Український бренд на світовому ринку Hi-Tech

Цикл досліджень «Розробка технологій і організація виробництва пластмасових сцинтиляторів, створення на їх основі детекторів іонізуючого випромінювання для електронного приладобудування і фізики високих енергій» подано на здобуття Державної премії України в галузі науки і техніки за 2004 рік.

Авторський колектив, до складу якого входять представники Інституту сцинтиляційних матеріалів НАНУ (Харків, Україна) та Об’єднаного інституту ядерних досліджень (Дубна, Росія), розробив екологічно чисті технології одержання сцинтиляторів на основі полістиролу, які за цілою низкою характеристик перевищують світові аналоги. В Харкові створено найбільше в Європі виробництво цих матеріалів, відомих на світовому ринку Hi-Tech за назвою «український пластмасовий сцинтилятор» (UPS). Із цим брендом наша держава вийшла на провідні позиції за виробництвом новітніх функціональних матеріалів, потреба в яких у різних галузях сучасної науки й техніки стрімко зростає.

Сцинтилятори — цей мало відомий у звичайному житті термін означає вид функціональних матеріалів, що світяться під дією будь-якого іонізуючого випромінювання, звідки б воно не виходило. Таке світіння точно характеризує інтенсивність і вид випромінювання, тому сцинтилятори активно використовуються нині у найрізноманітніших галузях науки й техніки як детектори. Це фізика високих енергій, енергетика, хімія, біологія, геологія, медицина, радіаційний моніторинг навколишнього середовища, будівельних матеріалів, продуктів харчування тощо.

На кордоні спіймали ядерного терориста

Цей інцидент стався на кордоні між Україною і Росією, на пропускному пункті «Гоптівка». Харківські вчені разом із прикордонниками випробовували нову пішохідно-транспортну систему «Портал 4к», що призначалася для запобігання провозу через державний кордон джерел радіоактивного випромінювання.

Зовні портал виглядає як закритий металевий пенал висотою близько трьох із половиною метрів, який стоїть обабіч дороги. Все начиння — пластмасові сцинтилятори та необхідна електроніка — ховається всередині. Варто у триметровому радіусі дії порталу — це ширина односторонньої автомобільної смуги — з’явитися джерелу радіоактивності, потужність якого перевищує природний фон, сенсори миттєво його фіксують. Одразу спрацьовують спеціальні звуковий і світловий сигнали.

Саме такі сигнали пролунали під час проїзду хури з боку Росії. Прикордонники зупинили підозрілу машину — виявилося, що система точно спрацювала на радіоактивність перевезеного вантажу. Щоправда, після перевірки «ядерного терориста» пропустили на територію України з миром, оскільки він віз усього лише... листовий тютюн. Фахівцям відомо, що рівень природного радіовипромінювання тютюну перевищує рівень природного фону. Якщо для курців цей інцидент можна розцінити як зайвий привід задуматися, то для прикордонників він став переконливим підтвердженням високої чутливості харківських детекторів до гамма- та нейтронного випромінювання.

До речі, Росія вже обладнала свої прикордонні пропускні пункти порталами власної конструкції, але вони також оснащені харківськими сцинтиляторами. Вибір росіян зрозумілий — чутливість цих приладів удвічі перевищує світові аналоги і, що важливо, вони набагато дешевші.

Адміністрація Державної прикордонної служби України рекомендувала взяти «Портал 4к» на озброєння. Відповідно до вимоги МАГАТЕ, система радіоактивної безпеки має включати наявність таких детекторів на кордонах усіх держав. Їхня роль — протистояння тероризму, зокрема такому небезпечному знаряддю впливу, як так звана брудна атомна бомба. Для вчинення такого теракту не потрібно захоплювати школи або літаки. Терористу досить непомітно розсипати в якомусь районі радіоактивний порошок, який практично неможливо буде прибрати, оскільки він непомітно осяде у грунті, рознесеться з вітром і дощем, пошириться по харчових ланцюгах. Нічого не вибухає, нічого не горить, нічого не руйнується, просто люди починають хворіти та помирати, а територія стає нежилою на довгі-довгі роки. За оцінками міжнародних експертів, такого роду небезпека є досить великою.

Розроблювачам сцинтиляторів удалося виконати замовлення часу й у відповідь на світову терористичну загрозу розробити високоефективні та недорогі матеріали для забезпечення радіоактивної безпеки кордонів. Концепція міжнародного контролю за переміщенням радіоактивних матеріалів передбачає присутність автоматичних датчиків для виявлення радіоактивних речовин не лише на державних кордонах. Такі портали мають бути встановлені й у аеро- та морських портах, на атомних станціях, залізницях, у рудниках, на виробництвах, де використовується металобрухт.

Місце зустрічі з нейтрино змінити не можна

Існує ймовірність, що довгоочікуваний сигнал фізикам: «Зафіксовано осциляції нейтрино!» теж дадуть українські сцинтилятори. Харків’яни стали учасниками міжнародного проекту OPERA. Мета цього проекту — впіймати невловимі частинки, які настільки слабко взаємодіють із речовиною, що вільно пролітають крізь земну кулю.

Під час робіт напрямлений пучок, одержаний із допомогою протонного прискорювача Європейського центру ядерних досліджень (ЦЕРН) у Женеві, повинен буде практично зі швидкістю світла пролетіти під землею 730 кілометрів до підземної Лабораторії Гран Сассо, пройти крізь детектори й полетіти далі. Місце зустрічі — під горою у бічних залах автомобільного тунелю — обране не випадково. Це необхідна умова для того, щоб виключити вплив космічного проміння.

Вчені сподіваються, що експеримент допоможе розкрити багато властивостей цієї фундаментальної частинки, яка має безпосереднє відношення до найважливіших космічних процесів, зокрема розвитку нашого Всесвіту та існування «темної речовини». Існує припущення, що сам механізм утворення маси у нейтрино не такий, як у інших часток. Можливо, нейтрино — це вікно в якусь «нову фізику». Недарма нобелівський лауреат Віталій Гінзбург, укладаючи в різні роки свої знамениті списки наукових проблем, які здавалися йому особливо важливими й цікавими, незмінно вносив до них тему «Нейтринна фізика й астрономія. Нейтринні осциляції».

Базові елементи детектора для піймання нейтрино створені фахівцями Інституту сцинтиляційних матеріалів НАНУ в Харкові й Об’єднаного інституту ядерних досліджень у Дубні. Експериментальна установка — величезне та складне спорудження розмірами приблизно в 10 тис. кубічних метрів. 62 стінки детектора складаються з 206336 «цеглин», які містять десятки прошарків фотоемульсій і свинцю, а між «цеглинами» закладаються детектори-сцинтилятори.

Харків’яни одержали це престижне європейське замовлення як переможці загальноєвропейського тендера. OPERA — не перший, але й далеко не останній проект для полювання на нейтрино. Попереду у фізиків — пошук нейтрино від наднових зірок, вивчення атмосферних нейтринних аномалій, дослідження антинейтрино... Є завдання виявити космічне нейтринне реліктове випромінювання, що несе інформацію про Всесвіт лише секундою пізніше початку його розширення. Для цього потрібні нові й нові експерименти та, відповідно, нові й нові детектори.

До речі, уже після висування цієї роботи на Державну премію її авторів запросили до найбільшої міжнародної колаборації «NEMO», створеної для реалізації наступного проекту з «ловитви» нейтрино. Крім країн об’єднаної Європи, до неї входять США, Японія, Великобританія, Росія та Україна.

Ясновельможний сцинтилятор

Історично першими сцинтиляторами, які було застосовано в науці та техніці, були монокристали. Пластмасу стали використовувати пізніше. І хоча вона з усіх боків була добра, широке її розповсюдження стримувалося технологіями, які не дозволяли стабільно одержувати вироби потрібних розмірів і функціональних параметрів.

Харківські фахівці розпочали завзятий та методичний наступ на кожну з технологічних проблем, деякі з яких здавалися нерозв’язними. І, додам, залишилися нерозв’язними для інших світових виробників сцинтиляторів.

Протягом двох десятків років у Інституті монокристалів, а потім у Інституті сцинтиляційних матеріалів (ІСМА) НАН України харків’яни проводили фундаментальні дослідження фотофізичних і радіаційних процесів. Вони зуміли встановити природу та механізми переносу енергії і гасіння люмінесценції у пластмасових сцинтиляторах. Вивчили вплив іонізуючих випромінювань різних видів і енергій на фізико-хімічні параметри та з’ясували кінетичні закономірності полімеризації. Детально розробили критерії якості, яким має відповідати сировина й численні добавки.

Якби в цій галузі проводився чемпіонат, український пластмасовий сцинтилятор став би серед матеріалів аналогічного призначення явним рекордсменом одразу в кількох номінаціях.

За розмірами. На дослідно-промисловому виробництві ІСМА НАНУ виготовляються найдовші сцинтилятори — до 10 метрів, а також сцинтилятори вагою до 1 тонни. Для порівняння: провідні виробники Японії, США та Європи можуть одержати сцинтилятори масою максимум 300 кілограмів.

За оптичною прозорістю. Вони на порядок кращі за найпрозорішу пластмасу. Образно кажучи, якби це була не пластмаса, а морська вода, то ми б на глибині чотирьох метрів могли бачити рибу, що пропливає повз нас, так само ясно, як крізь звичайний повітряний шар.

За тривалістю служби. Вченим удалося затримати характерне для пластичних мас старіння. Це вважалося дуже серйозною вадою, оскільки створювані установки через свою вартість, складність і призначення повинні забезпечувати зберігання високих експлуатаційних параметрів протягом десятків років.

За радіаційною стійкістю. Результати тестування Європейської організації з ядерних досліджень засвідчили, що нині UPS є найбільш радіаційно-стійким сцинтилятором у світі. Так, він здатний тривалий час працювати в потужних пришвидшувачах протонів, електронів та інших частинок.

І, якщо можна так висловитися, за витонченістю технологій, які дозволяють, приміром, виготовити десятиметрові смуги з поперечним перерізом лише кілька десятків квадратних міліметрів, тобто товщиною з олівець. Просто у процесі виготовлення нанести найтонші шари світловідбивних покриттів. І так опрацювати зовнішні поверхні, щоб їхня шорсткість не перевищувала сотих часток мікрона, що набагато перевищує вимоги до дзеркальних поверхонь вищого класу.

Не дивно, що останнім часом ІСМА НАНУ виграє тендери на постачання пластмасових сцинтиляторів для найбільших міжнародних експериментів, які реалізуються у Європі та США. Якщо врахувати, що річний обсяг лише європейського ринку таких виробів оцінюється нині у 5 мільйонів доларів, то й економічні перспективи виглядають досить-таки привабливими.

У межах цієї роботи представлено рішення наукових і технологічних завдань, власне, цілого напрямку. Цикл розробок охоплює практично всі можливі на сьогодні галузі застосування цього класу сцинтиляторів. Це сприяє тому, що Україна все впевненіше закріплюється у переліку держав, які мають розробки найсучаснішого рівня, і їх охоче запрошують у співвиконавці найдорожчих міжнародних проектів.