускорителям больше энергии уже не нужно), сколько в улучшении качественных параметров пучка и сохранении достигнутых характеристик при уменьшении размеров ускорителя. Распространение на современном рынке сравнительно небольших линейных ускорителей обязано, в частности, внедрению более эффективных и компактных устройств разгона — унифицированных резонаторов, которые могут быть основой небольших утилитарных машин или, будучи выстроены последовательно, образуют разгонную систему крупного ускорителя. Частицы получают прибавку к энергии за счет множества ускоряющих импульсов от микроволн, генерируемых в таком высокочастотном резонаторе. Число таких импульсов и, соответственно, ускоряющий градиент пропорциональны частоте, с которой работает резонатор: например, типичные ускорительные секции для электронов действуют на частотах от 3 до 12 ГГц, что на 3−4 порядка выше частот, с которыми работали первые линейные ускорители. Благодаря современным технологиям, в частности, получили распространение компактные и сравнительно мощные прикладные линейные ускорители: например, медицинские линаки работают на частотах 3 ГГц и более и на дистанции около полутора метров (приблизительная средняя длина их ускорительной системы) обеспечивают энергию электронов от единиц до двух-трех десятков МэВ. Резонаторы, дающие максимальные частоты и градиент ускорения, содержат наиболее миниатюрные детали и требуют повышенной точности изготовления (в частности, шероховатости на внутренней поверхности из химически чистой меди не должны превышать 50 нанометров). Достигнутый уровень этой технологии позволяет получить в ускоряющих секциях, работающих при обычной температуре, прибавку к энергии электрона до 75−100 МэВ на один метр длины.

Более сложны и дóроги сверхпроводниковые ускорительные структуры, требующие поддержания температур около -270 °C. Они применяются в проектах крупнейших ускорителей научных центров, где соединяются в длинные цепи с сотнями звеньев. В добавление к научному применению этой технологии, в перспективе она может открыть новые области для прикладного использования ускорителей, такие как наработка некоторых изотопов, получение еще более компактных и мощных ускорительных источников нейтронов, внедрение небольших источников синхротронного излучения, создание энергогенерирующих установок нового типа, сокращение объема и изменение состава радиоактивных отходов.

Одно из перспективных, пока не освоенных направлений использования ускорительной техники на основе сверхпроводников — создание субкритических атомных реакторов, в которых ядерная реакция поддерживается ускорителем с энергией до 1−2 ГэВ, служащим мощным внешним источником нейтронов. В таких реакторных установках критические условия в активной зоне достигаются только при условии работы ускорителя; соответственно, прерывание цепной реакции обеспечивается его выключением, что является дополнительным преимуществом с точки зрения ядерной безопасности. Кроме того, подобная гибридная конструкция может включать бланкет и обеспечивать воспроизводство ядерного топлива, а также трансмутацию младших актиноидов с соответствующим сокращением объема высокоактивных отходов. Первый в мире проект демонстрационной установки такого рода планируется в Бельгии — это быстрый гибридный реактор Myrrha мощностью 50−100 МВт (т), управляемый ускорителем протонов с энергией 600 МэВ и использующий MOX‑топливо. Компоненты ускорителя для этой системы уже создаются, а строительство реактора должно стартовать в 2026 году и завершиться пуском в середине 2030-х годов.

Наряду с уже внедряемыми технологиями, все чаще рассматривается использование новых физических принципов для ускорения частиц. Основная цель — существенно повысить ускоряющий градиент (в некоторых случаях — на порядки) и уменьшить размеры ускорителей.

Одна из наиболее часто рассматриваемых концепций — индукционный ускоритель с диэлектрическими стенками (dielectric wall accelerator). Стенки разгонной секции такой установки состоят из чередующихся вдоль нее тончайших, спаянных слоев металла и изолятора (несколько тысяч на 1 метр длины). Короткие импульсы электрического напряжения в несколько десятков тысяч вольт, прикладываемые последовательно к сверхтонким металлическим электродам, вызывают микроволны, пробегающие в резонаторе и создающие ускоряющий градиент до 100 МВ/м. Эта конструкция нередко рассматривается в качестве замены громоздких циклотронов и синхротронов в протонной/ионной терапии: необходимые для лечения 250−400 МэВ можно получить от сравнительно легкого, с небольшим поперечным сечением, линейного ускорителя длиной в несколько метров, легко размещаемого на гантри. Эта же концепция позволяет создать еще более компактные ускорители электронов и транспортабельные, мобильные протонные ускорители гигаэлектронвольтного уровня энергий.

Ряд перспективных направлений связан с применением лазеров для ускорения. В мире ведутся НИОКР по разным вариантам таких технологий, которые объединяет один принцип: вместо обычных для современных ускорителей микроволн используются короткие и мощные лазерные импульсы, которые при взаимодействии с веществом (изучаются варианты в плазме или твердой среде) порождают сильнейшие всплески электромагнитного поля, способного обеспечить ускоряющий градиент на порядки больший, чем в современных ускорителях — до десятков ГэВ/м. Подобный принцип, возможно, позволит создавать миниатюрную ускорительную технику с энергиями разных частиц (электронов, протонов, ионов и др.), эквивалентными ныне получаемой в больших синхротронах. НИОКР на эту тему ведутся в разных странах, в частности, в государствах Евросоюза (проект ELI Beamlines) и в США (например, в 2013 году Национальной лабораторией Лоуренса в Беркли был создан 9-сантиметровый ускорительный модуль, разгонявший частицы до 4,2 ГэВ, однако требовавший предускорителя).

На экспериментальном уровне работоспособность такого принципа была показана, но до создания полноценных ускорителей на этой основе еще далеко. Если в будущем это произойдет, то новая технология совершит переворот в ускорительной технике. В частности, позволит подойти к созданию микроускорителей, соизмеримых с чипами и позволяющих встраивать мощную ускорительную технику в различные устройства.

В общем, не исключено, что в ближайшие десятилетия наступит качественно новый этап в развитии ускорительных технологий и их практическом применении. В последние полвека трудности внедрения ускорителей в практику преодолевались за счет совершенствования ранее созданных конструктивных схем ускорения, пусть и усиленных на уровне отдельных компонентов революционными технологиями, опробованными сначала в научных «мегаускорителях». Принципиальное отличие грядущего этапа развития ускорительной техники от прошлого заключается в том, что, помимо доведения до предельного совершенства традиционных конструкций ускорителей, на рынок могут выйти устройства, основанные на иных физических принципах, о которых ранее не помышляли за пределами лабораторий. И с их помощью, возможно, удастся решить технико-­экономические проблемы, тормозящие наступление ускорительной техники в уже освоенных или совершенно новых сферах ее утилитарного применения.