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. 

aerogel1

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».

IMG 8968 копия

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.

DSC 9088 копия

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.

IMG 8958 копия

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». 

IMG 8963 копия

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.

IMG 8950 копия

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».