Проект “Аэрогель” - шестилетний труд завершен
Недавно в Лаборатории ядерных проблем завершено создание производственного участка для изготовления образцов аэрогеля диоксида кремния с размером до 210 мм в диаметре. Это позволяет создавать на их основе черенковские счетчики больших размеров для использования в современных физических экспериментах.
В последние годы в ряде ведущих физических лабораторий мира получили распространение пороговые черенковские счетчики, в которых в качестве радиатора используется аэрогель диоксида кремния. Вещество это имеет коэффициент преломления n, настолько близкий к единице (от 1,10 до 1,01), что он перекрывает по этому параметру интервал между газами и конденсированными средами. В результате удается создавать эффективные пороговые черенковские счетчики для интервала импульсов, малодоступного при использовании традиционных радиаторов черенковского излучения.
Аэрогель диоксида кремния состоит из небольших сфер (~4 нм) аморфного кремнезема, соединенного между собой в цепочки, образующие трехмерную сетку, поры которой заполнены воздухом. Аэрогель прозрачен, имеет развитую поверхность ~500-100 м2/гр, малый удельный вес – 0,5 г/см3 – 0.05 г/см3 и соответственно коэффициент преломления, близкий к единице, низкую теплопроводность и звукопроводимость. Столь экзотический материал создается в результате весьма специфического технологического процесса. На его первой стадии приготавливается так называемый алкогель, который затем подвергается сушке особого типа. Высушить алкогель обычным способом нельзя, так как прямое испарение будет разрушать пористую структуру за счет поверхностного натяжения и действия капиллярных сил. Для удаления жидкости из пор алкогеля его нагревают в автоклаве (до 250о при 120 атм), после чего производится медленный сброс давления паров из автоклава. Процесс сушки длится обычно около двух суток.
При приготовлении алкогеля предъявляются весьма жесткие требования к очистке исходных материалов, а при сушке – строгое соблюдение графика изменения температуры и давления. Даже это краткое описание процесса указывает на его нетривиальный характер.
Работы по изучению природы черенковского излучения и его применению в физических экспериментах в течение многих лет проводились в ЛЯП ОИЯИ под руководством В. П. Зрелова. Многие из этих работ осуществлялись в тесном сотрудничестве с учеными Университета им. Коменского (Братислава). Поэтому не удивительно, что именно В. П. Зрелов и Я. Ружичка стали инициаторами предложения о разработке аэрогельных черенковских счетчиков для экспериментальных установок, планировавшихся в ОИЯИ для новых ускорителей в начале 90-х годов. Известные трудности не позволили реализовать эти проекты, и первоначальная цель работы была потеряна. Тем не менее, целесообразность начать в ОИЯИ разработку технологии изготовления аэрогеля и создание соответствующей технической базы представлялась достаточно очевидной: овладение новыми экспериментальными методиками и технологиями может в тяжелых современных условиях быть для нашего Института одной из немногих реальных опор устойчивости и развития. Поэтому в рамках исследований по физике промежуточных энергий в ЛЯП был открыт проект АЭРОГЕЛЬ, основная цель которого состояла в создании технологического участка для изготовления аэрогеля и отработке методики изготовления его образцов с требуемыми для экспериментов параметрами.
Работы были начаты в 1992 году. На первом этапе были подготовлены и оборудованы помещения для проведения химических работ и для размещения автоклава. Однолитровый автоклав был спроектирован совместно с Университетом им. Я. Коменского и изготовлен в мастерских ЛЯП. Таким образом, была подготовлена база для получения образцов аэрогеля диаметром до 80 мм.
В течение нескольких лет была отработана методика приготовления аэрогеля в однолитровом автоклаве. Образцы, полученные в нашей лаборатории, по качественным характеристикам сравнимы с тем, что делается в других лабораториях мира. На созданном у нас прототипе черенковского аэрогельного счетчика были измерены основные его характеристики при разных коэффициентах преломления используемых радиаторов. Эту работу затрудняло то, что для измерений мы были вынуждены использовать не пучки частиц на ускорителях, а космические излучения.
В 1995 году из Болонского университета (Италия) нам безвозмездно передали автоклав емкостью 37 л, в котором возможно изготовление крупных образцов аэрогеля диаметром до 220 мм. Для размещения этого автоклава потребовалось специальное помещение с водопроводом, канализацией, вентиляцией, грузоподъемником и т. п. согласно жестким требованиям службы безопасности. Значительные трудности были связаны с паспортизацией автоклава, изготовленного в Италии, проведением экспертиз в специализированных организациях.
Опираясь на ранее полученный опыт, нам удалось в первом же эксперименте на 37-литровом автоклаве получить образец хорошего качества диаметром 210 мм и толщиной 30 мм. Образцы такого размера могут быть использованы для создания крупногабаритных черенковских аэрогельных счетчиков с радиатором площадью несколько квадратных метров. Они войдут в состав существующих и вновь создаваемых физических установок на ускорителях и в космосе.
Уникальные свойства аэрогелей привлекают внимание не только физиков, изучающих атомные ядра и элементарные частицы. Значительный интерес в исследовательских центрах (США, Германии и др.) проявляют к использованию уникальных свойств аэрогелей в прикладных целях, таких как создание эффективных теплоизоляторов, носителей катализаторов, звукоизоляторов, поглотителей и фильтров для газов и жидкостей и т. п. Мы уверены в том, что в настоящее время в ОИЯИ создана хорошая научно-техническая база для совместных работ с применением аэрогелей.
Наш рассказ был бы неполным, если не сказать о людях, принимавших деятельное участие в реализации проекта. Молодой специалист С. В. Филин создал необходимый химический участок и выполнил весь комплекс работ по приготовлению исходного сырья и алкогеля диоксида кремния. Активно присоединился к этим работам и физик А. И. Пузынин. В. А. Уткин спроектировал однометровый автоклав, а сотрудники цеха опытного производства ЛЯП под руководством В. Г. Сазонова его изготовили. Значительные усилия для введения в строй 37-литрового автоклава были предприняты Ю. Н. Харжеевым. Монтажные работы выполняли А. П. Фурсов, А. Н. Графов и В. А. Рокаль. В длительных операциях по сушке аэрогеля, требующих аккуратности и тщательности, принимали участие Т. С. Тиханова, Н. И. Максимова, С. В. Филин, А. И. Пузынин, А. П. Фурсов, А. Н. Графов, В. В. Рокаль. Характеристики полученных образцов аэрогеля были исследованы Ю. К. Акимовым, В. П. Зреловым, Ю. Н. Харжеевым, Л. Крупой и А. И. Чуриным.
Совершенно необходимой для успеха проекта была совместная работа с сотрудниками из Словакии Я. Ружичкой, П. Павловичем, Д. Колларом, Л. Кухтой, К. Езенаком и В. Файнгером. Мы исключительно благодарны профессору П. Фрабетти (Италия) за поддержку проекта.
И, разумеется, неоценимы внимание и поддержка, оказанные на различных стадиях реализации проекта, директора ЛЯП Н. А. Русаковича и вице-директора ОИЯИ Ц. Вылова.
В. Комаров, руководитель отдела физики промежуточных энергий
А. Филиппов, руководитель проекта “Аэрогель”