Переробка матеріалів під дією іонних пучків

Реферат: Винахід стосується переробки матеріалу, такого як біомаса, наприклад біомаса рослинного походження, біомаса тваринного походження і біомаса муніципальних відходів і вуглеводневмісного матеріалу; який піддають переробці для одержання корисних продуктів, таких як, наприклад, паливо. Заявлений спосіб зміни молекулярної структури целюлозного або лігноцелюлозного матеріалу, який включає здійснення впливу на матеріали іонним пучком. UA 102853 C2 (12) UA 102853 C2 UA 102853 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Біомаса, зокрема, відходи на основі біомаси, і вуглеводеньвмісні матеріали, такі як нафтоносні піски, нафтоносні сланці, бітумінозні піски, бітум і вугілля, широко доступні. Доцільно отримати з біомаси і вуглеводеньвмісного матеріалу матеріали і таке паливо, як етанол. Короткий виклад Біомаса і вуглеводеньвмісний матеріал можуть бути піддані переробці для зміни їх структури на одному або декількох рівнях. Після цього піддані переробці матеріали можуть бути використані як джерело змінених матеріалів і/або палива. У більшості варіантів реалізації даної заявки використовують публікацію Natural Force™ Chemistry. У способах публікації Natural Force™ Chemistry для створення структурної і хімічної молекулярної зміни, що намічається, використовують контрольовані застосування фізичних сил, таких як пучки частинок, сила тяжіння, світло і тому подібне, і маніпуляції з ними. Способи зміни молекулярної і/або надмолекулярної структури матеріалу, наприклад, будьякого матеріалу біомаси, можуть включати обробку матеріалу випромінюванням. Зокрема, випромінювання може включати частинки, зокрема, заряджені частинки (наприклад, прискорені заряджені частинки). Заряджені частинки включають іони, такі як позитивно заряджені іони, такі як протони, іони вуглецю або кисню. Випромінювання може бути використане в кількості, достатній для зміни молекулярної структури і/або надмолекулярної структури матеріалу. Випромінювання також може бути використане для отримання з матеріалу одного або декількох продуктів. Матеріал в деяких випадках може включати вуглеводи або матеріали, які включають вуглеводи, наприклад, целюлозні матеріали, лігноцелюлозні матеріали, крохмалисті матеріали або суміші будь-яких матеріалів біомаси. Для опромінення можуть бути використані частинки, що мають заряд, що відрізняється від заряду електронів, і/або частинки, більш важкі, ніж електрони. Наприклад, протони, ядра гелію, іони аргону, іони кремнію, іони неону, іони вуглецю, іони фосфору, іони кисню або іони азоту можуть бути використані для модифікування структури біомаси, наприклад, зменшення молекулярної маси або збільшення молекулярної маси біомаси. У деяких варіантах реалізації більш важкі частинки можуть спричиняти появу більш значних ступенів деструкції ланцюга в порівнянні з тим, що має місце для електронів або фотонів. У доповнення до цього, в деяких випадках позитивно заряджені частинки можуть спричиняти появу відносно великих ступенів деструкції ланцюга внаслідок своєї кислотності. У певних випадках негативно заряджені частинки можуть стимулювати появу відносно великих ступенів деструкції ланцюга внаслідок своєї лужності. Відповідно до цього, в одному аспекті ознакою винаходу є спосіб зміни молекулярної структури матеріалу, наприклад, матеріалу біомаси або вуглеводеньвмісного матеріалу, внаслідок отримання іонного пучка, що характеризується першим розподілом енергій іонів, що мають повну ширину на половині максимуму w; регулювання енергій щонайменше деяких з іонів для отримання другого розподілу енергій іонів в іонному пучку, що має повну ширину на половині максимуму, більшу, ніж значення w; і здійснення впливу на матеріал відрегульованим іонним пучком. Енергії щонайменше деяких з іонів можуть бути відрегульовані виходячи, наприклад, з товщини матеріалу. У ще одному аспекті ознакою винаходу є спосіб зміни молекулярної структури матеріалу, наприклад, матеріалу біомаси або вуглеводеньвмісного матеріалу, внаслідок отримання іонного пучка, що характеризується розподілом енергій іонів, що має повну ширину на половині максимуму w; напрямку іонного пучка на проходження через розсіювальний елемент, сконфігурований для збільшення повної ширини на половині максимуму розподілу енергій іонів до значення, більшого, ніж значення w; і здійснення впливу на матеріал іонним пучком після проходження іонного пучка через розсіювальний елемент. У ще одному іншому аспекті ознакою винаходу є спосіб зміни молекулярної структури матеріалу, наприклад, матеріалу біомаси або вуглеводеньвмісного матеріалу, внаслідок отримання іонного пучка, що характеризується розподілом енергій іонів, при цьому розподіл має найбільш вірогідну енергію Е; фільтрування іонного пучка для видалення з іонного пучка щонайменше деяких з іонів, що мають енергію, меншу, ніж значення Е; і здійснення впливу на матеріал відфільтрованим іонним пучком. В одному додатковому аспекті ознакою винаходу є спосіб зміни молекулярної структури матеріалу, наприклад, матеріалу біомаси або вуглеводеньвмісного матеріалу, внаслідок отримання іонного пучка, що характеризується розподілом енергій іонів; регулювання розподілу енергій іонів виходячи з очікуваного профілю іонної дози в матеріалі; і здійснення впливу на матеріал відрегульованим іонним пучком. 1 UA 102853 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Ознакою винаходу також є спосіб зміни молекулярної структури матеріалу, наприклад, матеріалу біомаси або вуглеводеньвмісного матеріалу, внаслідок отримання іонного пучка, що має розподіл енергій іонів; регулювання розподілу енергій іонів виходячи з повної ширини на половині максимуму (ПШПМ) піка Брегга очікуваного профілю іонної дози в матеріалі; і здійснення впливу на матеріал відрегульованим іонним пучком, де регулювання включає збільшення значення ПШПМ для зменшення різниці між товщиною матеріалу біомаси і значенням ПШПМ. У деяких випадках після регулювання різниця між товщиною матеріалу і значенням ПШПМ становить 0,01 см і менше. У ще одному іншому аспекті ознакою винаходу є спосіб зміни молекулярної структури матеріалу внаслідок отримання першого іонного пучка з джерела іонів, при цьому перший іонний пучок характеризуються першою середньою енергією іонів; здійснення впливу на матеріал першим іонним пучком; регулювання джерела іонів для отримання другого іонного пучка, що характеризується другою середньою енергією іонів, щ відрізняється від першої середньої енергії іонів; і здійснення впливу на матеріал другим іонним пучком. У деяких випадках спосіб додатково включає повторення регулювання і здійснення впливу для здійснення впливу на матеріал множиною іонних пучків, що характеризуються різними середніми енергіями іонів. Склад першого і другого іонних пучків може бути ідентичним. В одному додатковому аспекті ознакою винаходу є спосіб зміни молекулярної структури матеріалу в результаті: отримання першого іонного пучка з джерела іонів, при цьому перший іонний пучок, що характеризуються першою середньою енергією іонів, відповідає першій позиції піка Брегга на очікуваному профілі іонної дози в матеріалі; здійснення впливу на матеріал першим іонним пучком; регулювання джерела іонів для отримання другого іонного пучка, що характеризується другою середньою енергією іонів і що відповідає другій позиції піка Брегга, яка відрізняється від першої позиції; і здійснення впливу на матеріал другим іонним пучком. У деяких випадках спосіб додатково включає повторення регулювання і здійснення впливу для здійснення впливу на матеріал множиною іонних пучків, що відповідають різним позиціям піка Брегга. Склад першого і другого іонних пучків може бути ідентичним. У ще одному іншому аспекті ознакою винаходу є спосіб зміни молекулярної структури матеріалу внаслідок отримання іонного пучка з джерела іонів, при цьому іонний пучок включає перший тип іонів і другий тип іонів, який відрізняється від першого типу іонів; і здійснення впливу на матеріал іонним пучком. Наприклад, перший тип іонів може включати іони водню, а другий тип іонів може включати іони вуглецю, або перший тип іонів може включати іони водню, а другий тип іонів може включати іони кисню, або перший і другий типи іонів можуть включати щонайменше один тип, що вибирається з протонів і гідридних іонів. У деяких випадках кожний тип іонів, що вибирається з першого і другого, характеризується енергіями іонів в діапазоні від 0,01 МеВ до 10 МеВ. У ще одному аспекті ознакою винаходу є спосіб зміни молекулярної структури матеріалу внаслідок отримання іонного пучка, що характеризується на поверхні матеріалу кутом розходження, що дорівнює 10 градусам і більше, наприклад, 20 градусам і більше; і здійснення впливу на матеріал біомаси іонним пучком. У ще одному іншому аспекті ознакою винаходу є спосіб зміни молекулярної структури матеріалу внаслідок регулювання джерела іонів для отримання іонного пучка, що характеризується середнім іонним струмом і середньою енергією іонів; і здійснення впливу на матеріал іонним пучком, де джерело іонів регулюють, виходячи з очікуваного профілю іонної дози в матеріалі, і де кожна частина матеріалу внаслідок здійснення впливу іонним пучком отримує дозу випромінювання в діапазоні від 0,01 Мрад до 50 Мрад, наприклад, від 0,1 Мрад до 20 Мрад. У ще одному аспекті зміна молекулярної структури матеріалу включає отримання іонного пучка, що характеризується першим розподілом енергій іонів, що демонструє повну ширину на половині максимуму W, регулювання енергій щонайменше деяких з іонів виходячи з товщини вуглеводеньвмісного матеріалу для отримання другого розподілу енергій іонів в іонному пучку, що демонструє повну ширину на половині максимуму, більшу, ніж значення W, і здійснення впливу на вуглеводеньвмісний матеріал відрегульованим іонним пучком. Вуглеводеньвмісний матеріал може бути вибраний з групи, що складається з нафтоносних пісків, нафтоносних сланців, бітумінозних пісків, бітуму і вугілля. 2 UA 102853 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 У ще одному аспекті зміна молекулярної структури матеріалу включає отримання іонного пучка, що характеризується першим розподілом енергій іонів, що демонструє повну ширину на половині максимуму W, регулювання енергій щонайменше деяких з іонів для отримання другого розподілу енергій іонів в іонному пучку, що демонструє повну ширину на половині максимуму, більшу, ніж значення W, і здійснення впливу на матеріал відрегульованим іонним пучком. У деяких випадках матеріалом є матеріал біомаси, матеріал небіомаси або будь-яка їх комбінація. Наприклад, матеріалом може бути вуглеводеньвмісний матеріал, такий як нафтоносні піски, нафтоносні сланці, бітумінозні піски, бітум, вугілля і інші суміші вуглеводнів і невуглеводневого матеріалу. У деяких випадках спосіб додатково включає здійснення впливу на матеріал множиною електронів або ультразвуковою енергією з подальшим здійсненням впливу іонним пучком. Деякі втілення будь-якого з вищезазначених аспектів винаходу можуть включати одну або декілька ознак, наведених далі. Регулювання енергій щонайменше деяких з іонів може включати регулювання виходячи з товщини матеріалу, що піддається впливу іонного пучка. У деяких випадках регулювання енергій щонайменше деяких з іонів може включати регулювання виходячи з очікуваного профілю іонної дози в матеріалі. Регулювання також може включати збільшення повної ширини на половині максимуму піка Брегга очікуваного профілю іонної дози в матеріалі, достатнє для зменшення різниці між товщиною матеріалу і повною шириною на половині максимуму піка Брегга. Після регулювання різниця між товщиною матеріалу і повною шириною на половині максимуму піка Брегга може становити 0,01 сантиметри і менше. Повна ширина на половині максимуму для другого розподілу може бути більшою, ніж значення w, з коефіцієнтом, що дорівнює 2,0 і більше, наприклад, з коефіцієнтом, що дорівнює 4,0 і більше. Регулювання енергій щонайменше деяких з іонів може включати напрямок іонів на проходження через розсіювальний елемент, наприклад, напівсферичний аналізатор. У деяких випадках відрегульований іонний пучок перед падінням на матеріал проходить через текуче середовище, наприклад, через повітря під тиском, що дорівнює 0,5 атмосфери і більше. Іонний пучок може включати два і більше різних типи іонів, наприклад, іони водню і іони вуглецю або іони водню і іони кисню. Іонний пучок може включати щонайменше один тип, що вибирається з протонів і гідридних іонів. Середня енергія іонів в іонному пучку може знаходитися в діапазоні від 0,01 МеВ до 10 МеВ. Зміна молекулярної структури матеріалу, такого як вихідна сировина процесу на основі біомаси або вуглеводеньвмісний матеріал, відповідно до використання в цьому документі означає зміну компонування хімічних зв'язків, таку як в зв'язку з типом і кількістю функціональних груп або конформацією структури. Наприклад, зміна молекулярної структури може включати зміну надмолекулярної структури матеріалу, окиснення матеріалу, зміну середньої молекулярної маси, зміну середнього ступеня кристалічності, зміну площі питомої поверхні, зміну ступеня полімеризації, зміну пористості, зміну ступеня розгалуження, щеплення на інші матеріали, зміну розміру кристалічних доменів або зміну розміру повних доменів. Біомаса або вуглеводеньвмісний матеріал можуть бути піддані впливу випромінювання, наприклад, іонного пучка, наприклад, пучка, що відповідає одній або декільком конфігураціям, що описуються в цьому документі. Пучок і тривалість впливу можуть бути вибрані таким чином, щоб змінити молекулярну структуру матеріалу. Матеріал може бути підданий обробці до і/або після здійснення впливу. Підданий впливу матеріал може бути використаний в широкому асортименті галузей застосування, що включають ферментацію і отримання композитних матеріалів. Крім того, ознаками є системи і пристрої для обробки матеріалів випромінюванням, що описуються в цьому документі. Один приклад системи включає резервуар для біомаси, пристрій, який проводить пучок частинок, наприклад, відповідно до опису в цьому документі, і транспортуючий пристрій для переміщення біомаси від резервуара до пристрою, який проводить пучок частинок. Втілення можуть включати одну або декілька з будь-яких ознак, що описуються в цьому документі. Якщо тільки не буде визначено іншого, то всі технічні і наукові терміни, що використовуються в цьому документі, мають ті ж самі значення, що і звичайно техніка, що розуміється фахівцем у відповідній галузі, до якої належить даний винахід. Незважаючи на можливість використання в практиці або випробуваннях даного винаходу способів і матеріалів, подібних або еквівалентних тим, які описуються в цьому документі, прийнятні способи і матеріали описуються далі. Всі публікації, патентні заявки, патенти і інші документи, що цитуються, згадані в цьому документі, за допомогою посилання у всій своїй повноті включаються в цей документ. У разі конфлікту перевагу буде мати даний опис винаходу, в тому 3 UA 102853 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 числі визначення. У доповнення до цього, матеріали, способи і приклади являють собою всього лише ілюстрації і не призначені для виконання функції обмеження. Дана заявка включає повністю № PCT/US2007/022719, поданої 26 жовтня 2007 року, і попередньої заявки США № 61/049406, поданої 30 квітня 2008 року як посилання. З докладного опису винаходу, що слідує далі, і з формули винаходу стануть очевидними і інші ознаки і переваги. Опис креслень Фігура 1 являє собою блок-схему, перетворення біомаси в продукти і зв'язані продукти. Фігура 2 являє собою діаграму, профілів дози для іонів, електронів і фотонів в матеріалі з конденсованою фазою. Фігура 3 являє собою діаграму, системи здійснення впливу іонним пучком. Фігури 4А і 4В являють собою діаграми розподілу енергії іонного пучка. Фігура 4С являє собою діаграму профілів іонної дози в підданому впливу зразку. Фігура 5 являє собою діаграму розсіювального елемента, який включає декілька підобластей. Фігура 6 являє собою діаграму системи здійснення впливу іонним пучком, яка включає фільтр іонів. Фігури 7А-С являють собою діаграми розподілу енергії для нефільтрованих і фільтрованих іонних пучків. Фігура 8 являє собою діаграму трьох профілів іонної дози, що відповідають здійсненню впливу на зразок іонними пучками, що мають різні середні енергії. Фігура 9А являє собою діаграму результуючого профілю іонної дози для підданого впливу зразка на основі трьох профілів іонної дози фігури 8. Фігура 9В являє собою діаграму трьох різних профілів іонної дози, що відповідають іонним пучкам, що характеризуються різними середньою енергією і іонним струмом. Фігура 9С являє собою діаграму, результуючого профілю іонної дози на основі трьох профілів іонної дози фігури 9В. Фігура 10А являє собою діаграму трьох різних профілів іонної дози, що відповідають здійсненню впливу на зразок пучками трьох різних типів іонів. Фігура 10В являє собою діаграму, результуючих профілів іонної дози на основі трьох профілів іонної дози фігури 10А. Подібні символи позначень позицій на різних кресленнях вказують на подібні елементи. Докладний опис винаходу Обробка біомаси випромінюванням придатна для отримання палива і продуктів. У загальному випадку перед обробкою випромінюванням матеріал біомаси готують фізично. Матеріал може бути підготовлений таким чином, щоб зробити його більш однорідним, наприклад, для зменшення розміру частинок, для зміни вмісту води, для управління в'язкістю і тому подібного. Матеріал піддають обробці випромінюванням для зміни молекулярної і/або надмолекулярної структури. У доповнення до цього, матеріал може бути підданий обробці іншим чином, наприклад, у вигляді обробки ультразвуковими хвилями, окиснення, піролізу і обробки водяною парою. Матеріал, що виходить в результаті, може зберігатися або використовуватися по широкому асортименту способів. Одна галузь застосування являє собою ферментацію для отримання горючого продукту, такого як спирт. З матеріалом, що виходить в результаті, і необов'язково іншими інгредієнтами можуть бути об'єднані мікроорганізми. Об'єднання піддають ферментації і продукт витягують. Наприклад, спирти можуть бути витягнуті внаслідок перегонки. У деяких варіантах реалізації випромінювання у великих масштабах використовують, наприклад, для партії, що становить щонайменше 50 кг, 100 кг або 500 кг. Обробка також бути проведена в безперервному або напівбезперервному режимі, наприклад, для матеріалу, який переміщається під пучком випромінювання, наприклад, при переробці щонайменше 100, 500, 1000, 5000 або 20000 кг на годину. Як первинний матеріал може бути використаний широкий асортимент матеріалів біомаси. Приклади біомаси включають біомасу рослинного походження, біомасу тваринного походження і біомасу муніципальних відходів. Біомаса також включає матеріали вихідної сировини процесу, такі як целюлозні і/або лігноцелюлозні матеріали. Часто біомаса являє собою матеріал, який включає вуглевод, такий як целюлоза. У загальному випадку переробці за будь-яким зі способів, що описуються в цьому документі, може бути підданий будь-який матеріал біомаси, який являє собою або включає вуглеводи, утворені виключно з одного і або декількох сахаридних ланок, або який включає одну або декілька сахаридних ланок. Наприклад, матеріалом біомаси можуть бути целюлозні або 4 UA 102853 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 лігноцелюлозні матеріали або крохмалисті матеріали, такі як зерна кукурудзи, зерна рису або інші продукти харчування. Додаткові приклади матеріалів біомаси включають папір, паперові продукти, деревину, матеріали, споріднені деревині, деревиностружкову плиту, злакові трави, рисові висівки, багассу, бавовну, джут, прядиво, льон, бамбук, сизаль, абаку, солому, стрижні кукурудзяних качанів, рисові висівки, ворс кокосових горіхів, водорості, морську траву, бавовну, синтетичну целюлозу або суміші будь-яких представників з даних. Інші ще приклади описуються в документі WO 2008/073186, поданому 26 жовтня 2007 року, і в документі U. S. Serial No. 12/429,045, поданому 23 квітня 2009 року. Різні матеріали біомаси часто легко доступні, але - якщо тільки не будуть піддані попередній обробці - іноді насилу можуть зазнавати переробки, наприклад, внаслідок ферментації, або можуть призводити до отримання недостатньо оптимальних виходів при малій швидкості. У способах, що описуються в цьому документі, матеріали вихідної сировини процесу можуть бути спочатку фізично підготовлені для переробки, часто внаслідок зменшення розміру матеріалів первинної вихідної сировини процесу. Фізично підготовлена вихідна сировина процесу може бути піддана попередній обробці або переробці при використанні одного або декількох варіантів, що вибираються з обробки випромінюванням, обробки ультразвуковими хвилями, окиснення, піролізу і обробки водяною парою. Різні системи і способи попередньої обробки можуть бути використані в комбінаціях з двох, трьох або навіть чотирьох даних технологій. Комбінації різних способів попередньої обробки в загальному випадку описуються, наприклад, в документі WO 2008/073186. У деяких випадках для отримання матеріалів, які включають вуглевод, такий як целюлоза, який може бути перетворений мікроорганізмом в декілька бажаних продуктів, таких як горючі палива (наприклад, етанол, бутанол або водень), вихідна сировина процесу, яка включає одну або декілька сахаридних ланок, може бути піддана обробці за будь-яким одним або декільком способам з множиною способів. Інші продукти і зв'язані продукти, які можуть бути отримані, включають, наприклад, продукти харчування людини, продукти харчування тварин, фармацевтичні препарати і нутрицевтики. Приклади інших продуктів описуються в документах U.S. Serial Nos. 12/417,900, 12/417,707, 12/417,720 і 12/417,731, всі з яких подані 3 квітня 2009 року. У разі біомаси, що являє собою або що включає вуглевод, вона може включати, наприклад, матеріал, що містить одну або декілька -1,4-сполучних ланок і має середньочисельну молекулярну масу в діапазоні приблизно від 3000 до 50000. Такий вуглевод являє собою або включає целюлозу (1), яка зроблена з (β-глюкози 1) внаслідок конденсації β(14)-глікозидних зв'язків. Дана сполучна ланка контрастує із сполучною ланкою для α(14)-глікозидних зв'язків, присутніх в крохмалі і інших вуглеводах. Крохмалисті матеріали включають сам крохмаль, наприклад, кукурудзяний крохмаль, пшеничний крохмаль, картопляний крохмаль або рисовий крохмаль, похідне крохмалю, або матеріал, який включає крохмаль, такий як їстівний продовольчий товар або крохмалоніс. Наприклад, крохмалистий матеріал може являти собою аракачу їстівну, гречку, банан, ячмінь, кассаву, кудзу, оку, саго, сорго, звичайну домашню картоплю, солодку картоплю, таро, ямс або один або декілька видів бобів, таких як кормові боби, сочевиця або горох. Крохмалисті матеріали також являють собою і суміші будь-якого одного або декількох крохмалистих матеріалів. У конкретних варіантах реалізації крохмалистий матеріал виробляють з кукурудзи. Різний кукурудзяний крохмаль і похідні описуються в публікації "Corn Starch", Corn Refiners Association (11th Edition, 2006). Матеріали біомаси, які включають низькомолекулярні цукри, можуть, наприклад, включати щонайменше приблизно 0,5 % мас. низькомолекулярного цукру, наприклад, щонайменше приблизно 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12,5, 25, 35, 50, 60, 70, 80, 90 або навіть щонайменше приблизно 95 % мас. низькомолекулярного цукру. У деяких випадках біомаса утворена по суті з низькомолекулярного цукру, наприклад, на більше, ніж 95 % мас., оскільки 96, 97, 98, 99 або по суті 100 % мас., з низькомолекулярного цукру. Матеріали біомаси, які включають низькомолекулярні цукри, можуть являти собою сільськогосподарські продукти або продукти харчування, такі як цукрова тростина і цукровий буряк або екстракт з них, наприклад, сік з цукрової тростини або сік з цукрового буряка. Матеріали біомаси, які включають низькомолекулярні цукри, можуть являти собою по суті чисті екстракти, такі як цукор-сирець або закристалізований столовий цукор (сахароза). Низькомолекулярні цукри включають похідні цукри. Наприклад, низькомолекулярні цукри можуть бути олігомерними (наприклад, що дорівнюють або більшими 4-мірних, 5-мірних, 6мірних, 7-мірних, 8-мірних, 9-мірних або 10-мірних), тримерними, димерними або мономерними. 5 UA 102853 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 У разі формування вуглеводів з більш, ніж однієї ланки, що повторюється, кожна ланка, що повторюється, може бути ідентичною або відрізнятися. Конкретні приклади низькомолекулярних цукрів включають целобіозу, лактозу, сахарозу, глюкозу і ксилозу, спільно з їх похідними. У деяких випадках похідні цукри швидше розчиняються в розчині або використовуються мікробами для отримання корисного матеріалу, такого як етанол або бутанол. Для отримання будь-якого з продуктів, що описуються в цьому документі, таких як етанол, можуть бути використані комбінації з будь-яких матеріалів біомаси, що описуються в цьому документі, (наприклад, комбінації з будь-яких матеріалів біомаси, компонентів, продуктів і/або зв'язаних продуктів, утворених при використанні способів, що описуються в цьому документі). Наприклад, для отримання продуктів можуть бути використані суміші целюлозних матеріалів і крохмалистих матеріалів. Палива і інші продукти (наприклад, етанол, біоетанол, інші спирти і інші горючі вуглеводні), отримані по способах, що описуються в цьому документі, можуть бути перемішені з іншими вуглеводеньвмісними речовинами. Наприклад, етанол, отриманий при використанні будь-якого з способів, що описуються в цьому документі, може бути перемішений з бензином для отримання "газохолу", який може бути використаний як горюче паливо в широкому асортименті галузей застосування, в тому числі в зв'язку з автомобільними двигунами. Способи обробки біомаси Фігура 1 демонструє систему 100 для перетворення біомаси, зокрема, біомаси, що значною мірою містить целюлозні і лігноцелюлозні компоненти і/або крохмалисті компоненти, у прийнятні продукти і зв'язані продукти. Система 100 включає підсистему підготовки вихідної сировини процесу 110, підсистему попередньої обробки 114, підсистему основного процесу 118 і підсистему подальшої переробки 122. Підсистема підготовки вихідної сировини процесу 110 приймає біомасу в її первинній формі, фізично готує біомасу для використання як вихідної сировини процесу в процесах, розташованих по ходу технологічного потоку далі, (наприклад, зменшує розмір і гомогенізує біомасу) і зберігає біомасу як в її первинній формі, так і в формі вихідної сировини процесу. Біомаса, що значною мірою містить целюлозні і/або лігноцелюлозні компоненти або крохмалисті компоненти, може характеризуватися високими середньою молекулярною масою і ступенем кристалічності, які модифікують при використанні однієї або декількох попередніх обробок для полегшення застосування матеріалу. Підсистема попередньої обробки 114 приймає вихідну сировину процесу з підсистеми підготовки вихідної сировини процесу 110 і готує вихідну сировину процесу для використання в основних виробничих способах, наприклад, внаслідок зменшення середніх молекулярної маси і ступеня кристалічності вихідної сировини процесу і/або збільшення площі питомої поверхні і/або пористості вихідної сировини процесу. У деяких випадках матеріал біомаси, підданий попередній обробці, характеризується низьким вологовмістом, наприклад, меншим, ніж приблизно 7,5, 5, 3, 2,5, 2, 1,5, 1 або 0,5 % мас. Зменшення кількості вологи можна добитися, наприклад, внаслідок висушування матеріалу біомаси. Способи попередньої обробки можуть дозволити уникнути використання агресивних хімічних реагентів, таких як сильні кислоти і основи. Підсистема основного процесу 118 приймає піддану попередній обробці вихідну сировину процесу з підсистеми попередньої обробки 114 і виробляє корисні продукти (наприклад, етанол, інші спирти, фармацевтичні препарати і/або продукти харчування). Основні виробничі способи звичайно включають способи, такі як ферментація (наприклад, при використанні мікроорганізмів, таких як дріжджі і/або бактерії), хімічна обробка (наприклад, гідроліз) і газифікація. У деяких випадках вироблений продукт підсистеми основного процесу 118 є прийнятним для безпосереднього використання, але в інших випадках вироблений продукт вимагає проведення додаткової переробки, здійснюваної в підсистемі подальшої переробки 122. Підсистема подальшої переробки 122 забезпечує проведення додаткової переробки потоків продуктів з системи основного процесу 118 (наприклад, у вигляді перегонки і денатурації етанолу), а також обробки для потоків відходів з інших підсистем. У деяких випадках зв'язані продукти підсистем 114, 118, 122 також можуть бути прийнятними для безпосереднього або опосередкованого використання як вторинні продукти і/або з точки зору збільшення сукупної ефективності системи 100. Наприклад, підсистема подальшої переробки 122 може дозволити отримати очищену воду, що відправляється на рецикл для використання як технологічна вода в інших підсистемах, і/або може дозволити отримати відходи, що спалюються, які можуть бути використані як паливо для казанів, що виробляють водяну пару і/або електрику. У загальному випадку стадії подальшої 6 UA 102853 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 переробки можуть включати одну або декілька стадій, таких як перегонка для відділення інших компонентів, очищення стічних вод (наприклад, просіювання, усереднення органіки, конверсія шламу), механічне розділення і/або спалення відходів. Системи іонних пучків для попередньої обробки біомаси Попередня обробка іонним пучком (наприклад, здійснення впливу іонами) для біомаси може являти собою особливо ефективний, економічний і високопродуктивний спосіб обробки. Попередня обробка іонним пучком в загальному випадку включає здійснення впливу на біомасу (піддану або не піддану механічній переробці) одним або декількома різними типами іонів, що генеруються в одному або декількох джерелах іонів. Іони можуть бути прискорені в системах прискорювачів, які зчленовуються з джерелами іонів і можуть виробляти іони, що мають змінні енергії і швидкості. Звичайно при попередній обробці, що базується на використанні іонів, іони не прискорюють до енергій, достатніх для стимулювання появи значних рівнів рентгенівського випромінювання. Відповідно до цього, потреби в покритті куполом і екрануванні для джерел іонів можуть бути значно ослаблені в порівнянні з подібними потребами для джерел електронів. У разі використання випромінювання іонного пучка воно може бути застосоване для будьякого зразка, який є сухим або вологим або навіть диспергованим в рідині, такій як вода. Наприклад, опромінення іонним пучком може бути проведене для целюлозного і/або лігноцелюлозного матеріалу, в якому поверхні, змочені рідиною, такою як вода, мають менше, ніж приблизно 25 % мас. целюлозного і/або лігноцелюлозного матеріалу. У деяких варіантах реалізації опромінення іонним пучком проводять для целюлозного і/або лігноцелюлозного матеріалу, в якому рідиною, такою як вода, ніякий целюлозний і/або лігноцелюлозний матеріал не змочують. У разі використання опромінення іонним пучком воно може бути застосоване при одночасному здійсненні впливу на целюлозний і/або лігноцелюлозний матеріал повітрям, повітрям, збагаченим киснем, або навіть самим киснем або в умовах атмосфери інертного газу, такого як азот, аргон або гелій. У разі бажаності окиснення матеріалу біомаси будуть використовувати окислювальне середовище, таке як у випадку повітря або кисню, і властивості джерела іонного пучка можуть бути відрегульовані для стимулювання утворення реакційноздатного газу, наприклад, утворення озону і/або оксидів азоту. Дані реакційно-здатні гази вступають в реакцію з матеріалом біомаси, індивідуально або спільно з падаючими іонами, що викликає розкладання матеріалу. У рамках одного прикладу у разі використання впливу на біомасу іонного пучка іони на біомасу можуть впливати в умовах тиску одного або декількох газів, більшого, ніж приблизно 2,5 атмосфери, такого як більше, ніж 5, 10, 15, 20, або навіть більше, ніж приблизно 50, атмосфер. Іони, які падають на матеріал біомаси, звичайно розсіюються на частинах біомаси і іонізують їх по механізму кулонівського розсіювання. Взаємодія між іонами і біомасою також може приводити і до отримання електронів високої енергії (наприклад, вторинних електронів), які можуть додатково взаємодіяти з біомасою (наприклад, викликаючи додаткову іонізацію). Іони можуть бути позитивно зарядженими або негативно зарядженими і можуть мати одиничний позитивний або негативний заряд або можуть бути багатозарядними, наприклад, одно-, дво-, три- або навіть чотири- і більш зарядними. У випадках бажаності проходження деструкції ланцюга бажаними можуть виявитися позитивно заряджені частинки, частково внаслідок їх кислотної природи. Іони, якими чинять вплив на матеріал біомаси, можуть мати масу електрона, що покоїться, або можуть перевищувати масу електрона, що покоїться, наприклад, в 500, 1000, 1500 або 2000 і більше разів, наприклад, 10000 або навіть 100000 разів. Наприклад, іони можуть мати масу в діапазоні від приблизно 1 атомних одиниці до приблизно 150 атомних одиниць, наприклад, від приблизно 1 атомних одиниці до приблизно 50 атомних одиниць або від приблизно 1 до приблизно 25, наприклад, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 12 або 15 а.о.м. Приклади іонів і прискорювачів іонів обговорюються в публікаціях Introductory Nuclear Physics, Kenneth S. Krane, John Wiley & Sons, Inc. (1988), Krsto Prelec, FIZIKA В 6 (1997) 4, 177-206, Chu, Wiliam Т., "Overview of Light-ion Beam Therapy", Columbus-Ohio, ICRU-IAEA Meeting, 18-20 March 2006, Iwata, Y. et al., "AlternatingPhase-Focused IH-DTL for Heavy-Ion Medical Accelerators", Proceedings of EPAC 2006, Edinburgh, Scotland і Leitner, C. M. et al., "Status of the Superconducting ECR Ion Source Venus", Proceedings of EPAC 2000, Vienna, Austria. Для попередньої обробки матеріалу біомаси може бути використаний широкий асортимент різних типів іонів. Наприклад, можуть бути використані протони, ядра гелію, іони аргону, іони кремнію, іони неону, іони вуглецю, іони фосфору, іони кисню або іони азоту. У деяких варіантах реалізації іони можуть приводити до появи більш високих ступенів деструкції ланцюга в зіставленні з тим, що має місце для еквівалентної дози електронів. У деяких випадках 7 UA 102853 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 позитивно заряджені іони можуть приводити до появи більш високих ступенів деструкції ланцюга і/або ступенів проходження інших процесів в зіставленні з тим, що має місце для негативно заряджених іонів, внаслідок своєї кислотності. В альтернативному випадку в певних варіантах реалізації в залежності від природи біомаси, що більш ефективно приводять до проходження деструкції ланцюга і/або інших процесів можуть виявитися негативно заряджені іони в зіставленні з тим, що має місце для позитивно заряджених іонів, внаслідок своєї лужної природи. Після генерування і/або прискорення середня енергія іонів в іонному пучку може знаходитися в діапазоні від приблизно 1,0 МеВ/атомна одиниця до приблизно 6000 МеВ/атомна одиниця, наприклад, від приблизно 3 МеВ/атомна одиниця до приблизно 4800 МеВ/атомна одиниця або від приблизно 10 МеВ/атомна одиниця до приблизно 1000 МеВ/атомна одиниця. У загальному випадку для опромінення матеріалів біомаси може бути використано множину різних типів іонів. Наприклад, в деяких варіантах реалізації іонні пучки можуть включати відносно легкі іони, такі як протони і/або іони гелію. У певних варіантах реалізації іонні пучки можуть включати помірно більш важкі іони, такі як іони вуглецю, іони азоту, іони кисню або іони неону. У деяких варіантах реалізації іонні пучки можуть включати ще більш важкі іони, такі як іони аргону, іони кремнію, іони фосфору, іони натрію, іони кальцію і/або іони заліза. У певних варіантах реалізації іонні пучки, що використовуються для опромінення матеріалів біомаси, можуть включати більш, ніж один тип іона, що відрізняється. Наприклад, іонні пучки можуть включати суміші з двох і більше (наприклад, трьох, чотирьох, п'яти, шести і більше) різних типів іонів. Приклади сумішей можуть включати іони вуглецю і протони, іони вуглецю і іони кисню, іони азоту і протони і іони заліза і протони. У більш загальному випадку для отримання іонних пучків, які використовують для опромінення біомаси, можуть бути використані суміші будь-яких іонів, що обговорюються в цьому документі, (або будь-яких інших іонів). Зокрема, в одному іонному пучку можуть бути використані суміші відносно легких і відносно більш важких іонів, де кожний з різних типів іонів характеризується відмінною ефективністю при опроміненні різних типів матеріалів біомаси. У деяких варіантах реалізації іонні пучки для опромінення матеріалів біомаси включають позитивно заряджені іони. Позитивно заряджені іони можуть включати, наприклад, позитивно заряджені іони водню (наприклад, протони), іони благородних газів (наприклад, гелію, неону, аргону), іони вуглецю, іони азоту, іони кисню, атоми кремнію, іони фосфору і іони металів, такі як іони натрію, іони кальцію і/або іони заліза. Як можна собі представити без бажання зв'язувати себе якою-небудь теорією, такі позитивно заряджені іони при здійсненні впливу на матеріали біомаси демонструють хімічну поведінку, подібну поведінці фрагментів кислот Льюїса, ініціюючи і підтримуючи проходження реакцій, таких як катіонні реакції деструкції з розкриттям циклу і розривом ланцюга, в кислотному і/або окислювальному середовищі. У певних варіантах реалізації іонні пучки для опромінення матеріалів біомаси включають негативно заряджені іони. Негативно заряджені іони можуть включати, наприклад, негативно заряджені іони водню (наприклад, гідридні іони) і негативно заряджені іони різних відносно електронегативних ядер (наприклад, іони кисню, іони азоту, іони вуглецю, іони кремнію і іони фосфору). Як можна собі представити без зв'язування себе якою-небудь теорією, такі негативно заряджені іони при здійсненні впливу на матеріали біомаси демонструють хімічну поведінку, подібну поведінці фрагментів основ Льюїса, спричиняючи проходження аніонних реакцій деструкції з розкриттям циклу і розривом ланцюга, в основному і/або відновному середовищі. У деяких варіантах реалізації пучки для опромінення матеріалів біомаси можуть включати нейтральні атоми. Наприклад, в пучки, які використовують для опромінення матеріалів біомаси, може бути включені будь-який один або декілька типів атомів, що вибираються з атомів водню, атомів гелію, атомів вуглецю, атомів азоту, атомів кисню, атомів неону, атомів кремнію, атомів фосфору, атомів аргону і атомів заліза. У загальному випадку в пучках можуть бути присутніми суміші будь-яких двох і більше вищезазначених типів атомів (наприклад, трьох і більше, чотирьох і більше або навіть ще більше). Попереднє обговорення фокусувалося на іонних пучках, які включають одноядерні іони і/або нейтральні частинки (наприклад, атомні іони і нейтральні атоми). Звичайно такі частинки легше за все - з точки зору енергії - генерувати, а материнські частинки, з яких генерують дані частинки, можуть бути доступними в надмірній кількості. Однак, в деяких варіантах реалізації пучки для опромінення матеріалів біомаси можуть включати один або декілька типів іонів або нейтральних частинок, які є багатоядерними, наприклад, що включають декілька ядер і що навіть включають два і більше різних типів ядер. Наприклад, іонні пучки можуть включати позитивні і/або негативні іони і/або нейтральні частинки, утворені з частинок, таких як N 2, O2, H2, CH4 і інші молекулярні частинки. Іонні пучки також можуть включати іони і/або нейтральні 8 UA 102853 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 частинки, утворені з більш важких частинок, які включають ще більше ядер, таких як різні частинки на вуглеводневій основі і/або різні неорганічні частинки, в тому числі координаційні сполуки різних металів. У певних варіантах реалізації іонні пучки, що використовуються для опромінення матеріалів біомаси, включають однозарядні іони, такі як один або декілька типів іонів, що вибираються з + – + + + + – + – + – + – + – + + + + + + + + Н , Н , Не , Nе , Ar , C , C , O , O , N , N , Si , Si , P , P , Na , Ca , Fe , Rh , Ir , Pt , Re , Ru і + Os . У деяких варіантах реалізації іонні пучки можуть включати багатозарядні іони, такі як один 2+ 3+ 4+ 3+ 5+ 3– 2+ 2– 2– 2+ 4+ 2– або декілька типів іонів, що вибираються з С , С , С , N , N , N , O , O , O2 , Si , Si , Si 4– і Si . У загальному випадку іонні пучки також можуть включати більш складні багатоядерні іони, які є багатозарядними, будучи зарядженими позитивно або негативно. У певних варіантах реалізації завдяки структурі багатоядерного іона позитивні або негативні заряди можуть бути ефективно розподілені по суті по всій структурі іона. У деяких варіантах реалізації завдяки електронним структурам іонів позитивні або негативні заряди можуть бути в деякій мірі локалізовані на частинах структури іонів. У загальному випадку іонні пучки, що використовуються для опромінення матеріалів біомаси, можуть включати іони - як позитивні, так і/або негативні - для будь-яких молекулярних частинок, що описуються в цьому документі, і в загальному випадку іони можуть бути одно- або багатозарядними. Іонні пучки також можуть включати і інші типи іонів, позитивно і/або негативно заряджені і що є одно- або багатозарядними. Іони і іонні пучки можуть бути генеровані при використанні широкого асортименту способів. Наприклад, іони водню (наприклад, як протони, так і гідридні іони) можуть бути генеровані внаслідок польової іонізації газоподібного водню і/або внаслідок термічного нагрівання газоподібного водню. Іони благородних газів можуть бути генеровані внаслідок польової іонізації. Іони вуглецю, кисню і азоту можуть бути генеровані внаслідок польової іонізації і можуть бути відділені один від одного (у разі їх спільного генерування) при використанні напівсферичного аналізатора. Більш важкі іони, такі як у випадку натрію і заліза, можуть бути отримані внаслідок термоелектронної емісії з прийнятного матеріалу мішені. Прийнятні способи генерування іонних пучків описуються, наприклад, в попередніх заявках США №№ 61/049406 і 61/073665 і в документі U. S. Serial No. 12/417,699. Для прискорення іонів перед здійсненням впливу іонами на матеріал біомаси може бути використаний широкий асортимент різних прискорювачів пучків частинок. Наприклад, прийнятні прискорювачі пучків частинок включають прискорювачі Dynamitron®, прискорювачі Rhodotron®, статичні прискорювачі, динамічні лінійні прискорювачі (наприклад, LINAC), прискорювачі Ванде-Граафа і складчасті тандемні прискорювачі Pelletron. Дані і інші прийнятні прискорювачі обговорюються, наприклад, в попередніх заявках США №№ 61/049406 і 61/073665 і в документі U. S. Serial No. 12/417,699. У деяких варіантах реалізації для отримання іонних пучків, які є прийнятними для обробки біомаси, можуть бути використані комбінації з двох і більше різних типів прискорювачів. Наприклад, складчастий тандемний прискорювач може бути використаний в комбінації з лінійним прискорювачем, прискорювачем Rhodotron®, прискорювачем Dynamitron®, статичним прискорювачем або будь-яким іншим типом прискорювача, що виробляє іонні пучки. Прискорювачі можуть бути використані послідовно при направленні вихідних іонних пучків з одного типу прискорювача на вхід іншого типу прискорювача для додаткового прискорення. У альтернативному варіанті, для генерування декількох іонних пучків при обробці біомаси декілька прискорювачів може бути використано паралельно. У певних варіантах реалізації для генерування прискорених іонних пучків може бути використано декілька прискорювачів ідентичного типу паралельно і/або послідовно. У деяких варіантах реалізації для генерування іонних пучків, що мають різні склади, може бути використано декілька подібних і/або різних прискорювачів. Наприклад, перший прискорювач може бути використаний для генерування одного типу іонних пучків, в той час як другий прискорювач може бути використаний для генерування другого типу іонних пучків. Після цього кожний з двох іонних пучків може бути додатково прискорений в ще одному прискорювачі або може бути використаний для обробки біомаси. Крім того, в певних варіантах реалізації для генерування декількох іонних пучків при обробці біомаси може бути використаний один прискорювач. Наприклад, будь-який з прискорювачів, що обговорюються в цьому документі, (а також і інші типи прискорювачів) може бути модифікований для отримання декількох вихідних іонних пучків внаслідок розділення первинного іонного струму, введеного в прискорювач з джерела іонів. В альтернативному або в додатковому варіанті, будь-які іонні пучки, отримані при використанні будь-якого з 9 UA 102853 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 прискорювачів, що описуються в цьому документі, можуть включати тільки один тип іона або декілька різних типів іонів. У загальному випадку при використанні для отримання одного або декількох іонних пучків при обробці біомаси декількох різних прискорювачів декілька різних прискорювачів можуть бути розташовані в будь-якому порядку по відношенню один до одного. Це забезпечує досягнення великої гнучкості при отриманні одного або декількох іонних пучків, кожний з яких має властивості, ретельно відібрані для обробки біомаси (наприклад, для обробки різних компонентів в біомасі). Прискорювачі іонів, що описуються в цьому документі, також можуть бути використані в комбінації з будь-якими іншими стадіями обробки біомаси. Наприклад, в деяких варіантах реалізації для обробки біомаси електрони і іони можуть бути використані в комбінації. Електрони і іони можуть бути отримані і/або прискорені роздільно і використані для обробки біомаси послідовно (в будь-якому порядку) і/або одночасно. У певних варіантах реалізації електронні і іонні пучки можуть бути отримані в одному і тому ж прискорювачі і використані для обробки біомаси. Певні прискорювачі іонів можуть бути сконфігуровані для отримання електронних пучків як альтернатива іонним пучкам або в доповнення до них. Наприклад, для отримання електронних пучків при обробці біомаси можуть бути сконфігуровані прискорювачі Dynamitron®, прискорювачі Rhodotron® і LINAC. Крім того, попередня обробка біомаси іонними пучками може бути об'єднана з іншими способами попередньої обробки біомаси, такими як обробка ультразвуковими хвилями, піроліз, окиснення, обробка водяною парою і/або опромінення іншими формами випромінювання (наприклад, електронами, гамма-випромінюванням, рентгенівським випромінюванням, ультрафіолетовим випромінюванням). У загальному випадку інші способи попередньої обробки, такі як попередня обробка, що базується на використанні ультразвукових хвиль, можуть бути проведені до, під час або після попередньої обробки біомаси, що базується на використанні іонів. Умови впливу і властивості іонних пучків У загальному випадку при здійсненні впливу на конденсоване середовище пучком заряджених частинок заряджені частинки проникають в середовище і поглинаються в середовищі з розподілом по глибинах нижче за поверхню, на яку падають частинки. У загальному випадку згідно з спостереженнями (дивіться, наприклад, фігуру 1 в публікації Prelec (дивіться нижче, 1997)) розподіл дози для іонів включає значно більш вузький максимум (пік Брегга), і іони демонструють значно менше бокове розсіювання в зіставленні з тим, що має місце для інших частинок, таких як електрони і нейтрони, і інших форм електромагнітного випромінювання, таких як рентгенівське випромінювання. Відповідно до цього, внаслідок профілю дози прискорених іонів, що відносно добре контролюється, вони відносно ефективно діють з точки зору зміни структури матеріалу біомаси. Крім того, як це з очевидністю виходить виходячи з фігури 6 публікації Prelec (дивіться нижче, 1997), більш важкі іони (такі як іони вуглецю) характеризуються ще більш вузькими профілями дози в зіставленні з тим, що має місце для більш легких іонів, таких як протони, і, таким чином, відносна ефективність даних більш важких іонів при обробці матеріалу біомаси є ще більшою, ніж у разі більш легких іонів. У деяких варіантах реалізації середня енергія прискорених іонів, які падають на матеріал біомаси, становить 1 МеВ/аем і більш (наприклад, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 15, 20, 30, 50, 100, 300, 500, 600, 800 або навіть 1000 МеВ/аем і більш). У певних варіантах реалізації середня енергія прискорених іонів становить 10 МеВ і більше (наприклад, 20, 30, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 800, 1000, 2000, 3000, 4000 або навіть 5000 МеВ і більше). У певних варіантах реалізації середня швидкість прискорених іонів становить 0,0005 с і більше (наприклад, 0,005 с і більше, 0,05 с і більше, 0,1 с і більше, 0,2 с і більше, 0,3 с і більше, 0,4 с і більше, 0,5 с і більше, 0,6 с і більше, 0,7 с і більше, 0,8 с і більше, 0,9 с і більше), де с являє собою швидкість світла у вакуумі. У загальному випадку для заданого потенціалу прискорення більш легкі іони прискорюються до більш високих швидкостей в зіставленні з тим, що має місце для більш важких іонів. Наприклад, для заданого потенціалу прискорення максимальна швидкість іона водню може становити приблизно 0,05 с, в той час як максимальна швидкість іонів вуглецю може становити приблизно 0,0005 с. Дані значення являють собою тільки приклади; швидкість прискорених іонів залежить від прикладеного потенціалу прискорення, режиму експлуатації прискорювача, кількості проходів через прискорювальне поле і інших таких параметрів. 10 UA 102853 C2 5 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 У деяких варіантах реалізації середній іонний струм прискорених іонів становить 10 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 частинка/секунду і більше (наприклад, 10 , 10 , 10 , 10 , 10 , 10 , 10 , 10 , 10 , 10 або навіть 16 10 частинка/секунду і більше). У нешвидких варіантах реалізації доза випромінювання, що доставляється в матеріал біомаси іонним пучком, становить 5 Мрад і більше (наприклад, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 80 або навіть 100 Мрад і більше). У разі здійснення впливу на зразок іонним пучком енергія в зразку буде поглинатися відповідно до профілю іонної дози (який також іноді називають розподілом дози по глибині). Фігура 2 демонструє схематичну діаграму, що ілюструє представницький профіль іонної дози 2010 для зразка біомаси з конденсованою фазою. Вертикальна вісь профілю іонної дози 2010 на фігурі 2 демонструє відносну іонну дозу для графічного представлення її залежності від показаної по горизонтальній осі глибини нижче за поверхню зразка, на яку чинять вплив іонними пучками. Фігура 2 в порівняльних цілях також вимикає профіль електронної дози 2020, профіль дози гамма-випромінювання 2030 і профіль дози рентгенівського випромінювання 2040. Як продемонстровано на фігурі 2, як гамма-випромінювання, так і рентгенівське випромінювання (і, крім того, інші типи електромагнітного випромінювання) сильно поглинаються в області, що примикає до поверхні зразка, що приводить до поглинання найвищих доз енергії поблизу від поверхні зразка. Профілі дози гамма-випромінювання і рентгенівського випромінювання 2030 і 2040 зменшуються приблизно експонентно від поверхні зразка, оскільки послідовно все менше фотонів має здатність більш глибокого проникнення для поглинання в зразку. Профіль електронної дози 2020 демонструє ефект наростання, при якому внаслідок проникаючої здатності комптоновських електронів поглинена доза енергії збільшується навколо підданої впливу поверхні зразка до максимальної поглиненої дози на глибині проникнення, що звичайно складає приблизно 3-4 см в конденсованих середовищах. Після цього відносна доза поглиненої енергії відносно швидко зменшується при збільшенні відстані під поверхнею зразка. У протилежність цьому, іонні пучки звичайно характеризуються профілями доз, які іноді описуються як зворотні по відношенню до профілів доз електронів і фотонів. Як продемонстровано на фігурі 2, профіль іонної дози 2010 включає область 2012, в якій на зразок впливає відносно постійна доза енергії. Після цього профіль іонної дози 2010 включає область 2014, звану піком Брегга, яка відповідає частині зразка, в якій поглинається відносно більш значна частка енергії іонних пучків, після чого слідує область 2016, в якій поглинається набагато менша доза енергії. Пік Брегга, який характеризується повною шириною на половині максимуму (ПШПМ) , забезпечує наявність значної відмінності профілю дози для іонів від профілів дози для електронів і фотонів різних довжин хвиль. У результаті здійснення впливу на матеріали, такі як матеріали біомаси, іонним пучком може привести до появи ефектів, які відрізняються від ефектів, що створюються фотонами і електронними пучками. Звичайно ширина  піка Брегга 2014 залежить від декількох чинників, в тому числі від природи зразка, типу іонів і середньої енергії іонів. Один важливий фактор, який чинить вплив на ширину  піка Брегга 2014, являє собою розподіл енергій в падаючих іонних пучках. У загальному випадку чим вужчим буде розподіл енергій в падаючих іонних пучках, тим вужчою буде ширина  піка Брегга 2014. У рамках одного прикладу для розподілу енергій іонів, який характеризується значенням ПШПМ, що дорівнює 1 кеВ і менше, пік Брегга 2014 звичайно має ширину, що дорівнює приблизно 3 мм і менше. Ширина  піка Брегга 2014 в даних умовах також може бути і набагато меншою, ніж 3 мм, наприклад, дорівнювати 2,5 мм і менше, 2,0 мм і менше, 1,5 мм і менше, 1,0 мм і менше. Позиція піка Брегга 2014, позначена символом γ на фігурі 2, залежить від декількох чинників, в тому числі від середньої енергії падаючих іонних пучків. У загальному випадку для більш значних середніх енергій іонних пучків піків Брегга 2014 на фігурі 2 буде зміщатися до більш значних глибин, оскільки іони, що мають більш високу енергію, мають здатність проникати в матеріал більш глибоко до того, як основна частина кінетичної енергії іонів втратиться внаслідок явищ розсіювання. Різні властивості одного або декількох падаючих іонних пучків можуть бути відрегульовані з метою здійснення впливу на зразки (наприклад, матеріали біомаси) випромінюванням іонних пучків, яке може приводити до проходження в зразках деполімеризації і інших реакцій деструкції ланцюга, які зменшують молекулярну масу зразків передбачуваним і контрольованим чином. Фігура 3 демонструє схематичну діаграму, що ілюструє систему здійснення впливу іонними пучками 2100. Система 2100 включає джерело іонів 2110, яке генерує іонні пучки 2150. Оптичні елементи 2120 (в тому числі, наприклад, лінзи, апертури, дефлектори і/або інші електростатичні і/або магнітні елементи для регулювання іонних пучків 2150) направляють іонні пучки 2150, 11 UA 102853 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 забезпечуючи його падіння на зразок 2130, який має товщину h в напрямку, нормальному до поверхні 2135 зразка 2130. У доповнення до направлення іонного пучка 2150 оптичні елементи 2120 можуть бути використані для управління різними властивостями іонного пучка 2150, включаючи колімування і фокусування іонного пучка 2150. Зразок 2130 звичайно включає, наприклад, один або декілька різних типів матеріалів біомаси, які обговорюються в цьому документі. Система 2100 також включає електронний контролер 2190, що знаходиться в електричному зв'язку з різними компонентами системи (і з іншими компонентами, не показаними на фігурі 3). Електронний контролер 2190 може контрольовано витримувати і/або регулювати будь-які з параметрів системи, що описуються в цьому документі, або повністю автоматично, або у відповідь на введення від людини-оператора. Фігура 3 також демонструє профіль іонної дози, який являє собою результат здійснення впливу на зразок 2130 іонним пучком 2150. Позиція 2160 піка Брегга в зразку 2130 залежить від середньої енергії іонного пучка 2150, природи іонів в іонному пучку 2150, матеріалу, з якого отримують зразок 2130, і інших чинників. У множині галузей застосування іонних пучків, таких як іонна терапія для радикального видалення пухлин, вигідною є відносно невелика ширина  піка Брегга 2014, оскільки це забезпечує досить тонке націлювання на конкретні тканини у пацієнта, що зазнає терапії, і сприяє зменшенню пошкодження внаслідок здійснення впливу на сусідні доброякісні тканини. Однак, при здійсненні впливу на матеріали біомаси, такі як зразок 2130, іонним пучком 2150 відносна невелика ширина  піка Брегга 2014 може обмежувати продуктивність. Звичайно, наприклад, товщина h зразка 2130 є більшою, ніж ширина  піка Брегга 2014. У деяких варіантах реалізації значення h може бути істотно більшим в зіставленні зі значенням  (наприклад, великим з коефіцієнтом, що дорівнює 5 і більше або 10 і більше, або 20 і більше, або 50 і більше, або 100 і більше, або навіть ще більше). Для збільшення товщини зразка 2130, для якої вибрана доза може бути доставлена протягом конкретного часового інтервалу, може бути відрегульований розподіл енергії іонного пучка 2150. Для регулювання розподілу енергії іонного пучка 2150 можуть бути використані різні способи. Один такий спосіб полягає у використанні одного або декількох знімних розсіювальних елементів 2170, що розташовуються на шляху іонного пучка 2150, як це продемонстроване на фігурі 3. Розсіювальний елемент 2170 може являти собою, наприклад, тонку мембрану, виготовлену з матеріалу на металевій основі, такій як вольфрам, тантал, мідь, і/або матеріалу на полімерній основі, такій як полімер Lucite®. Перед проходженням через розсіювальний елемент 2170 іонний пучок 2150 характеризується шириною розподілу енергії w, продемонстрованою на фігурі 4А. У разі проходження іонного пучка 2150 через елемент (елементи) 2170 щонайменше деякі з іонів в іонному пучку 2150 будуть зазнавати впливу явищ розсіювання на атомах в елементі (елементах) 2170 з передачею частини кінетичної енергії іонів на атоми елемента (елементів) 2170. У результаті розподіл енергії для іонного пучка 2150 уширюється до ширини b, більшої, ніж значення w, як це продемонстровано на фігурі 4В. Зокрема, в результаті розсіювання на елементі (елементах) 2170 розподіл енергії іонних пучків 2150 набуває уширеного низкоенергетичного хвоста. Фігура 4С демонструє вплив уширення розподілу енергії іонів іонного пучка 2150 на профілі іонної дози в зразку 2130. Профіль іонної дози 2140а отримують внаслідок здійснення впливу на зразок 2130 іонним пучком 2150, що характеризуються розподілом енергії іонів, продемонстрованим на фігурі 4А. Профіль іонної дози 2140а включає відносно вузький пік Брегга. У результаті область зразка 2130, в якій поглинається відносно велика доза, невелика. У протилежність цьому, внаслідок уширення розподілу енергії іонів іонного пучка 2150 для отримання розподілу, продемонстрованого на фігурі 4В, в зразку 2130 після здійснення впливу на зразок при використанні уширення розподілу енергій іонів отримують профіль іонної дози 2140b. Як демонструє профіль дози 2140b, внаслідок уширення розподілу енергії іонів область зразка 2130, в якій поглинається відносно велика доза, збільшується в зіставленні з тим, що має місце для профілю іонної дози 2140а. У результаті збільшенні області зразка 2130, підданої впливу відносно великої дози, продуктивність способу здійснення впливу може бути поліпшена. У певних варіантах реалізації ширина b уширеного розподілу енергії може бути більшою, ніж значення w, з коефіцієнтом, що дорівнює 1,1 і більше (наприклад, 1,2, 1,3, 1,4, 1,5, 1,7, 2,0, 2,5, 3,0, 3,5, 4,0, 5,0 або навіть 10,0 і більше). Звичайно профіль іонної дози в зразку 2130, отриманий внаслідок здійснення впливу на зразок при використанні уширеного розподілу енергії іонів, продемонстрованого на фігурі 4В, включає пік Брегга, що характеризується повною шириною на половині максимуму (ПШПМ) . Внаслідок уширення розподілу енергії іонів значення  може бути більшим, ніж значення , з 12 UA 102853 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 коефіцієнтом, що дорівнює 1,1 і більше (наприклад, 1,2 і більше, 1,3 і більше, 1,5 і більше, 1,7 і більше, 2,0 і більше, 2,5 і більше, 3,0 і більше, 4,0 і більше, 5,0 і більше, 6,0 і більше, 7,0 і більше, 10,0 і більше). Для зразка 2130 з товщиною h після уширення розподілу енергії іонів іонних пучків 2150 і -6 здійснення впливу на зразок іонним пучком співвідношення ε/h може становити 1×10 і більше -5 -5 -4 -4 -3 -3 (наприклад, 110 , 510 , 110 , 510 , 110 , 510 , 0,01, 0,05, 0,08, 0,1 або навіть 0,5 і більше). У певних варіантах реалізації зразок 2130 включає множину частинок (наприклад, приблизно сферичних частинок і/або волокон, і/або елементарних волокон і/або інших типів частинок). У загальному випадку частинки характеризуються розподілом по різних розмірах із середнім розміром частинок r. Для поліпшення ефективності обробки зразка 2130, що базується на використанні іонів, розподіл енергії іонів іонних пучків 2150 може бути відрегульовано (наприклад, внаслідок уширення) виходячи з середнього розміру частинок r зразка 2130. Наприклад, іонний пучок 2150 можуть бути відрегульовані таким чином, щоб співвідношення /r становило б 0,001 і більше (наприклад, 0,005 і більше, 0,01 і більше, 0,05 і більше, 0,1 і більше, 0,5 і більше, 1,0 і більше, 1,5 і більше, 2,0 і більше, 2,5 і більше, 3,0 і більше, 3,5 і більше, 4,0 і більше, 5,0 і більше, 6,0 і більше, 8,0 і більше, 10 і більше, 50 і більше, 100 і більше, 500 і більше, 1000 і більше або ще більше). У деяких варіантах реалізації розсіювальний елемент 2170 може включати декілька різних розсіювальних піделементів, які сконфігуровані для уширення розподілу енергій іонів в іонному пучку 2150 в різних ступенях. Наприклад, фігура 5 демонструє розсіювальний елемент, що складається з множини піделементів 2170, який включає піделементи 2170а-е. Кожний з піделементів 2170а-е уширює розподіл енергій іонів в іонному пучку 2150 у відмінному ступені. Під час функціонування системи 2100 електронний контролер 2190 може бути сконфігурований для вибору належного піделемента розсіювального елемента 2170 на основі інформації, такої як товщина h зразка 2130, тип іонів в іонному пучку 2150 і середня енергія іонів в іонному пучку 2150. Вибір належного піделемента може бути вироблений в повністю автоматичному режимі або може базуватися щонайменше частково на введенні від людини-оператора. Вибір належного піделемента роблять в результаті переміщення розсіювального елемента 2170 в напрямку, продемонстрованому стрілкою 2175, для розташування вибраного піделемента на шляху іонного пучка 2150. У певних варіантах реалізації в доповнення до розсіювального елемента (елементів) 2170 або як альтернатива йому можуть бути використані і інші пристрої. Наприклад, в деяких варіантах реалізації для уширення розподілу енергії іонів іонного пучка 2150 можуть бути використані комбінації з електричних і/або магнітних полів, що створюються іонно-оптичними елементами. Іонний пучок 2150 може проходити через перше поле, сконфігуроване для просторового диспергування іонів в іонному пучку. Після цього просторово дисперговані іони можуть проходити через друге поле, яке добре локалізоване в просторі, і яке селективно затримує тільки частину просторово диспергованих іонів. Потім іони можуть проходити через третє поле, яке повторно збирає в просторі всі іони в колімований пучок, який після цього направляють на поверхню зразка 2130. Звичайно іонно-оптичні елементи, що використовуються для генерування полів, які регулюють розподіл енергії іонів, керуються електронним контролером 2190. Внаслідок селективного прикладення просторово локалізованих полів може бути забезпечений високий ступінь управління модифікованим розподілом енергії іонів, включаючи генерування розподілів енергій іонів, що характеризуються ускладненими профілями (наприклад, в багатопелюстковій конфігурації). Наприклад, в деяких варіантах реалізації внаслідок прикладення локалізованого поля, яке прискорює частину в розподілі просторово диспергованих іонів, розподіл енергії іонів, продемонстрований на фігурі 4А, може бути уширений на високоенергетичній стороні від максимуму розподілу. Інформація, що використовується електронним контролером 2190 для регулювання розподілу енергії іонів іонного пучка 2150, може включати товщину h зразка 2130, як це обговорювалося раніше. У деяких варіантах реалізації для регулювання розподілу енергії іонів іонного пучка 2150 електронний контролер 2190 може використовуватиінформацію відносно очікуваного профілю іонної дози в зразку 2130. Інформація відносно очікуваного профілю іонної дози може бути отримана, наприклад, з бази даних, яка включає результати змін профілів іонної дози, встановлені на основі літературних джерел і/або калібровочних експериментів, проведених для представницьких зразків матеріалу, з якого отримують зразок 2130. В альтернативному або додатковому варіантах інформація відносно очікуваного профілю іонної дози може бути визначена на основі математичної моделі взаємодій іонів в зразку 2130 (наприклад, моделі розсіювання іонів). 13 UA 102853 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 У певних варіантах реалізації інформація відносно очікуваного профілю іонної дози може включати інформацію відносно значення ПШПМ піка Брегга в очікуваному профілі іонної дози. Значення ПШПМ піка Брегга може бути визначене на основі результатів вимірювань профілів іонної дози і/або на основі однієї або декількох математичних моделей розсіювання іонів в зразку. Регулювання розподілу енергії іонів іонному пучку 2150 може бути проведене для зменшення різниці між товщиною h зразка 2130 і значенням ПШПМ піка Брегга. У деяких варіантах реалізації, наприклад, різниця між значенням h і повною шириною на половині максимуму піка Брегга становить 20 см і менше (наприклад, 18, 16, 14. 12, 10, 8, 6 см, 5, 4, 3, 2, 1, 0,5, 0,1, 0,05, 0,01, 0,001, 0,0001 або навіть 0,00001 см і менше або навіть нуль). У деяких варіантах реалізації система здійснення впливу іонним пучком може регулювати розподіл енергій іонів в іонному пучку 2150 іншим чином. Наприклад, система здійснення впливу іонним пучком може бути сконфігурована для фільтрування іонного пучка внаслідок видалення з іонних пучків 2150 іонів, які мають енергії, менші, ніж вибраний енергетичний поріг, і/або більші, ніж вибраний енергетичний поріг. Фігура 6 демонструє систему здійснення впливу іонним пучком 2200, яка включає фільтр іонів 2210, що обговорюється більш детально далі. Інші компоненти системи 2200 подібні компонентам системи 2100 і не будуть обговорюватися додатково. Фігура 7А демонструє розподіл енергії іонів, що відповідає іонному пучку 2150, отриманому з джерела іонів 2110. Іонний пучок 2150, що характеризуються розподілом енергії, продемонстрованим на фігурі 7А, поступають в фільтр іонів 2210, де розподіл енергії іонного пучка 2150 регулюють внаслідок відфільтровування з іонного пучка певних іонів. Наприклад, в деяких варіантах реалізації фільтр іонів 2210 може бути сконфігурований для видалення з іонного пучка 2150 іонів, які мають енергію, меншу, ніж вибраний енергетичний поріг. На фігурі 7А вибраний енергетичний поріг являє собою позицію Е 0 на піку в розподілі енергії іонів незважаючи на можливість вибору у більш загальному разі будь-якого енергетичного порога. Внаслідок відфільтровування всіх (або навіть просто великої частки) іонів, що мають енергію, меншу, ніж значення Е0, розподіл енергії іонів для іонного пучка 2150 буде являти собою те, що продемонстровано на фігурі 7В. У протилежність цьому, в деяких варіантах реалізації фільтр іонів 2210 може бути сконфігурований для видалення з іонних пучків 2150 іонів, які мають енергію, більшу, ніж вибраний енергетичний поріг (у разі реалізації фільтра іонів 2210, наприклад, у вигляді напівсферичного аналізатора). Наприклад, вибраний енергетичний поріг може відповідати позиції Е0 на піку в розподілі енергії іонів, незважаючи на можливість вибору у більш загальному разі будь-якого енергетичного порога. Внаслідок видалення з іонного пучка 2150 всіх (або навіть великої частки) іонів, що мають енергію, більшу, ніж значення Е0, розподіл енергії іонів для іонного пучка 2150 буде являти собою те, що продемонстровано на фігурі 7С. У певних варіантах реалізації зразок 2130 може бути підданий впливу безпосередньо відфільтрованого іонного пучка 2150. Внаслідок фільтрування іонного пучка, наприклад, для досягнення більш вузького розподілу енергії іонів профіль іонної дози в зразку 2130 після здійснення впливу на зразок буде більш вузьким в зіставленні з тим, що мало б місце в іншому випадку у відсутність фільтрування іонних пучків 2150. У результаті ширина піка Брегга в зразку 2130 буде меншою в зіставленні з шириною піка Брегга для невідфільтрованого іонного пучка. Внаслідок здійснення впливу на зразок 2130 при використанні більш вузького розподілу енергій падаючих іонів може бути досягнуто поліпшене управління позицією іонних пучків 2150; даний рівень управління здійсненням впливу іонами може виявитися прийнятним для використання при здійсненні впливу на різні типи матеріалівзразків, що вимагають обережного ставлення. В альтернативному варіанті, відфільтрований іонний пучок може бути потім перепущений через один або декілька розсіювальних елементів і/або один або декілька інших пристроїв для збільшення ширини розподілу енергій іонів. Даний двостадійний підхід до модифікування розподілу енергії іонів - перша стадія фільтрування з подальшою другою стадією уширення може бути використаний для отримання розподілів енергій іонів, які спеціально призначені для конкретних галузей застосування (наприклад, специфічних для певних типів іонів і/або певних матеріалів і/або певних умов попередньої обробки), досягнення чого може виявитися неможливим при використанні більш простої одностадійної методики уширення розподілу енергії. У рамках одного прикладу в результаті спочатку фільтрування іонного пучка 2150, а після цього перепускання відфільтрованого іонного пучка через один або декілька розсіювальних елементів 2170 форма розподілу енергії іонів може бути зроблена в більшій мірі гаусовою в зіставленні з тим, що було б можливим в іншому випадку при використанні тільки стадії розсіювання замість двостадійної методики. 14 UA 102853 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Фільтр іонів 2210 може включати один або декілька пристроїв з широкого асортименту різних пристроїв для видалення іонів з іонного пучка 2150. Наприклад, в деяких варіантах реалізації фільтр іонів 2210 включає напівсферичний аналізатор і апертурний фільтр. Напівсферичний аналізатор включає джерело магнітного поля, яке диспергує іони іонного пучка 2150 відповідно до їх кінетичних енергій. Після цього на шляху диспергованого іонного пучка 2150 розташовують апертурний фільтр для забезпечення проходження через апертуру тільки іонів, що характеризуються конкретним діапазоном енергій. У певних варіантах реалізації для фільтрування іонного пучка 2150 можуть бути використані інші пристрої. Наприклад, для фільтрування іонного пучка 2150 можуть бути використані поглинаючі елементи (наприклад, елементи, сконфігуровані для поглинання падаючих іонів, що мають енергії, менші, ніж вибраний енергетичний поріг). Прийнятні поглинаючі елементи включають, наприклад, металеву фольгу. У деяких варіантах реалізації для іонного пучка 2150 (і, зокрема, пік Брегга в очікуваному профілі іонної дози, отриманому відповідно до здійснення впливу на зразок 2130 іонним пучком 2150) може бути проведена розгортка за зразком 2130 для доставки вибраних доз випромінювання до різних частин зразка. У загальному випадку позиція піка Брегга в зразку 2130 може бути вибрана внаслідок регулювання середньої енергії іонного пучка 2150 (середня енергія іонного пучка 2150 звичайно відповідає максимуму в розподілі енергії іонів). Джерело іонів 2110 під управлінням електронного контролера 2190 може регулювати середню енергію іонного пучка 2150 внаслідок зміни витягуючого напруження, прикладеного для прискорення іонів в джерелі іонів. Фігура 8 являє собою схематичну діаграму, яка демонструє можливість проведення розгортки за зразком піка Брегга профілю іонної дози в зразку 2130. На першій стадії систему здійснення впливу іонами 2100 конфігурують для отримання першого іонного пучка, що має вибрану середню енергію іонів, що відповідає конкретному витягуючому напруженню, прикладеному до джерела іонів 2110. У разі здійснення впливу на зразок 2130 першим іонним пучком в зразку в результаті виникне профіль іонної дози 2010а при наявності у піка Брегга позиції 2230а. Після здійснення впливу витягуюче напруження в джерелі іонів 2110 регулюють для отримання другого іонного пучка, що має відмінну середню енергію іонів. У разі здійснення впливу на зразок 2130 другим іонним пучком в зразку в результаті виникне профіль іонної дози 2010b. Внаслідок подальшого повторення регулювання витягуючого напруження в джерелі іонів 2110 для отримання додаткових пучків, що мають відмінні середні енергії іонів (і тому характеризуються відмінними профілями іонної дози, наприклад, профілем іонної дози 2010с), і здійснення впливу на зразок 2130 додатковими пучками може бути проведена розгортка піка Брегга профілю іонної дози за зразком 2130, наприклад, в напрямку, продемонстрованому стрілкою 2220. Однак, в більш загальному випадку внаслідок зміни витягуючого напруження в джерелі іонів 2110 позиція піка Брегга в зразку 2130 може бути вибрана бажаним чином, що забезпечує доставку великих доз до вибраних областей зразка 2130 в будь-якій послідовності. У загальному випадку в доповнення до регулювання середньої енергії іонів іонного пучка або як альтернатива йому відрегульовані також можуть бути і інші властивості іонного пучка 2150. Наприклад, в деяких варіантах реалізації для управління профілем іонної дози в зразку 2130 може бути відрегульований кут розходження іонного пучка 2150 на поверхні зразка 2130. У загальному випадку внаслідок збільшення кута розходження іонного пучка 2150 на поверхні зразка 2130 може бути збільшена повна ширина на половині максимуму піка Брегга в зразку 2130. Таким чином, в певних варіантах реалізації внаслідок регулювання кута розходження іонних пучків середня енергія іонного пучка може бути збережена, але профіль іонної дози в матеріалі - в тому числі позиція піка Брегга - може бути змінений. Кут розходження може бути відрегульований в автоматичному режимі або при використанні електронного контролера 2190 під контролем оператора. Звичайно оптичні елементи 2120 включають один або декілька елементів управління іонним пучком, таких як квадрупольні і/або октупольні дефлектори. Внаслідок регулювання потенціалів, прикладених до різних електродів таких дефлекторів, може бути відрегульований кут розходження (і кут падіння) іонного пучка 2150 на поверхні зразка 2130. У деяких варіантах реалізації - на відміну від інших галузей застосування іонних пучків, таких як хірургічне втручання - вигідним може виявитися використання іонних пучків, що характеризуються відносно великими кутами розходження, що забезпечує покриття піком Брегга, що позиціонується в зразку 2130, прийнятної частки товщини зразка 2130. Наприклад, в певних варіантах реалізації зразок 2130 може бути підданий впливу іонного пучка, що характеризуються кутом розходження, що дорівнює 2 градусам і більше (наприклад, 5, 10, 15, 20, 30, 40 або навіть 50 градусів і більше). 15 UA 102853 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 У деяких варіантах реалізації як струм іонного пучка у іонного пучка 2150, так і середня енергія іонів іонного пучка 2150 можуть бути відрегульовані для доставки відносно постійної дози в залежності від товщини h зразка 2130. Наприклад, у разі здійснення впливу на зразок 2130 відповідно до послідовних профілів іонної дози 2010а, 2010b і 2010с на фігурі 8 результуючий профіль іонної дози в зразку 2130 буде відповідати сумі профілів 2010а-с, що продемонстровано на фігурі 9А. Виходячи з результуючого профілю іонної дози фігури 9А очевидним є сприйняття певними областями зразка 2130 більш значних результуючих доз в зіставленні з тим, що має місце в інших областях зразка 2130. Різниці результуючої дози можуть бути зменшені внаслідок регулювання струму іонного пучка у іонного пучка 2150 спільно з регулюваннями середньої енергії іонів. Струм іонного пучка може бути відрегульований в джерелі іонів 2110 під управлінням електронного контролера 2190. Наприклад, для зменшення різниці результуючої дози, що доставляється в зразок 2130 у разі проведення розгортки піка Брегга за зразком 2130 в напрямку, вказаному стрілкою 2220 на фігурі 8, струм іонного пучка може бути послідовно зменшений для кожного послідовного зменшення енергії іонного пучка. Як профілі 2010d-f на фігурі 9В продемонстровані, відповідно, три профілі іонної дози, при цьому кожний з них відповідає послідовним зменшенням як середньої енергії іонів, так і іонного струму у іонного пучка 2150. Результуючий профіль іонної дози в зразку 2130, який є результатом даних трьох послідовних впливів, продемонстрований на фігурі 9С. Результуючий профіль іонної дози демонструє значно знижену варіацію в залежності від позиції в зразку 2130 в зіставленні з тим, що має місце для результуючого профілю іонної дози фігури 9А. Внаслідок ретельного управління середніми енергією і іонним струмом іонного пучка 2150 варіації результуючої відносної іонної дози по товщині зразка 2130 після здійснення впливу на зразок іонним пучком 2150 можуть бути відносно невеликими. Наприклад, різниця між максимальною результуючою відносною іонною дозою і мінімальною результуючою відносною іонною дозою в зразку 2130 після декількох впливів іонного пучка 2150 може становити 0,2 і менше (наприклад, 0,15, 0,1, 0,05, 0,04, 0,03, 0,02, 0,01 або навіть 0,005 і менше). Внаслідок управління середніми енергією і іонним струмом іонного пучка 2150 кожна частина підданого впливу зразка після декількох впливів іонного пучка може сприймати результуючу дозу в діапазоні від 0,001 Мрад до 100 Мрад (наприклад, від 0,005 Мрад до 50 Мрад, від 0,01 Мрад до 50 Мрад, від 0,05 Мрад до 30 Мрад, від 0,1 Мрад до 20 Мрад, від 0,5 Мрад до 20 Мрад або від 1 Мрад до 10 Мрад). У деяких варіантах реалізації зразок 2130 може бути підданий впливу різних типів іонів. Зразок 2130 може бути послідовно підданийвпливу тільки одного типу іона за один раз, або вплив на зразок 2130 може включати здійснення впливу на зразок 2130 одним або декількома іонними пучками, які включають два і більше різних типів іонів. Різні типи іонів виготовляють в підданому впливу матеріалі різні профілі іонної дози, і внаслідок здійснення впливу на зразок різними типами іонів може бути реалізований конкретний результуючий профіль іонної дози в зразку. Фігура 10А демонструє схематичну діаграму, що ілюструє три різних профілі іонної дози 2010g-i, які є результатом здійснення впливу на зразок 2130 трьома різними типами іонів. Профілі іонної дози 2010g-i можуть бути отримані внаслідок послідовного здійснення впливу на зразок кожним одним з різних типів іонів або внаслідок одночасного здійснення впливу на зразок двома або навіть всіма трьома різними типами іонів. Результуючий профіль іонної дози в зразку 2130, який є результатом здійснення впливу трьома різними типами іонів, продемонстрований на фігурі 10В. Варіації результуючого профілю іонної дози в залежності від товщини зразка зменшуються в зіставленні з тим, що має місце для будь-якого одного з індивідуальних профілів іонної дози, продемонстрованих на фігурі 10А. У деяких варіантах реалізації різні типи іонів можуть включати іони різного атомного складу. Наприклад, різні типи іонів можуть включати протони, іони вуглецю, іони кисню, гідридні іони, іони азоту, іони хлору, іони фтору, іони аргону, іони неону, іони криптону і різні типи іонів металів, такі як іони натрію, іони кальцію і іони літію. У загальному випадку для обробки зразка 2130 може бути використаний будь-який з даних різних типів іонів, і кожний буде створювати в зразку відмінний профіль іонної дози. У певних варіантах реалізації іони можуть бути генеровані із звичайно доступних газів, таких як повітря. У разі використання як газ-джерела повітря може бути генерована множина різних типів іонів. Різноманітні відмінні типи іонів можуть бути відділені один від одного перед здійсненням ними впливу на зразок 2130, або зразок 2130 може бути підданий впливу декількох різних типів іонів, генерованих з газу-джерела, такого як повітря. У деяких варіантах реалізації різні типи іонів можуть включати іони, що мають різні заряди. Наприклад, різні типи іонів можуть включати різні позитивні і/або негативні іони. Крім того, різні типи іонів можуть включати іони, що є одно- і/або багатозарядними. У загальному випадку 16 UA 102853 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 позитивні і негативні іони одних і тих же хімічних частинок можуть приводити до отримання різних профілів іонної дози в конкретному зразку, і до отримання різних профілів іонної дози в конкретному зразку можуть приводити іони одних і тих же хімічних частинок, які мають різні величини заряду (наприклад, є однозарядними, двозарядними, тризарядними, чотиризарядними). Внаслідок здійснення впливу на зразок декількома різними типами іонів можна ретельно і селективно управляти зміною в зразку, наприклад, руйнуванням зразка (наприклад, деполімеризацією, деструкцією ланцюга і/або зменшенням молекулярної маси), функціоналізацією або іншою структурною зміною. У деяких варіантах реалізації система здійснення впливу іонним пучком може регулювати склад іонного пучка, виходячи з матеріалу зразка. Наприклад, певні типи зразка, такі як целюлозна біомаса, включають велику концентрацію гідроксильних фрагментів. Відповідно до цього, ефективна глибина проникнення певних типів іонів - зокрема, протонів - в такі матеріали може бути значно більшою в зіставленні з тим, чого можна було б чекати в іншому випадку виходячи тільки лише з енергії іонів. Перескакування протона від одного активного центра до іншого і інші подібні переміщення атомів можуть значно збільшити рухливість таких іонів в зразку, що ефективно збільшує глибину проникнення падаючих іонів. Крім того, підвищена рухливість іонів в зразку може привести до уширення піка Брегга. Система здійснення впливу іонним пучком може бути сконфігурована для відбору конкретних типів іонів з метою здійснення впливу на певні зразки, беручи до уваги хімічні і структурні ознаки зразка. Крім того, система здійснення впливу іонним пучком може бути сконфігурована для обліку очікуваних взаємодій між іонним пучком і матеріалом при визначенні способів модифікування інших параметрів іонного пучка, таких як розподіл енергій іонів в ньому. Один важливий аспект систем і способів іонного пучка, що описуються в цьому документі, полягає в тому, що системи, що описуються і способи роблять можливими здійснення на біомасу впливу іонами в присутності одного або декількох додаткових текучих середовищ (наприклад, газів і/або рідин). Звичайно, наприклад, при здійсненні впливу на матеріал іонним пучком вплив чинять в середовищі зниженого тиску, такому як у разі вакуумної камери. Середовище зниженого тиску використовують для зменшення або запобігання забрудненню підданого впливу матеріалу, а також для зменшення або запобігання розсіювання іонним пучком молекулами газу. Однак, на жаль, здійснення впливу на матеріали іонним пучком в закритих середовищах, таких як вакуумна камера, значно обмежує потенційну продуктивність крупномасштабної переробки матеріалів. Як необхідно розуміти, в системах і способах, тих, що описуються в цьому документі, здійснення впливу на біомасу іонним пучком в присутності одного або декількох додаткових текучих середовищ може збільшити ефективність обробки біомаси. У доповнення до цього, здійснення впливу на біомасу іонним пучком у відкритому середовищі (наприклад, на повітрі при нормальному атмосферному тиску) забезпечує отримання набагато більшої продуктивності в зіставленні з тим, що було б можливим в іншому випадку в середовищі зниженого тиску. Як обговорювалося раніше, в деяких варіантах реалізації біомасу піддають впливу іонного пучка в присутності текучого середовища, такого як повітря. Іони, прискорені в будь-якому одному або декількох типах прискорювачів, що описуються в цьому документі, (або іншому типі прискорювача) виводять з прискорювача через вихідний отвір (наприклад, тонку мембрану, таку як металева фольга), перепускають через об'єм простору, зайнятого текучим середовищем, а після цього забезпечують їх падіння на матеріал біомаси. У доповнення до безпосередньої обробки біомаси деякі з іонів генерують додаткові хімічні частинки внаслідок взаємодії з частинками текучого середовища (наприклад, іони і/або радикали, генеровані з різних компонентів повітря). Дані генеровані хімічні частинки також можуть взаємодіяти з біомасою і можуть виконувати функцію ініціаторів для широкого асортименту різних реакцій руйнування хімічних зв'язків в біомасі (наприклад, деполімеризації і інших реакцій деструкції ланцюга). У певних варіантах реалізації додаткові текучі середовища можуть бути селективно введені на шляху іонного пучка до падіння іонного пучка на біомасу. Як обговорювалося раніше, реакції між іонами і частинками введених текучих середовищ можуть генерувати додаткові хімічні частинки, які вступають в реакцію з біомасою і можуть сприяти зменшенню молекулярної маси біомаси і/або в іншому випадку селективній зміні певних властивостей біомаси. Одне або декілька додаткових текучих середовищ можуть бути направлені на шлях іонного пучка, наприклад, з живильної труби. Напрямок (тобто, вектор текучого середовища) і витрата текучого середовища (середовищ), яке вводять, можуть бути вибрані відповідно до бажаних ступеня і/або напрямку впливу з точки зору управління ефективністю сукупної обробки біомаси, включаючи як ефекти, які є результатом обробки, що базується на використанні іонів, так і ефекти, які обумовлюються взаємодією між динамічно генерованими частинками з введеного 17 UA 102853 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 текучого середовища і біомасою. У доповнення до повітря приклади текучих середовищ, які можуть бути введені в іонний пучок, включають кисень, азот, один або декілька благородних газів, один або декілька галогенів і водень. У деяких варіантах реалізації для обробки біомаси можуть бути використані іонні пучки, які включають більш, ніж один відмінний тип іонів. Внаслідок об'єднання двох і більше різних пучків, кожний з яких утворений одним типом іона, можуть бути генеровані пучки, які включають декілька різних типів іонів. В альтернативному або додатковому випадках в певних варіантах реалізації іонні пучки, які включають множину різних типів іонів, можуть бути генеровані внаслідок введення багатокомпонентного живильного газу в джерело і/або прискорювач іонів. Наприклад, для генерування іонних пучків, що включає різні типи іонів, в тому числі іони азоту, іони кисню, іони аргону, іони вуглецю і інші типи іонів, може бути використаний багатокомпонентний газ, такий як повітря. Для генерування іонних пучків, що мають різні склади, можуть бути використані інші багатокомпонентні матеріали (наприклад, гази, рідини і тверді речовини). Для відфільтровування певних іонних компонентів і/або нейтральних частинок з метою селективного отримання іонного пучка, що має конкретний склад, який після цього може бути використаний для обробки біомаси, можуть бути використані фільтруючі елементи (наприклад, напівсферичні електростатичні фільтри). Внаслідок використання повітря як джерела для отримання іонних пучків при обробці біомаси можуть бути зменшені експлуатаційні витрати для системи обробки в зіставленні з тим, що має місце для систем, які, наприклад, базуються на використанні чистих матеріалах. Певні типи матеріалів біомаси можуть виявитися такими, що особливо добре піддаються обробці множиною різних типів іонів і/або по множині різних способів переробки. Наприклад, целюлозні матеріали звичайно включають кристалічні полімерні целюлозні ланцюги, які зшиті аморфною геміцелюлозною фракцією. Целюлоза і геміцелюлоза впроваджені в аморфну лігнінову матрицю. Відділення целюлозної фракції від лігніну і геміцелюлози при використанні звичайних способів скрутно і може виявитися енергоємним. Однак, целюлозна біомаса може бути піддана обробці множиною різних типів іонів для руйнування і розділення різних компонентів в ній для подальшої переробки. Зокрема, для переробки целюлозної біомаси (і інших типів біомаси) з метою селективного розкладання і розділення її компонентів можуть бути використані хімічні властивості різних типів іонних частинок. Наприклад, позитивно заряджені іони - а, зокрема, протони - при здійсненні ними впливу на матеріал біомаси виконують функцію кислот. Навпаки, негативно заряджені іони, зокрема, гідридні іони, при здійсненні ними впливу на матеріал біомаси виконують функцію основ. У результаті хімічні властивості даних частинок можуть бути використані для націлювання на конкретні компоненти біомаси, що піддається обробці. У разі обробки лігноцелюлозної біомаси, наприклад, лігнінова матриця звичайно буде розкладатися в присутності основних хімічних реагентів. Відповідно до цього, в результаті спочатку обробки целюлозної біомаси основними іонами, такими як гідридні іони (або електрони) з іонного (електронного) пучка, лігнінова фракція може бути піддана переважному розкладанню і відділенню від целюлозних і геміцелюлозних фракцій. На целюлозу така обробка іонами впливу відносно не чинить, оскільки целюлоза звичайно стабільна в присутності основних добавок. У доповнення до обробки негативними іонами (або як альтернатива обробці негативними іонами) лігноцелюлозна біомаса може бути піддана обробці однією або декількома основними добавками в розчині для сприяння відділенню лігніну. Наприклад, обробка лігноцелюлозної біомаси розчином бікарбонату натрію може привести до розкладання і/або солюбілізації лігніну, що робить можливим відділення сольватованого і/або суспендованого лігніну від целюлозної і геміцелюлозної фракцій. Обробка негативними іонами при використанні іонного пучка також може сприяти відділенню і геміцелюлози, яка також є хімічно чутливою до основних хімічних реагентів. В залежності від конкретної структури целюлозної біомаси для ефективного відділення геміцелюлозної фракції від целюлозної фракції може бути використана (і/або може виявитися необхідною) більш, ніж одна обробка негативними іонами. У доповнення до цього, для відділення геміцелюлози може бути використаний більш, ніж один тип іона. Наприклад, для обробки целюлозної біомаси з метою розкладання і/або видалення лігнінової фракції може бути використаний пучок відносно менш основних іонів, такий як пучок іонів кисню. Після цього для розкладання і відділення геміцелюлози від целюлози може бути використаний пучок іонів більш сильних основ, такий як пучок гідридних іонів. Внаслідок здійснення впливу двома різними типами основних іонів целюлозна фракція залишається відносно незмінною. 18 UA 102853 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Однак, целюлозна фракція розкладається в присутності кислотних добавок. Відповідно до цього, додаткова стадія переробки може включати здійснення впливу на целюлозну фракцію одним або декількома кислотними іонами, такими як протони, з іонного пучка для сприяння деполімеризації і/або розкладання целюлозної фракції. У кожному разі попередніх обробок іонним пучком і способів, що описуються в цьому документі, вони можуть бути використані в комбінації з іншими стадіями переробки. Наприклад, стадії розділення (що включають введення розчинника, такого як вода) можуть бути використані для вимивання конкретних фракцій целюлозної біомаси по мірі її розкладання. Для сприяння відділенню різних компонентів можуть бути додані додаткові хімічні добавки. Наприклад, згідно з спостереженнями лігнін, який відділяють від целюлозної і геміцелюлозної фракцій, може бути суспендований в промивному розчині. Однак, лігнін легко може повторно осідати з розчину на целюлозні і геміцелюлозні фракції. Для уникнення повторного осадження лігніну суспензія може бути обережно нагріта для забезпечення витримування лігніну нижче його температури скловання і тому витримування його в текучому стані. Внаслідок витримування лігніну нижче його температури скловання лігнін може бути легше вимитий з целюлозної біомаси. У загальному випадку нагріванням суспензії ретельно управляють щоб уникнути термічного розкладання цукру в целюлозній фракції. У доповнення до цього, для видалення лігніну з целюлози і геміцелюлози можуть бути використані і інші стадії обробки. Наприклад, в певних варіантах реалізації лігноцелюлозна біомаса спочатку може бути піддана обробці відносно важкими іонами (наприклад, іонами вуглецю, іонами кисню) для розкладання лігніну, а після цього целюлоза і геміцелюлоза можуть бути піддані обробці відносно легкими іонами (наприклад, протонами, іонами гелію) і/або електронами для стимулювання розкладання целюлози і/або геміцелюлози. У деяких варіантах реалізації до суспензії, що містить лігнін, можуть бути додані одна або декілька функціоналізуючих добавок для поліпшення розчинності лігніну в розчині і, тим самим, створення перешкод для його повторного осадження на целюлозній і геміцелюлозній фракціях. Наприклад, для функціоналізації лігніну (для ведення аміно- і гідрокіл/алкокси-групи, відповідно) можуть бути використані добавки, такі як газоподібний аміак і/або різні типи спиртів. У певних варіантах реалізації до суспензії лігніну для запобігання повторному осадженню лігніну на целюлозні і геміцелюлозні фракції можуть бути додані структурні добавки. Звичайно при формуванні лігніном матриці, що оточує целюлозу і/або геміцелюлозу, лігнін набуває сильноскладчатої структури, яка забезпечує реалізацію відносно обширних взаємодій Ван-дерВаальса з целюлозою і геміцелюлозою. У протилежність цьому, при відділенні лігніну від целюлози і геміцелюлози лігнін набуває більш відкритої, розгорненої структури. Внаслідок додавання до суспензії лігніну однієї або декількох добавок, які сприяють запобіганню повторному складанню лігніну, для повторної асоціації лігніну з целюлозою і геміцелюлозою можуть бути створені перешкоди, і лігнін може бути більш ефективно видалений, наприклад, внаслідок промивання. У деяких варіантах реалізації до біомаси перед опроміненням яких-небудь хімічних реагентів, наприклад, добавок, що сприяють набуханню, не додають. Наприклад, перед опроміненням або іншою переробкою можуть бути, а можуть і не бути додані лужні речовини (такі як гідроксид натрію, гідроксид калію, гідроксид літію і гідроксиди амонію), підкислювачі (такі як мінеральні кислоти (наприклад, сірчана кислота, хлористоводнева кислота і фосфорна кислота)), солі, такі як хлорид цинку, карбонат кальцію, карбонат натрію, сульфат бензилтриметиламонію, або основні органічні аміни, такий як етилендіамін. У деяких випадках якої-небудь додаткової кількості води не додають. Наприклад, біомаса перед переробкою може містити менше ніж 0,5 % мас. доданих хімічних реагентів, наприклад, менше, ніж 0,4, 0,25, 0,15 або 0,1 % мас. доданих хімічних реагентів. У деяких випадках біомаса перед опроміненням містить не більше, ніж слідові кількості, наприклад, менше ніж 0,05 % мас., доданих хімічних реагентів. В інших випадках біомаса перед опроміненням по суті не містить яких-небудь доданих хімічних реагентів або добавок, що сприяють набуханню. Можливість уникати використання таких хімічних реагентів також може бути поширена і на всю переробку, наприклад, на будь-який період часу перед ферментацією або просто на будь-який період часу. Різні способи попередньої обробки іонним пучком, що описуються в цьому документі, можуть бути використані спільно з іншими методиками попередньої обробки, такими як обробка ультразвуковими хвилями, опромінення електронним пучком, електромагнітне опромінення, обробка водяною парою, хімічні способи і біологічні способи. Методики, що використовують іонні пучки, забезпечують досягнення значних переваг, включаючи можливість здійснення впливу іонними пучками на сухі зразки, доставки великих доз випромінювання до зразків за 19 UA 102853 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 короткі періоди часу для високопродуктивних галузей застосування і реалізації відносно прецизійного управління умовами впливу. Нейтралізація активних центрів і функціоналізація, що контролюється Після обробки іонізуючим випромінюванням матеріали, що описуються в цьому документі, стають іонізованими; тобто, вони містять радикали при рівнях вмісту, які можуть бути виявлені при використанні спектрометра електронного парамагнітного резонансу. Існуюча практична 14 межа виявлення радикалів становить приблизно 10 спінів при кімнатній температурі. Після іонізації будь-який матеріал, який був іонізований, може бути підданий нейтралізації активних центрів для зменшення рівня вмісту радикалів в іонізованому матеріалі, наприклад, такого, щоб радикали більше вже не можна було б виявити при використанні спектрометра електронного парамагнітного резонансу. Наприклад, радикали можуть бути нейтралізовані внаслідок додавання до матеріалу достатнього тиску і/або внаслідок використання в контакті з іонізованим матеріалом текучого середовища, такого як газ або рідина, яка вступає в реакцію з радикалами (нейтралізувати їх). Використання газу або рідини щонайменше для сприяння нейтралізації радикалів також дозволяє оператору управляти функціоналізацією іонізованого матеріалу при використанні бажаних кількості і типу функціональних груп, таких як карбокислотні групи, енольні групи, альдегідні групи, нітрогрупи, нітрильні групи, аміногрупи, алкіламіногрупи, алкільні групи, хлоралкільні групи або хлорфторалкільні групи. У деяких випадках така нейтралізація активних центрів може поліпшити стабільність деяких іонізованих матеріалів. Наприклад, нейтралізація активних центрів може поліпшити стійкість матеріалу до окиснення. Функціоналізація внаслідок нейтралізації активних центрів також може поліпшити розчинність матеріалів, що описуються в цьому документі, може поліпшити термостійкість матеріалу і може поліпшити ступінь використання матеріалу різними мікроорганізмами. Наприклад, функціональні групи, введені в матеріал біомаси внаслідок нейтралізації активних центрів, можуть виконувати функцію рецепторних ділянок для приєднання мікроорганізмів, наприклад, для поліпшення гідролізу целюлози різними мікроорганізмами. Таким чином, молекулярна і/або надмолекулярна структура вихідної сировини процесу може бути змінена внаслідок попередньої обробки вихідної сировини процесу іонізуючим випромінюванням, таким як у разі електронів або іонів, що мають енергію, достатню для іонізації вихідної сировини процесу з метою отримання першого рівня вмісту радикалів. У разі витримування іонізованої вихідної сировини процесу в атмосфері вона буде окислюватися, що, наприклад, буде спричиняти утворення карбокислотних груп внаслідок проходження реакції з атмосферним киснем. У деяких випадках для деяких матеріалів таке окиснення є бажаним, оскільки воно може сприяти додатковому зменшенню молекулярної маси, наприклад, вуглецьвмісної біомаси, і групи, що утворюється при окисненні, наприклад, карбокислотні групи, можуть виявитися корисними з точки зору розчинності і ступеня використання мікроорганізмами. Однак, внаслідок здатності радикалів залишатися "живими" протягом деякого періоду часу після опромінення, наприклад, більшого, ніж 1 день, 5 днів, 30 днів, 3 місяці, 6 місяців, або навіть більшого, ніж 1 рік, властивості матеріалу можуть продовжувати змінюватися протягом часу, що в деяких випадках може виявитися небажаним. Виявлення радикалів в опромінених зразках по методу спектроскопії електронного парамагнітного резонансу і часу життя радикалів в таких зразках обговорюються в публікаціях Bartolotta et al., Physics in Medicine and Biology, 46 (2001), 461-471 і Bartolotta et al., Radiation Protection Dosimetry Vol. 84, Nos. 1-4 pp. 293-296 (1999). Іонізований матеріал може бути підданий нейтралізації активних центрів для його функціоналізації і/або стабілізації. У будь-який момент, наприклад, коли матеріал буде "живим", "частково живим" або повністю нейтралізованим відносно активних центрів, матеріал може бути перетворений в продукт, наприклад, паливо, продукт харчування або композит. У деяких варіантах реалізації нейтралізація активних центрів включає дія тиском, так як внаслідок механічного деформування матеріалу, наприклад, безпосереднього механічного стиснення матеріалу по одному, двом або трьом розмірам, або прикладання тиску до текучого середовища, в яку матеріал занурюють, наприклад, ізостатичного пресування. У таких випадках саме деформування матеріалу призводить до утворення радикалів, які часто захоплюються в кристалічних доменах в достатній близькості один від одного, так що радикали можуть рекомбінувати або вступати в реакцію з іншою групою. У деяких випадках тиск прикладають спільно з підведенням тепла, такого як тепло в кількості, достатній для збільшення температури матеріалу вище за температуру плавлення або температури розм'якшення компонента матеріалу, такого як лігнін, целюлоза або геміцелюлоза у разі матеріалу біомаси. Тепло може поліпшити молекулярну рухливість в матеріалі, що може сприяти нейтралізації радикалів. У разі використання тиску для нейтралізації активних центрів тиск може бути більшим, ніж приблизно 2 2 1000 фунт/дюйм (6890 кПа), таким як більш, ніж приблизно 1250 фунт/дюйм (8620 кПа), 1450 20 UA 102853 C2 2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 2 2 фунт/дюйм (10000 кПа), 3625 фунт/дюйм (25000 кПа), 5075 фунт/дюйм (35000 кПа), 7250 2 2 фунт/дюйм (50000 кПа), 10000 фунт/дюйм (68900 кПа), або навіть більше, ніж 15000 2 фунт/дюйм (103000 кПа). У деяких варіантах реалізації нейтралізація активних центрів включає введення матеріалу в контакт з текучим середовищем, таким як рідина або газ, наприклад, газ, здатний вступати в реакцію з радикалами, такий як ацетилен або суміш ацетилену з азотом, етилен, хлоровані етилени або хлорфторетилени, пропілен або суміші даних газів. В інших конкретних варіантах реалізації нейтралізація активних центрів включає введення матеріалу, наприклад, біомаси, в контакт з рідиною, наприклад, рідиною, розчинною в біомасі або щонайменше здатній проникати в біомасу і вступати в реакцію з радикалами, такою як дієн, такою як 1,5циклооктадієн. У деяких конкретних варіантах реалізації нейтралізація активних центрів включає введення біомаси в контакт з антиоксидантом, таким як вітамін Е. При бажанні вихідна сировина процесу може включати антиоксидант, диспергований в ньому, і нейтралізація активних центрів може виникати внаслідок входження антиоксиданту, диспергованого у вихідній сировині процесу, в контакт з радикалами. Можливі й інші способи нейтралізації активних центрів. Наприклад, для нейтралізації активних центрів в будь-якому іонізованому матеріалі, що описується в цьому документі, може бути використаний будь-який спосіб нейтралізації радикалів в полімерних матеріалах, що описується в публікації патентної заявки США № 2008/0067724 авторів Muratoglu et al. і патенті США № 7166650 авторів Muratoglu et al… Крім того, для нейтралізації активних центрів в будьякому іонізованому матеріалі можуть бути використані будь-який нейтралізатор активних центрів (що описується у вищезазначених описах автора Muratoglu під найменуванням "сенсибілізатора") і/або будь-який антиоксидант, що описується в будь-якому посиланні автора Muratoglu. Функціоналізація може бути поліпшена внаслідок використання важких заряджених іонів, таких як будь-які більш з важких іонів, що описуються в цьому документі. Наприклад, у разі бажаності поліпшення окиснення для опромінення можуть бути використані заряджені іони кисню. У разі бажаності наявності азотвмісних функціональних груп можуть бути використані іони азоту або іони, які включають азот. Подібним же чином, у разі бажаності наявності сіркоабо фосфорвмісних груп при опроміненні можуть бути використані сірко- або фосфорвмісні іони. У деяких варіантах реалізації після нейтралізації активних центрів будь-які піддані нейтралізації активних центрів матеріали, що описуються в цьому документі, для додаткової зміни молекулярної і/або надмолекулярної структури можуть бути додатково піддані обробці при використанні одного або декількох варіантів, що вибирають з обробки випромінюванням, таким як іонізуюче або неіонізуюче випромінювання, обробки ультразвуковими хвилями, піролізу і окиснення. У конкретних варіантах реалізації функціоналізовані матеріали, що описуються в цьому документі, піддають обробці кислотою, основою, нуклеофілом або кислотою Льюїса для додаткової зміни молекулярної і/або надмолекулярної структури, такої як додаткове зменшення молекулярної маси. Приклади кислот включають органічні кислоти, такі як оцтова кислота, і мінеральні кислоти, така як хлористоводнева, сірчана і/або азотна кислота. Приклади основ включають сильні мінеральні основи, такі як джерело гідроксидного іона, основних іонів, такого як фторидний іон, або більш слабкі органічні основи, такий як аміни. Навіть вода і бікарбонат натрію, наприклад, при розчиненні у воді, можуть забезпечити зміну молекулярної і/або надмолекулярної структури, таку як додаткове зменшення молекулярної маси. Функціоналізовані матеріали можуть бути використані як матеріали підкладок для імобілізації мікроорганізмів і/або ферментів в сфері біотехнології, наприклад, як це описується в попередніх заявках США з реєстраційними номерами 61/180032 і 61/180019, описи яких за допомогою посилання включаються в цей документ. В об'єм формули винаходу, що слідує далі, попадають і інші варіанти реалізації. Наприклад, при використанні способів, що описуються в цьому документі, переробці можуть бути піддані матеріали, що не є біомасою, і суміші матеріалів біомаси і матеріалів, що не є біомасою. Приклади матеріалів, що не є біомасою, які можуть бути піддані переробці, включають вуглеводеньвмісні матеріали, такі як нафтоносні піски, нафтоносні сланці, бітумінозні піски, бітум, вугілля і інші такі суміші вуглеводнів і невуглеводневих матеріалів. При використанні способів, що описуються в цьому документі, переробці може бути піддана множина інших матеріалів, що є біомасою і, що не є біомасою, в тому числі торф, лігнін, вугілля попередньої вуглефікації і матеріали, що закам'яніли і/або карбонізовані. 60 21 UA 102853 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 1. Спосіб зміни молекулярної структури целюлозного або лігноцелюлозного матеріалу, що включає: одержання іонного пучка, що характеризується першим розподілом енергій іонів, що демонструє повну ширину на половині максимуму W, регулювання енергій щонайменше деяких з іонів, виходячи з товщини целюлозного або лігноцелюлозного матеріалу, для одержання другого розподілу енергій іонів в іонному пучку, що демонструє повну ширину на половині максимуму, більшу ніж значення W, і здійснення впливу на целюлозний або лігноцелюлозний матеріал відрегульованим іонним пучком. 2. Спосіб за п. 1, де повна ширина на половині максимуму для другого розподілу є більшою, ніж значення W, з коефіцієнтом, що дорівнює 2,0 і більше. 3. Спосіб за п. 1, де повна ширина на половині максимуму для другого розподілу є більшою, ніж значення W, з коефіцієнтом, що дорівнює 4,0 і більше. 4. Спосіб за п. 1, де регулювання енергій щонайменше деяких з іонів включає спрямування іонів на проходження через розсіювальний елемент. 5. Спосіб за п. 1, де регулювання енергій щонайменше деяких з іонів включає спрямування іонів на проходження через напівсферичний аналізатор. 6. Спосіб за п. 1, де перед падінням на целюлозний або лігноцелюлозний матеріал відрегульований іонний пучок проходить через текуче середовище. 7. Спосіб за п. 6, де текуче середовище являє собою повітря при тиску, що дорівнює 0,5 атмосфери і більше. 8. Спосіб за п. 1, де іонний пучок включає два і більше різних типів іонів. 9. Спосіб за п. 8, де два і більше різних типів іонів включають іони водню і іони вуглецю. 10. Спосіб за п. 8, де два і більше різних типів іонів включають іони водню і іони кисню. 11. Спосіб зміни молекулярної структури целюлозного або лігноцелюлозного матеріалу, що включає: одержання іонного пучка, що характеризується розподілом енергій іонів, що демонструє повну ширину на половині максимуму W, спрямування іонного пучка на проходження через розсіювальний елемент, сконфігурований для збільшення повної ширини на половині максимуму розподілу енергій іонів до значення, більшого ніж значення W, та здійснення впливу на целюлозний або лігноцелюлозний матеріал іонним пучком після проходження іонного пучка через розсіювальний елемент. 12. Спосіб зміни молекулярної структури целюлозного або лігноцелюлозного матеріалу, що включає: одержання іонного пучка, що характеризується розподілом енергій іонів, що демонструє найбільш ймовірну енергію Е, фільтрування іонного пучка для видалення з іонного пучка щонайменше деяких з іонів, що мають енергію, меншу ніж значення Е, та здійснення впливу на целюлозний або лігноцелюлозний матеріал відфільтрованим іонним пучком. 13. Спосіб за п. 12, де фільтрування іонного пучка містить спрямування іонного пучка на проходження через металеву фольгу. 14. Спосіб за п. 12, де фільтрування іонного пучка містить спрямування іонного пучка на проходження через напівсферичний аналізатор. 15. Спосіб зміни молекулярної структури целюлозного або лігноцелюлозного матеріалу, що включає: одержання іонного пучка, що характеризується розподілом енергій іонів; регулювання розподілу енергій іонів, виходячи з очікуваного профілю іонної дози в целюлозному або лігноцелюлозному матеріалі, та здійснення впливу на целюлозний або лігноцелюлозний матеріал відрегульованим іонним пучком. 16. Спосіб зміни молекулярної структури целюлозного або лігноцелюлозного матеріалу, що включає: одержання іонного пучка, що характеризується розподілом енергій іонів, регулювання розподілу енергій іонів, виходячи з повної ширини на половині максимуму (ПШПМ) піка Брегга очікуваного профілю іонної дози в целюлозному або лігноцелюлозному матеріалі, та здійснення впливу на целюлозний або лігноцелюлозний матеріал відрегульованим іонним пучком, 22 UA 102853 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 де регулювання включає збільшення значення ПШПМ, достатнє для зменшення різниці між товщиною целюлозного або лігноцелюлозного матеріалу біомаси і значенням ПШПМ. 17. Спосіб за п. 16, де регулювання включає спрямування іонного пучка на проходження через розсіювальний елемент. 18. Спосіб за п. 16, де після регулювання різниця між товщиною целюлозного або лігноцелюлозного матеріалу і значенням ПШПМ становить 0,01 сантиметра і менше. 19. Спосіб зміни молекулярної структури целюлозного або лігноцелюлозного матеріалу, що включає: одержання першого іонного пучка з джерела іонів, при цьому перший іонний пучок характеризується першою середньою енергією іонів, здійснення впливу на целюлозний або лігноцелюлозний матеріал першим іонним пучком, регулювання джерела іонів для одержання другого іонного пучка, що характеризується другою середньою енергією іонів, відмінною від першої середньої енергії іонів, та здійснення впливу на целюлозний або лігноцелюлозний матеріал другим іонним пучком. 20. Спосіб за п. 19, де перший іонний пучок характеризується першою середньою енергією іонів, що відповідає першій позиції піка Брегга на очікуваному профілі іонної дози в целюлозному або лігноцелюлозному матеріалі, а другий іонний пучок характеризується другою середньою енергією іонів, що відповідає другій позиції піка Брегга, яка відрізняється від першої позиції. 21. Спосіб зміни молекулярної структури целюлозного або лігноцелюлозного матеріалу, що включає: одержання іонного пучка з джерела іонів, при цьому іонний пучок включає перший тип іонів і другий тип іонів, відмінний від першого типу іонів, та здійснення впливу на целюлозний або лігноцелюлозний матеріал іонним пучком. 22. Спосіб зміни молекулярної структури целюлозного або лігноцелюлозного матеріалу, що включає: одержання іонного пучка, та здійснення впливу на питому поверхню целюлозного або лігноцелюлозного матеріалу іонним пучком, де кут розходження іонного пучка на поверхні його падіння на целюлозний або лігноцелюлозний матеріал становить 10 градусів і більше. 23. Спосіб за п. 22, де кут розходження складає 20 градусів і більше. 24. Спосіб зміни молекулярної структури целюлозного або лігноцелюлозного матеріалу, що включає: регулювання джерела іонів для отримання іонного пучка, що характеризується середнім іонним потоком і середньою енергією іонів, та здійснення впливу на целюлозний або лігноцелюлозний матеріал іонним пучком, де джерело іонів регулюють, виходячи з очікуваного профілю іонної дози в целюлозному або лігноцелюлозному матеріалі, і де кожна частина целюлозного або лігноцелюлозного матеріалу в результаті здійснення впливу іонним пучком отримує дозу випромінювання в діапазоні від 0,01 Мрад до 50 Мрад. 25. Спосіб за п. 24, де кожна частина целюлозного або лігноцелюлозного матеріалу в результаті здійснення впливу іонним пучком отримує дозу випромінювання в діапазоні від 0,1 Мрад до 20 Мрад. 26. Спосіб за п. 24, що додатково включає здійснення впливу на целюлозний або лігноцелюлозний матеріал множиною електронів після здійснення впливу іонним пучком. 27. Спосіб зміни молекулярної структури целюлозного або лігноцелюлозного матеріалу, що включає: здійснення впливу на целюлозний або лігноцелюлозний матеріал відрегульованим іонним пучком, при цьому відрегульований іонний пучок отриманий регулюванням енергій щонайменше деяких з іонів іонного пучка, виходячи з товщини целюлозного або лігноцелюлозного матеріалу, де іонний пучок характеризується першим розподілом енергій іонів в іонному пучку, що мають до регулювання повну ширину на половині максимуму W, і другим розподілом енергій іонів в іонному пучку, що має після регулювання повну ширину на половині максимуму, більшу ніж значення W. 28. Спосіб зміни молекулярної структури матеріалу, що включає: одержання іонного пучка, що характеризується першим розподілом енергій іонів, що демонструє повну ширину на половині максимуму W, регулювання енергій щонайменше деяких з іонів, виходячи з товщини вуглеводневмісного матеріалу, для одержання другого розподілу енергій іонів в іонному пучку, який демонструє 23 UA 102853 C2 5 повну ширину на половині максимуму, більшу ніж значення W, та здійснення впливу на вуглеводневмісний матеріал відрегульованим іонним пучком. 29. Спосіб за п. 28, де вуглеводневмісний матеріал, вибирають з групи, що складається з нафтоносних пісків, нафтоносних сланців, бітумінозних пісків, бітуму та вугілля. 30. Спосіб за п. 1, де матеріал містить лігноцелюлозний матеріал. 24 UA 102853 C2 25 UA 102853 C2 26 UA 102853 C2 27 UA 102853 C2 28