СЦИНТИЛЯТОРИ — ВІД МИСТЕЦТВА ДО HI-TECH

«Жорна часу» — так назвав київський художник Віктор Сидоренко свій проект, який нещодавно експонувався на Венеціанському бієнале сучасного мистецтва. Ця незвичайна мультимедійна композиція, що уособлює невблаганний плин часу, звела воєдино сучасні можливості живопису, фотографії та інсталяції. Оглядачі відзначали, що українським ноу-хау композиції став загадковий конус, який випромінював синє світло. Він розміщується перед площиною фрески і сприймається глядачами як символ вічності, незбагненності часоплину, містичний знак Абсолюту. Синій кристал став тією «родзинкою» в стилі HI-TECH, яка надала проекту Віктора Сидоренка нової глибини.

Конус, на прохання художника, виготовили спеціалісти Інституту сцинтиляційних матеріалів НАНУ, і його «загадки» — лише деталі сучасної технології. Це геометрично правильна прозора брила з пластмаси заввишки і в діаметрі 60 сантиметрів. Її таємниче синє світіння пояснюється вкрапленням спеціальних домішок — люмінофорів. Під дією прихованої від глядачів ультрафіолетової лампи вони рівномірно світяться по всьому об’єму конуса і викликають відчуття якогось «містичного» сяйва.

У проекті «Жорна часу» тісно переплелися шляхи розвитку сучасного мистецтва й сучасної науки. Виявилося, що повний вигадок і емоцій світ художника цілком сумісний із конкретним світом високих технологій. Вони природно взаємодоповнюються у прагненні пізнати феномен часу. Для Ейнштейна, наприклад, минуле, сьогодення й майбутнє — не що інше, як людська ілюзія, позбавлена фізичного змісту. Минуле не зникає, а майбутнє так само реальне (або так само нереальне), як теперішнє. Чи не про це говорить і художник?

Напевно, глядачі, котрі на Венеціанському бієнале були зачаровані проектом Сидоренка, розчарувалися б, дізнавшись, що таємничий конус — це близький родич полістиролу, з якого тепер виготовляють безліч побутових виробів — від одноразового посуду до ручок та іграшок. Щоправда, тут використаний не простий полістирол, а функціональний матеріал, який завдяки особливій технології виготовлення може світитися під дією іонізуючого випромінювання, у тому числі й ультрафіолету. Такі матеріали називаються сцинтиляторами, а мікроскопічні світлові спалахи, які в них виникають, — сцинтиляцією.

Втім, участь харків’ян у художньому проекті — це деталь на тлі масштабних наукових і технічних проектів інституту.

Один із них — протистояння тероризмові, зокрема такому небезпечному знаряддю впливу, як т.зв. брудна атомна бомба. Для виконання цього терористичного акту не треба захоплювати літаки або провозити фугаси. Досить, щоб терорист непомітно розсипав у якомусь районі радіоактивний порошок, який практично неможливо буде прибрати, оскільки він непомітно осяде в грунті, рознесеться вітром і дощем, пошириться «харчовими ланцюгами». Ніщо не вибухає, ніщо не горить, ніщо не руйнується, просто люди починають хворіти і вмирати, а територія стає непридатною для життя на довгі-довгі роки. За оцінками експертів, вірогідність такої небезпеки досить велика, і протистояти їй треба вже сьогодні.

Концепцію міжнародного контролю за переміщенням різного роду радіоактивних матеріалів першими висунули США. Як правило, ці матеріали — штучного походження, і тому положення концепції стосуються насамперед країн, які мають атомну зброю і (або) атомні електростанції, що виробляють цілий «букет» радіоактивних речовин. Серед них — Росія й Україна.

У принципі, автоматичні датчики для виявлення радіоактивних речовин повинні бути практично скрізь, де зараз стоять металошукачі для виявлення зброї. Такі стражі — їх називають порталами — вже працюють у багатьох аеропортах Росії. Це просто маленькі ворота або стовпчики, на які пасажири зазвичай не звертають уваги. Тим часом датчики фіксують радіоактивність вантажів та багажу, що потрапляють у поле їхнього зору, й передають дані в диспетчерські, аж до МНС. В основі датчиків — пластмасові сцинтилятори, їх розробляють і виготовляють у Харкові. Вони досить дешеві, чутливі й мають високу експлуатаційну надійність.

Російський портал пройшов міжнародну сертифікацію й апробацію в МАГАТЕ. Незабаром харків’яни почнуть працювати за програмою відповідного облаштування кордонів України. Швидше за все, саме в кооперації з Росією виготовлятимуть такі пішохідно-транспортні радіаційні монітори «Портал 4к» з комбінованим полістирольним сцинтиляційним детектором, що має високу чутливість (удвічі вищу, ніж найкращий імпортний) до гама- та нейтронного випромінювання. А якщо конкретно, то в терориста не буде ніяких шансів пронести повз монітор бодай один грам радіоактивного порошку.

Існують і інші, не менш нагальні завдання, де затребуване тонке чуття сцинтилятора на іонізуюче випромінювання. Наприклад, якщо затоне підводний човен із ядерною зброєю або ядерною енергетичною установкою, важливо швидко й точно визначити, чи витікають внаслідок аварії у воду радіоактивні речовини, чи ні. А для цього необхідно знати, який первинний, природний радіоактивний фон води. На розв’язання цієї задачі націлений проект у рамках програми Євросоюзу Kopernicus «Створення детектора для реєстрації радіоактивності води 1 бекерель на літр», у якому бере участь інститут. По завершенні випробування окремих елементів та вузлів детектор пройде «обкатку» у Чорному морі.

— Коли вчені почали використовувати явище сцинтиляції? — поцікавився кореспондент «ДТ» у директора Інституту сцинтиляційних матеріалів НАН України, члена-кореспондента НАНУ Бориса Гриньова.

— На початку минулого століття в лабораторії Резерфорда з допомогою сцинтиляції розробили модель атома, а в 1948 році — одержали перший, найпоширеніший сцинтилятор йодиду натрію з додаванням талію, — розповів Борис Вікторович. — Це була випадковість, але як часто трапляється в науці, вона спричинила становлення цілого наукового напряму, котрий, у свою чергу, потребував сцинтиляторів різних типів та видів. Аж до нового покоління цих функціональних матеріалів, які називають матеріалами ХХI століття, з унікально високою енергетичною роздільною здатністю. Хочу зауважити, що в Харкові проводяться дослідження практично за всіма актуальними напрямами цієї галузі науки й технології практично від самого початку її виникнення.

— Де ще, крім контролю за переміщенням радіоактивних матеріалів і визначення радіоактивності води, використовуються сцинтилятори?

— Скрізь, де є потреба у високоефективних, точних та швидкодіючих детекторах іонізуючого випромінювання. Хоч би яким було джерело його походження — природний чи штучний матеріал, тіло людини чи глибини космосу. Це фізика високих енергій, ядерна медицина й атомна енергетика, хімія, біологія, геологія, радіаційний моніторинг довкілля, визначення вмісту радіонуклідів у харчових продуктах, будівельних матеріалах і т.д. Досі в ролі сцинтиляторів використовувалися, в основному, монокристали або рідини з відповідними властивостями. Тепер їх замінила дешевша пластмаса, вироби з якої можна зробити великими і прозорими.

Один приклад. Ми виготовили для замовника сцинтилятори завдовжки чотири метри. За умовами наукового експерименту, в результаті взаємодії речовини з випромінюванням на одному кінці сцинтилятора виникає мікроскопічний спалах, який повинен дійти до протилежного кінця, де його зареєструє спеціальний електронний пристрій. Наш матеріал має бути настільки прозорим, щоб можна було зафіксувати мікроскопічний спалах потужністю всього один фотон.

У світі, зокрема і в нашому інституті, розробляються технології вирощування сцинтиляторів найрізноманітніших розмірів та конфігурацій. Наприклад, гнучких, полікристалічних великої площі, комбінованих на основі «плівки-кристала», із регульованим розподілом виходу світла і т.д. Простежується тенденція до створення дедалі універсальніших і складніших наукових експериментальних установок, у яких використовуються великогабаритні сцинтиляційні детектори типу «сендвіч». Такі детектори містять кілька десятків тонн сцинтиляторів у вигляді листків, стрипів, тайлів, блоків.

Останніми роками зростає попит саме на дешеві великогабаритні пластмасові сцинтилятори. Річний обсяг американського ринку на ці вироби оцінюється сумою близько 8 мільйонів доларів, а європейського — 5 мільйонів. Ось чому ми прагнемо зробити наші технології високорентабельними і високопродуктивними. У цьому випадку заощадити за рахунок низької зарплати українських вчених і технологів не вдасться, оскільки у вартості сцинтилятора основну частку становить сировина, матеріали й електроенергія. Потрібні оригінальні наукові й технологічні рішення.

Тим часом постійно зростають вимоги й до функціональних характеристик пластмасових сцинтиляторів, адже сфера їх використання розширюється. Залежно від потреби конкретного замовлення, зразок повинен відповідати і різноманітним параметрам. Наприклад, для однієї задачі потрібна механічна точність розмірів, яка передбачає, що на семи метрах довжини похибка повинна становити не більше однієї десятої міліметра. А в експериментах на прискорювачах, де сцинтилятори працюють у потужних полях випромінювання, необхідна умова — стійкість до радіації.

Нині харків’яни володіють найбільшим у Європі виробництвом сцинтиляторів на базі полістиролу. Створені у нас потужності й асортимент цих виробів можуть цілком задовольнити потреби України, а також запропонувати для реалізації на світовому ринку продукцію в обсязі понад 5 мільйонів доларів США. Ці вироби — розмірами від одного міліметра до семи метрів — експортуються у США, Францію, Голландію, Китай, Японію та інші країни.

— Нещодавно ваш інститут виграв престижний міжнародний тендер на виготовлення сцинтиляторів для європейського експерименту OPERA з «ловлі» нейтрино в товщі гори Гран-Сассо в Італії, уклав договір на постачання сцинтиляторів для реєстрації космічного випромінювання китайськими космічними апаратами. Що допомагає інститутові вигравати тендери і знаходити нових замовників?

— Дослідження наших учених зробили вагомий внесок у фундаментальні уявлення про фізико-хімію полімерів, радіаційну хімію органічних матеріалів, теорію фотофізичних і сцинтиляційних процесів. У основу розробок покладено наші ноу-хау й науково-технічні напрацювання, пріоритет яких захищений численними патентами, свідоцтвами на винаходи, науковими публікаціями.

При цьому потрібно враховувати, що частину робіт фундаментального характеру нам оплачує держава, оскільки ми — інститут Національної академії наук України. Така підтримка держави великою мірою допомагає нам стати повноправними учасниками світового ринку високих технологій і заробляти на продажі сцинтиляторів. Слід додати, що на території СРСР було чотири центри з виробництва пластмасових сцинтиляторів. Вижив і став одним із найбільших у світі в цій галузі тільки харківський.

***

Праця «Пластмасові сцинтилятори: розробка технології одержання сенсорів іонізуючих випромінювань для електронного приладобудування» представлена на здобуття Державної премії України в галузі науки і техніки за 2004 рік. Це цикл досліджень, виконаних авторським колективом протягом 1980—2003 рр. з метою розвитку й реалізації стратегії створення передових економічних технологій отримання пластмасових сцинтиляторів та виробів із них.