Новосибирские ученые изготовят уникальные блоки аэрогеля для Лаборатории Джефферсона (США)

Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН (ИК СО РАН) изготовят блоки аэрогеля для эксперимента CLAS12 Национальной лаборатории Томаса Джефферсона (Thomas Jefferson National Accelerator Facility, США, Вирджиния). Цель эксперимента – изучение свойств адронов, аэрогель будет использоваться в детекторе черенковских колец в качестве радиатора излучения. Новосибирский аэрогель, синтезируемый материал с необычными свойствами, обладает лучшими характеристиками в мире для создания черенковских детекторов такого типа – он имеет высокую прозрачность и сделан в форме больших блоков. 

Аэрогель. Фото Натальи Купиной 

«В науке аэрогель используется для создания детекторов черенковского излучения, которые предназначены для регистрации элементарных частиц, – комментирует старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Евгений Анатольевич Кравченко. – Детектор черенковского излучения состоит из какой-либо среды (радиатора), через которую пролетает частица (в данном случае средой является аэрогель), и фотонного детектора. Заряженная частица, проходя через аэрогель, производит вспышку черенковского излучения, то есть образует фотоны. Они излучаются под определенным углом к направлению движения частицы, который зависит от её скорости. Фотоны собираются фокусирующими зеркалами и регистрируются. Зная координаты регистрации фотонов, можно установить скорость частицы, что позволяет судить о ее свойствах».

Лаборант ИЯФ СО РАН Александр Тарков (слева) и Евгений Кравченко (справа). Фото Натальи Купиной 

Заместитель директора по научной работе Лаборатории Джефферсона Патриция Росси сообщила, что экспериментальная программа спектрометра CLAS12 охватывает многие области адронной физики, а ее флагманом будет изучение трехмерной структуры протонов и нейтронов. Для этого пучок электронов с энергией до 11 ГэВ будет направляться на мишень из водорода или дейтерия. Во многих из запланированных экспериментов потребуется идентификация рождающихся в мишенях адронов, для чего и будет использоваться детектор на основе аэрогеля.

Заместитель директора по научной работе Лаборатории Джефферсона Патриция Росси

«Фотоны, вылетающие из аэрогеля под малым углом к оси пучков, – поясняет Патриция Росси, – будут напрямую попадать в фотонный детектор. Свет, излученный частицами, влетающими под большим углом, будет отражаться зеркалами, и поступит в фотодетектор после двух проходов через аэрогель. Поэтому оптические свойства радиатора – относительно большой показатель преломления и хорошая прозрачность – очень важны для работы этой системы».

Разработка аэрогеля – результат многолетних совместных научных исследований Института катализа СО РАН и ИЯФ СО РАН. С 2013 года это направление поддерживает Новосибирский государственный университет. Теперь Новосибирск – мировой лидер по производству аэрогеля для черенковских детекторов. Требования к аэрогелю, который используется в этих устройствах, очень высокие – блок материала должен быть большой, а сам радиатор прозрачным.

Старший научный сотрудник Института катализа СО РАН, кандидат химических наук Александр Данилюк и ведущий инженер Института катализа СО РАН Марина Савельева. Фото Натальи Купиной

«Черенковское излучение очень слабое, – комментирует старший научный сотрудник Института катализа СО РАН, кандидат химических наук Александр Федорович Данилюк. – При регистрации черенковского света от одной частицы нужно «увидеть» хотя бы 5-10 фотонов. Если зарегистрировать всего 2-3, то этого будет недостаточно для определения параметров данной частицы. Поскольку света всегда мало, мы вынуждены бороться за прозрачность. Она определяется длиной рассеяния света, на которой прямой луч света ослабляется примерно в три раза. В новосибирском аэрогеле этот показатель составляет более 40 мм на длине волны 400 нанометров. Это можно сравнить со стеклом, которое немного занесло изморозью». 

Новосибирский аэрогель обладает важным свойством - хорошей прозрачностью. Фото Натальи Купиной 

Благодаря своим свойствам, аэрогель является перспективным материалом не только для научных целей. Он может использоваться как эффективный звуко- и теплоизолятор, но пока в силу дороговизны и сложности производства не получил широкого распространения. Стоимость аэрогеля, используемого в черенковских детекторах, несколько тысяч долларов за литр, то есть он в 10 тысяч раз дороже, чем, например, нефть.

«Удешевить производство аэрогеля можно, отказавшись от формы цельного блока, и перейдя к гранулам или крошке. Кроме того, можно перейти на более дешевые материалы другого химического состава. Существует очень много веществ, на основе которых уже получены аэрогели. Мы активно работаем в этом направлении, и уже нашлись потребители в сфере теплоизоляции. Производить такой гель тоже сложно, но проще, чем блоки», – отметил Александр Данилюк.

Справка об аэрогеле

Аэрогель – это твердый материал с рекордно низкой плотностью. Он состоит из очень маленьких частиц диоксида кремния, которые соединены в хаотические цепочки, и образуют сеть мезопор. Основная его составляющая – до 99,8 % – воздух. Один кубический сантиметр аэрогеля на основе кремния может весить от 0, 3 миллиграмм и способен выдержать нагрузку, в 4000 раз превышающую собственный вес. Этот материал обладает очень низкой теплопроводностью, благодаря чему выдерживает экстремально низкие и высокие температуры.

Блоки новосибирского аэрогеля используются в детекторе КЕДР коллайдера ВЭПП-4М ИЯФ СО РАН, где этого материала насчитывается 1000 литров, а для детектора СНД коллайдера ВЭПП-2000 ИЯФ СО РАН новосибирские ученые создали особый сверхплотный аэрогель. В проектируемом в Институте ядерной физики СО РАН коллайдере Супер Чарм-тау фабрика также предполагается использование этого материала для регистрации элементарных частиц.

Синтезировать аэрогель такой толщины умеют только новосибирские учёные. Фото Натальи Купиной

Аэрогель Института ядерной физики СО РАН и Института катализа Сибирского отделения РАН использовался в эксперименте LHCb (ЦЕРН), а сейчас применяется в проекте DIRAC (ЦЕРН). На Международной космической станции установлен универсальный детектор AMS02, в составе которого также используется новосибирский аэрогель. Детектор предназначен для регистрации потоков протонов, антипротонов и ядер. Одной из его задач является приближение к ответу на вопрос – почему материи во Вселенной существенно больше, чем антиматерии?

В марте 2016 года соавторы разработки «Аэрогель диоксида кремния» Институт катализа им. Г.К. Борескова и Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера получили главный приз конкурса «Лучший инновационный проект и лучшая научно-техническая разработка года», который проходит в рамках выставки «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции».