Учёные МГУ внедрили в промышленность метод прецизионного планирования радиационной обработки сложных изделий
На физическом факультете МГУ под руководством заведующего кафедрой физики ускорителей и радиационной медицины, д.ф.-м.н., профессора Александра Черняева, в сотрудничестве с НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцына и химическим факультетом разработана методика, позволяющая с высокой точностью рассчитывать распределение поглощённой дозы при радиационной обработке изделий сложной формы и различного химического состава. В основе подхода лежит восстановление энергетического спектра электронного пучка по измеряемым дозовым характеристикам. Методика была представлена в кандидатской диссертации аспиранта физического факультета Сергея Золотова, защищённой на диссертационном совете МГУ.013.2 по специальности 1.3.18 «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника». Разработка была внедрена в промышленную практику и легла в основу цифровых систем планирования обработки.
При радиационной обработке используют ионизирующее излучение для направленного воздействия на материалы и изделия.
«Такая обработка применяется в медицине для стерилизации медизделий и костных имплантов, в промышленности – для модификации полимеров и композитов, в пищевой отрасли – для обеззараживания и продления сроков годности продукции и во многих других сферах,» – пояснил профессор кафедры аналитической химии химического факультета МГУ, д.х.н. Игорь Родин.
Ключевым параметром, определяющим успешность обработки, является величина поглощённой дозы и характер её распределения по объёму объекта.
«Существуют строго регламентируемые технологические диапазоны доз. При облучении в дозах, выходящих за верхние пределы диапазона, происходит необратимое физико-химическое повреждение материала. При облучении в дозах меньше нижней границы диапазона эффект обработки не достигается», – отметила заведующая лабораторией радиационной обработки биообъектов и материалов НИИЯФ МГУ, д.ф.-м.н. Ульяна Близнюк.
Поэтому процесс радиационной обработки требует предварительного дозиметрического планирования.
«Наиболее точный способ получения распределения дозы – инструментальные измерения. Однако во многих практических задачах, особенно при облучении цельных или герметичных объектов, такие измерения затруднены или невозможны», – рассказала младший научный сотрудник НИИЯФ МГУ Виктория Ипатова.
В связи с этим широко используются расчёты методом Монте-Карло — путём статистического моделирования отдельных событий взаимодействия частиц с веществом до достижения заданной точности поглощённой дозы. Точность расчётного моделирования напрямую зависит от корректности заданных исходных параметров облучения. Для пучка ускоренных электронов это, в первую очередь, энергетический спектр, т.е. распределение частиц по энергиям. Оно определяет глубину проникновения излучения и форму дозового поля внутри материала. Однако на практике пользователю ускорителя, как правило, известна лишь «эффективная энергия» пучка, определяемая по пробегу электронов.
«Реальный энергетический спектр при этом может отличаться от номинального, изменяться в процессе эксплуатации установки и существенно влиять на распределение дозы», – заметила доцент физического факультета МГУ, к.ф-м.н. Полина Борщеговская.
Прямое измерение спектра требует специализированного оборудования и остановки производственного процесса, что делает такую процедуру сложной для регулярного применения. Разработанная методика позволяет восстанавливать энергетический спектр частиц по глубинным дозовым распределениям, которые можно получить в производственных условиях без сложных спектрометрических установок. При этом учитывается изменение спектра при прохождении электронов через воздух.
«Практическая значимость подхода заключается в том, что он позволяет перейти от эмпирического подбора режимов облучения к цифровому планированию обработки. Инженер получает возможность заранее рассчитать распределение дозы внутри изделия, выявить потенциальные зоны переоблучения или недооблучения и выбрать оптимальные параметры работы ускорителя», – отметил младший научный сотрудник физического факультета МГУ Александр Никитченко.
На основе методики учёными ранее были созданы системы ««Demetra»» и «DosePreview by IRT», предназначенные для расчёта распределения поглощённой дозы в объектах простой формы (цилиндр, сфера, параллелепипед), с учётом геометрических размеров и материала изделия, а также параметров электронного пучка и глубинного дозового распределения с визуализацией результатов. В результате расчётов пользователь получает цветовые карты дозы по различным сечениям объекта, позволяющие оценить равномерность обработки. Отдельным направлением стала разработка специализированной системы планирования обработки термоусаживающихся трубок — «Туя». Моделирование показало возможность формирования области локального увеличения дозы в местах соприкосновения изделий вплоть до двукратного превышения поверхностного значения – этот эффект был подтвержден экспериментально. Методика и разработанные на её основе программные системы прошли апробацию в центре промышленной радиационной обработки «Axenter» (г. Дубна).
«Внедрение цифрового планирования позволило оптимизировать режимы обработки изделий и сократить количество пробных запусков ускорителя, – подытожил заведующий лабораторией радиационной медицинской физики НИИЯФ МГУ, к.ф.-м.н. Феликс Студеникин. – Таким образом, разработка успешно перешла от теории к промышленной практике.»
Система планирования промышленной радиационной обработки "Туя": свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2025691280 / Золотов С.А., Близнюк У.А., Борщеговская П.Ю., Никитченко А.Д., Родин И.А., Студеникин Ф.Р., Черняев А.П.; правообладатель — Золотов Сергей Александрович. — 1
3.11.2025 Разработка выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 22-63-00075).
