Украинский брэнд на мировом рынке Hi-Tech

Цикл исследований «Разработка технологий и организация производства пластмассовых сцинтилляторов, создание на их основе детекторов ионизирующего излучения для электронного приборостроения и физики высоких энергий» — представлен на соискание Государственной премии Украины в области науки и техники за 2004 год.

Авторский коллектив, в состав которого входят представители Института сцинтилляционных материалов НАНУ (Харьков, Украина) и Объединенного института ядерных исследований (Дубна, Россия), разработал экологически чистые технологии получения сцинтилляторов на основе полистирола, по целому ряду характеристик превышающих мировые аналоги. В Харькове создано самое большое в Европе производство таких изделий, которые на мировом рынке Hi-Tech известны под названием «украинский пластмассовый сцинтиллятор» (UPS). С этим брэндом наше государство вышло на ведущие позиции по производству новейших функциональных материалов, потребность в которых в различных областях современной науки и техники стремительно растет.

Сцинтилляторы — этот мало известный в обычной жизни термин обозначает вид функциональных материалов, которые светятся под действием любого ионизирующего излучения, откуда бы оно ни исходило. Такое свечение точно характеризует интенсивность и вид излучения, поэтому сцинтилляторы активно используются сейчас в самых разных сферах науки и техники в качестве детекторов. Это физика высоких энергий, энергетика, химия, биология, геология, медицина, радиационный мониторинг окружающей среды, строительных материалов, продуктов питания и так далее.

На границе пойман ядерный террорист

Этот инцидент произошел на границе между Украиной и Россией, на пункте пропуска «Гоптовка». Харьковские ученые вместе с пограничниками испытывали новую пешеходно-транспортную систему «Портал 4к», которая предназначена для предотвращения провоза через государственную границу источников радиоактивного излучения.

Внешне портал выглядит как стоящий у дороги закрытый металлический пенал высотой около трех с половиной метров. Вся начинка — пластмассовые сцинтилляторы и необходимая электроника — прячется внутри. Стоит в трехметровом радиусе действия портала — это ширина односторонней автомобильной дороги — появиться источнику радиоактивности, мощность которого превышает природный фон, сенсоры мгновенно его фиксируют. Тут же срабатывают специальный звуковой и световой сигналы.

Именно такие сигналы раздались во время проезда фуры со стороны России. Пограничники остановили подозрительную машину — оказалось, что система точно сработала на радиоактивность перевозимого груза. Правда, после проверки «ядерного террориста» пропустили на территорию Украины с миром, поскольку он вез всего лишь… листовой табак. Специалистам известно, что уровень естественного радиоизлучения табака превышает уровень природного фона. Если для курильщиков этот инцидент можно расценить как лишний повод задуматься, то для пограничников он стал убедительным подтверждением высокой чувствительности харьковских детекторов к гамма- и нейтронному излучению.

Кстати, Россия уже оборудовала свои приграничные пропускные пункты порталами собственной конструкции, но оснащены они также харьковскими сцинтилляторами. Выбор россиян понятен — их чувствительность вдвое превышает мировые аналоги и, что немаловажно, они гораздо дешевле.

Администрация Государственной пограничной службы Украины рекомендовала принять «Портал 4к» на вооружение. В соответствии с требованием МАГАТЭ, система радиоактивной безопасности должна включать наличие таких детекторов на границах всех государств. Их роль — противостояние терроризму, в частности такому опасному орудию воздействия, как т. н. грязная атомная бомба. Для выполнения такого теракта не нужно захватывать школы или самолеты. Террористу достаточно незаметно рассыпать в каком-либо районе радиоактивный порошок, который практически невозможно будет убрать, поскольку он незаметно осядет в грунт, разнесется ветром и дождем, распространится по пищевым цепям. Ничего не взрывается, ничего не горит, ничего не рушится, просто люди начинают болеть и умирать, а территория становится нежилой на долгие-долгие годы. По оценкам международных экспертов, такого рода опасность достаточно велика.

Разработчикам сцинтилляторов удалось выполнить заказ времени и в ответ на мировую террористическую угрозу разработать высокоэффективные и недорогие материалы для обеспечения радиоактивной безопасности границ. Концепция международного контроля за перемещением радиоактивных материалов предусматривает присутствие автоматических датчиков для обнаружения радиоактивных веществ не только на государственных границах. Такие порталы должны быть установлены и в аэро- и морских портах, на атомных станциях, железных дорогах, в рудниках, на производствах, где используется металлолом.

Место встречи с нейтрино изменить нельзя

Есть вероятность, что долгожданный сигнал физикам: «Зафиксированы осцилляции нейтрино!» тоже дадут украинские сцинтилляторы. Харьковчане стали участниками международного проекта OPERA. Цель этого проекта — поймать неуловимые частицы, которые столь слабо взаимодействуют с веществом, что свободно пролетают сквозь земной шар.

В ходе работ направленный пучок, полученный с помощью протонного ускорителя Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве, должен будет практически со скоростью света пролететь под землей 730 километров до подземной Лаборатории Гран Сассо, пройти сквозь детекторы и полететь дальше. Место встречи — под горой в боковых залах автомобильного туннеля — выбрано не случайно. Это необходимое условие для того, чтобы исключить влияние космических лучей.

Ученые надеются, что эксперимент поможет раскрыть многие свойства этой фундаментальной частички, имеющей непосредственное отношение к важнейшим космическим процессам, в том числе развитию нашей Вселенной и существованию «темного вещества». Есть предположение, что сам механизм образования массы у нейтрино не такой, как у других частиц. Возможно, нейтрино — это окно в некую «новую физику». Недаром нобелевский лауреат Виталий Гинзбург, составляя в разные годы свои знаменитые списки научных проблем, представляющихся ему особенно важными и интересными, неизменно вносил в них тему «Нейтринная физика и астрономия. Нейтринные осцилляции».

Базовые элементы детектора для ловли нейтрино созданы специалистами Института сцинтилляционных материалов НАНУ в Харькове и Объединенного института ядерных исследований в Дубне. Экспериментальная установка — огромное и сложное сооружение размером примерно в 10000 кубических метров. 62 стенки детектора складываются из 206336 «кирпичей», которые состоят из десятков слоев фотоэмульсий и свинца, а между «кирпичами» закладываются детекторы-сцинтилляторы.

Харьковчане получили этот престижный европейский заказ как победители общеевропейского тендера. OPERA — не первый, но и далеко не последний проект для охоты за нейтрино. Впереди у физиков — поиск нейтрино от сверхновых звезд, изучение атмосферных нейтринных аномалий, исследование антинейтрино... Есть задача обнаружить космическое нейтринное реликтовое излучение, которое несет информацию о Вселенной спустя всего секунду после начала ее расширения. Для этого нужны новые и новые эксперименты и, соответственно, новые и новые детекторы.

Кстати, уже после выдвижения данной работы на Госпремию ее авторы были приглашены в крупнейшую международную коллаборацию NEMO, созданную для реализации следующего проекта по «ловле» нейтрино. Кроме стран объединенной Европы, в нее входят США, Япония, Англия, Россия и Украина.

Его сиятельство сцинтиллятор

Исторически первыми сцинтилляторами, которые нашли применение в науке и технике, были монокристаллы. Пластмассу стали использовать позже. И хотя всем она была хороша, ее широкое распространение сдерживалось технологиями, которые не позволяли стабильно получать изделия нужных размеров и функциональных параметров.

Харьковские специалисты предприняли упорное и методичное наступление на каждую из технологических проблем, некоторые из них казались неразрешимыми. И, добавлю, остались неразрешимыми для других мировых производителей сцинтилляторов.

На протяжении двух десятков лет в Институте монокристаллов, а затем в Институте сцинтилляционных материалов (ИСМА) НАН Украины харьковчане проводили фундаментальные исследования фотофизических и радиационных процессов. Они сумели установить природу и механизмы переноса энергии и гашения люминесценции в пластмассовых сцинтилляторах. Изучили влияние ионизирующих излучений различных видов и энергий на физико-химические параметры и выяснили кинетические закономерности полимеризации. Детально разработали критерии качества, которым должно соответствовать сырье и многочисленные добавки.

Если бы в этой сфере проводился чемпионат, то украинский пластмассовый сцинтиллятор стал бы среди материалов такого же назначения явным рекордсменом сразу в нескольких номинациях.

По размерам. На опытно-промышленном производстве ИСМА НАНУ изготавливаются самые длинные сцинтилляторы — до 10 метров, а также сцинтилляторы весом до 1 тонны. Для сравнения: ведущие производители Японии, США и Европы могут получить сцинтилляторы массой максимум 300 килограммов.

По оптической прозрачности. Они на порядок лучше самой прозрачной пластмассы. Образно говоря, если бы это была не пластмасса, а морская вода, то мы бы на глубине четырех метров могли видеть проплывающую рыбу так же ясно, как сквозь обычную воздушную прослойку.

По сроку службы. Ученым удалось задержать характерное для пластических масс старение. Это считалось очень серьезным недостатком, поскольку создаваемые установки ввиду своей стоимости, сложности и предназначения должны обеспечивать сохранение высоких эксплуатационных параметров на протяжении десятков лет.

По радиационной стойкости. Результаты тестирования Европейской организации по ядерным исследованиям показали, что сейчас UPS является самым радиационно стойким сцинтиллятором в мире. Так, он способен длительное время работать в мощных ускорителях протонов, электронов и других частиц.

И, если можно так выразиться, по изощренности технологий, которые позволяют, например, изготовить десятиметровые полосы с поперечным сечением всего несколько десятков квадратных миллиметров, то есть толщиной с карандаш. Прямо в процессе изготовления нанести тончайшие слои светоотражающих покрытий. И так обработать наружные поверхности, чтобы их шероховатость не превышала сотых долей микрона, что во много раз превышает требования к зеркальным поверхностям высшего класса.

Неудивительно, что в последнее время ИСМА НАНУ выигрывает тендеры на поставку пластмассовых сцинтилляторов для крупнейших международных экспериментов, которые реализуются в Европе и США. Если учесть, что годовой объем только европейского рынка таких изделий оценивается сейчас в 5 миллионов долларов, то и экономические перспективы выглядят весьма привлекательными.

В рамках этой работы представлено решение научных и технологических задач по существу целого направления. Цикл разработок охватывает практически все возможные на сегодня сферы применения данного класса сцинтилляторов. Это способствует тому, что Украина все прочнее закрепляется в перечне государств, которые обладают разработками самого современного уровня и их охотно приглашают в соисполнители самых дорогостоящих международных проектов.