СЦИНТИЛЛЯТОРЫ — ОТ ИСКУССТВА ДО HI-TECH

«Жернова времени» — так назвал киевский художник Виктор Сидоренко свой проект, который недавно экспонировался на Венецианском биеннале современного искусства. Эта необычная мультимедийная композиция, олицетворяющая неумолимый ход времени, свела воедино современные возможности живописи, фотографии и инсталляции. Обозреватели отмечали, что украинским ноу-хау композиции стал светящийся синим светом загадочный конус. Он располагается перед плоскостью фрески и воспринимается зрителями неким символом вечности, непостижимости хода времени, мистическим знаком Абсолюта. Синий кристалл стал той «изюминкой» в стиле HI-TECH, которая придала проекту Виктора Сидоренко новую глубину.

Конус по просьбе художника изготовили специалисты Института сцинтилляционных материалов НАНУ, и его «загадки» являются всего лишь деталями современной технологии. Это геометрически правильная прозрачная глыба из пластмассы высотой и диаметром в 60 сантиметров. Ее таинственное синее свечение объясняется включением специальных добавок — люминофоров. Под действием скрытой от зрителей ультрафиолетовой лампы они светятся равномерно по всему объему конуса и вызывают ощущение некоего «мистического» сияния.

В проекте «Жернова времени» тесно переплелись пути развития современного искусства и современной науки. Оказалось, что полный вымысла и эмоций мир художника вполне совместим с конкретным миром высоких технологий. Они естественно дополняют друг друга в желании познать феномен времени. Для Эйнштейна, например, прошлое, настоящее и будущее есть не что иное, как человеческая иллюзия, лишенная физического смысла. Прошлое не исчезает, а будущее так же реально (или так же нереально), как настоящее. Не об этом ли говорит и художник?

Наверное, зрители, попавшие на Венецианском биеннале под обаяние проекта Сидоренко, были бы разочарованы, узнав, что таинственный конус — это близкий родственник полистирола, из которого сейчас делают множество бытовых изделий — от одноразовой посуды до ручек и игрушек. Правда, здесь был использован не простой полистирол, а функциональный материал, который благодаря особой технологии изготовления может светиться под действием ионизирующего излучения, в том числе ультрафиолета. Такого рода материалы называются сцинтилляторами, а возникающие в них микроскопические световые вспышки — сцинтилляцией.

Впрочем, участие харьковчан в художественном проекте — это частность на фоне масштабных научных и технических проектов института.

Один из них — это противостояние терроризму, в частности, такому опасному орудию воздействия, как т. н. грязная атомная бомба. Для выполнения такого террористического акта не нужно захватывать самолеты или провозить фугасы. Достаточно, чтобы террорист незаметно рассыпал в каком-то районе радиоактивный порошок, который практически невозможно будет убрать, поскольку он незаметно осядет в грунте, разнесется с 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 экспертов, эта опасность достаточно велика, и ей нужно противостоять уже сегодня.

Концепцию международного контроля за перемещением всякого рода радиоактивных материалов первыми выдвинули США. Как правило, эти материалы имеют искусственное происхождение, и потому положения концепции относятся в первую очередь к тем странам, где есть атомное оружие и (или) работают атомные электростанции, которые производят целый «букет» радиоактивных веществ. В том числе, к России и Украине.

В принципе автоматические датчики для обнаружения радиоактивных веществ должны присутствовать практически везде, где сейчас стоят металлоискатели для обнаружения оружия. Такие стражи — они называются порталы — уже работают во многих аэропортах России. Это просто маленькие ворота или столбики, на которые пассажиры обычно не обращают внимания. Между тем датчики фиксируют радиоактивность грузов и багажа, попадающих в поле их действия, и передают данные в диспетчерские, вплоть до МЧС. В их основе — пластмассовые сцинтилляторы, их разрабатывают и производят в Харькове. Они достаточно дешевые, чувствительные и обладают высокой эксплуатационной надежностью.

Российский портал прошел международную сертификацию и апробацию в МАГАТЭ. Вскоре харьковчане начнут работу по программе соответствующего обустройства границ Украины. Скорее всего, именно в кооперации с Россией начнется изготовление таких пешеходно-транспортных радиационных мониторов «Портал 4к» с комбинированным полистирольным сцинтилляционным детектором, имеющим высокую чувствительность (в два раза большую, чем лучший импортный) к гамма- и нейтронному излучению. А если конкретно, то у террориста не будет никаких шансов пронести мимо монитора ни грамма радиоактивного порошка.

Есть и другие, не менее насущные задачи, где востребовано тонкое чутье сцинтиллятора на ионизирующее излучение. Например, в случае, если затонет подводная лодка с ядерным оружием или ядерной энергетической установкой, важно быстро и точно определить — происходит в результате аварии утечка радиоактивных веществ в воду или нет. А для этого нужно знать, каков первичный, естественный радиоактивный фон воды. На решение этой задачи нацелен проект в рамках программы Евросоюза Kopernicus «Создание детектора для регистрации радиоактивности воды 1 беккерель на литр», в котором участвует институт. После окончания испытания отдельных элементов и узлов детектор пройдет «обкатку» в Черном море.

— Когда ученые начали использовать явление сцинтилляции? — поинтересовалась корреспондент «ЗН» у директора Института сцинтилляционных материалов НАН Украины, члена-корреспондента НАНУ Бориса Гринева.

— В начале прошлого века в лаборатории Резерфорда с помощью сцинтилляции была разработана модель атома, а в 1948 году получили первый, наиболее распространенный сцинтиллятор йодита натрия с добавлением таллия, — рассказал Борис Викторович. — Это была случайность, но, как нередко бывает в науке, она повлекла за собой становление целого научного направления, которое, в свою очередь, потребовало создания сцинтилляторов разных типов и видов. Вплоть до нового поколения этих функциональных материалов с уникально высоким энергетическим разрешением, которые называют материалами ХХI века. Хочу заметить, что в Харькове ведутся исследования практически по всем актуальным направлениям этой области науки и технологии практически с самого начала ее возникновения.

— Где еще, помимо контроля за перемещением радиоактивных материалов и определения радиоактивности воды, используются сцинтилляторы?

— Везде, где есть необходимость в высокоэффективных, точных и быстродействующих детекторах ионизирующего излучения. И откуда бы оно ни исходило — из естественного или искусственного материала, из тела человека или глубин космоса. Это физика высоких энергий, ядерная медицина и атомная энергетика, химия, биология, геология, радиационный мониторинг окружающей среды, определение содержимого радионуклидов в пищевых продуктах, строительных материалах и т. д. До сих пор в роли сцинтилляторов использовались в основном монокристаллы или обладающие соответственными свойствами жидкости. Сейчас их заменила более дешевая пластмасса, изделия из которой можно сделать большими и прозрачными.

Один пример. Мы изготовили для заказчика сцинтилляторы длиной четыре метра. По условиям научного эксперимента, в результате взаимодействия вещества с излучением на одном конце сцинтиллятора возникает микроскопическая вспышка, которая должна дойти до другого конца, где ее зарегистрирует специальное электронное устройство. Наш материал должен быть настолько прозрачным, чтобы можно было зафиксировать микроскопическую вспышку мощностью всего в один фотон.

В мире, в том числе и в нашем институте, разрабатываются технологии выращивания сцинтилляторов самых разных размеров и конфигурации. Например, гибких, поликристаллических большой площади, комбинированных на основе «пленка—кристалл», с регулируемым распределением выхода света и т. д. Сейчас наблюдается тенденция к созданию все более универсальных и сложных научных экспериментальных установок, в которых используются крупногабаритные сцинтилляционные детекторы типа «сэндвич». Подобные детекторы содержат несколько десятков тонн сцинтилляторов в виде листов, стрипов, тайлов, блоков.

В последние годы растет спрос именно на дешевые крупногабаритные пластмассовые сцинтилляторы. Годовой объем американского рынка на эти изделия оценивается в сумму около 8 миллионов долларов, а европейского — 5 миллионов. Вот почему мы стремимся сделать наши технологии высокорентабельными и высокопроизводительными. В этом случае за счет низкой зарплаты украинских ученых и технологов не сэкономить, поскольку в стоимости сцинтиллятора основную часть занимает сырье, материалы и электроэнергия. Нужны оригинальные научные и технологические решения.

В то же время постоянно растут требования и к функциональным характеристикам пластмассовых сцинтилляторов, ведь сфера их использования расширяется. В зависимости от потребности конкретного заказа образец должен выдерживать и различные параметры. Например, для одной задачи нужна механическая точность размеров, которая предполагает, что на семи метрах длины погрешность должна составлять не более одной десятой миллиметра. А в экспериментах на ускорителях, где сцинтилляторы работают здесь в мощных полях излучения, необходимое условие — радиационная стойкость.

Сейчас харьковчане владеют наибольшим в Европе производством сцинтилляторов на базе полистирола. Созданные у нас мощности и ассортимент этих изделий могут полностью удовлетворить потребности Украины, а также предложить для реализации на мировом рынке продукцию в объеме больше 5 миллионов долларов США. Эти изделия — размерами от одного миллиметра до семи метров — экспортируются в США, Францию, Голландию, Китай, Японию и другие страны.

— Недавно ваш институт выиграл престижный международный тендер на изготовление сцинтилляторов для европейского эксперимента OPERA по «ловле» нейтрино в толще горы Гран-Сассо в Италии, заключил договор на поставку сцинтиллятров для регистрации космического излучения китайскими космическими аппаратами. Что помогает институту выигрывать тендеры и находить все новых заказчиков?

— Исследования наших ученых внесли весомый вклад в фундаментальные представления о физико-химии полимеров, радиационной химии органических материалов, теории фотофизических и сцинтилляционных процессов. В основу разработок положены наши ноу-хау и научно-технические наработки, приоритет которых защищен многочисленными патентами, свидетельствами на изобретения, научными публикациями.

При этом нужно иметь в виду, что часть работ фундаментального характера нам оплачивает государство, поскольку мы — институт Национальной академии наук Украины. Такая поддержка государства во многом помогает нам стать полноправными участниками мирового рынка высоких технологий и зарабатывать на продаже сцинтилляторов. Стоить добавить, что на территории СССР было четыре центра по производству пластмассовых сцинтилляторов. Выжил и стал одним из крупнейших в мире в этой области только харьковский.

***

Работа «Пластмассовые сцинтилляторы: разработка технологии получения сенсоров ионизирующих излучений для электронного приборостроения» представлена на соискание Государственной премии Украины в области науки и техники за 2004 год. Это цикл исследований, выполненных авторским коллективом на протяжении 1980—2003 гг. с целью развития и реализации стратегии создания передовых экономических технологий получения пластмассовых сцинтилляторов и изделий из них.