Одной из причин нынешнего финансового кризиса многие эксперты называют исчерпанность старых технологий, десятки лет служивших движителями экономики. Соответственно один из инструментов его преодоления — переход к новым технологиям, которые во многом изменят жизненный уклад, вызвав перенос трудовой активности людей в иные, до сих пор малоизвестные сферы, требующие новых умений и более высокого интеллекта.
В конце ноября в НТК «Институт монокристаллов» состоялась Международная конференция «Инженерия сцинтилляционных материалов и радиационные технологии», организованная Институтом сцинтилляционных материалов и Институтом ядерных исследований НАН Украины. Ее итог: в Украине развиваются все научно-технологические направления, существующие сегодня в сцинтилляционной инженерии.
В мире сцинтилляций
Сцинтилляторы — это вещества, в которых под действием ионизирующих излучений возникают световые вспышки — сцинтилляции. Элементарный акт, с которым имеют дело сцинтилляционная физика и инженерия, — испускание фотона веществом сцинтиллятора при прохождении через него заряженной частицы. Если же эта частица на своем пути производит много сцинтилляций, мы увидим в объеме сцинтиллятора ее след.
Но в основе сцинтилляционной инженерии — не один элементарный акт, а два. Второй, не менее важный, — поглощение этого фотона в другом месте, сопровождающееся созданием сигнала (обычно электрического) о произошедшем событии. То есть имеется система, создающая сцинтилляционный сигнал, и система, его принимающая, — детектор.
Техника, оснащена на методах сцинтилляционной инженерии, получила прописку во многих наших медицинских учреждениях, но может похвастаться отечественным происхождением. Хотя отдельные ее элементы успешно изготавливаются в Украине, отсутствует экономическая среда, способствующая их интеграции в готовые изделия. А главное — нет массового (и платежеспособного) спроса на них.
Нужно сказать еще и о системе, обрабатывающей принятый сигнал: она не менее важна, чем первые две, теряющие без нее чуть ли не весь свой позитивный смысл. Поэтому развитие сцинтилляционной инженерии неразрывно связано еще и с прогрессом в развитии вычислительных средств – компьютеров и программного обеспечения.
Это те «три кита», на которых стоит сцинтилляционная инженерия.
В качестве сцинтилляторов могут выступать нанометровых размеров кристаллиты и огромные монокристаллы. Сцинтилляции происходят в жидких, твердых и газообразных средах, органических и неорганических, живых и мертвых, они могут обладать различными свойствами и параметрами, подходящими для одних задач и совершенно непригодными для других. В общем, это целый мир.
Детекторы
Простейшее применение сцинтилляторов — детекторы заряженных частиц. Когда Эрнст Резерфорд (по прозвищу Крокодил) проводил свои знаменитые опыты по рассеянию а-частиц атомами золота, он двигал вокруг мишени — золотой фольги — экран из сернистого цинка и наблюдал световые вспышки в местах попадания б-частиц на экран. Так ему удалось узнать картину рассеяния, которая помогла установить распределение электрического заряда в атоме и сформулировать планетарную модель.
Более близкое к нам сцинтилляционное устройство — экран телевизора или компьютерного монитора: мы видим изображение (движущееся и цветное) благодаря миллионам сцинтилляций, управляемым образом вспыхивающих в разных точках экрана. В принципе, это тоже детектор частиц (в данном случае электронов) того же типа, что и резерфордовский экран из сернистого цинка.
Современные детекторы, о которых шла речь на конференции, предназначены для решения куда более тонких задач, требующих и гораздо более изощренной техники регистрации событий. Например, поиски частиц — кандидатов на «темную материю», из которой, как полагают космологи, на 25% состоит Вселенная, но которую мы до сих пор никогда не наблюдали. Или чрезвычайно редко случающихся (если вообще случающихся) безнейтринных двухэлектронных распадов тяжелых частиц. Это две проблемы, относящиеся к числу ключевых в физике элементарных частиц и космологии. Первая из них требует детекторов с чувствительностью, позволяющей уверенно регистрировать более 1 полезного события за 10 дней на 1 кг массы детектора. Вторая — еще сложнее: здесь речь идет уже о регистрации 1 события за 2 года на килограмм массы детектора. Чтобы обеспечить такую чувствительность, надо создать детекторы с ультранизким собственным фоном. Это кажется чудом, но экспериментаторы из российского Института теоретической и экспериментальной физики уже заняты инженерными разработками таких детекторов на основе одного из изотопов молибдена.
Следует упомянуть и детекторы частиц для Большого адронного коллайдера. Это детектирующие элементы рентгеновских и гамма-телескопов, медицинских диагностических приборов, приборов таможенного контроля и контроля над нераспространением ядерных материалов, устройств визуализации многочисленных физических полей.
Медицина
Еще в 80-е годы минувшего века в Харьковском институте терапии автору ввели в вену выводящийся через почки быстрораспадающийся радиоактивный препарат. А уже через пару минут показали на мониторе цветное пульсирующее изображение почек, созданное распадами радиоактивных атомов в почечных тканях. Это тоже чудо сцинтилляционной инженерии — визуализация объектов и процессов, в норме скрытых от человеческого глаза, о состоянии и течении которых врач до сих пор вынужден был судить исключительно косвенно. Тогда это был писк «забугорной» медицинской техники.
Увы, и сегодня эта техника, получившая прописку во многих наших медицинских учреждениях, не отечественного происхождения. И хотя отдельные ее элементы успешно изготавливаются в Украине, отсутствует экономическая среда, способствующая их интеграции в готовые изделия. А главное — нет массового (и платежеспособного) спроса на них.
Визуализирующую аппаратуру, дающую врачу возможность исследовать внутренние органы пациента неповреждающими методами, можно условно разделить на две группы — приборы анатомической и функциональной диагностики. Первые позволяют обнаружить видимую патологию, проявляющуюся на поздних стадиях болезни, вторые — выявить заболевание на той ранней стадии, когда грубых анатомических изменений еще не произошло.
Во вторую группу входят аппараты УЗИ, однофотонно-эмиссионные гамма-камеры и томографы (ОФЭКТ), позитронно-эмиссионные томографы (ПЭТ) и появившиеся недавно магниторезонансные томографы с возможностью проведения функциональных исследований (ФМРТ). ОФЭКТ и ПЭТ дают высокое качество изображения и позволяют диагностировать огромное число заболеваний, обладая большой широтой применения, чувствительностью и специфичностью диагностических методик.
Эти приборы работают примерно так же, как и испытанный автором на себе радионуклидный урограф: перемещаясь и накапливаясь в организме, радиоактивный фармпрепарат испускает гамма-кванты, регистрируемые детектором, построенным, как правило, на основе сцинтилляционного кристалла. А вычислительная система обрабатывает информацию и формирует изображение.
Роль сцинтилляторов в медицинской диагностике сегодня устойчиво держится на постоянном уровне, но есть и такая область их применения, в которой эта роль стремительно растет.
Безопасность
Это область безопасности, в которой сцинтилляционные устройства позволяют обнаружить наркотики в багаже наркокурьера или оружие под одеждой преступников, а также дают возможность с высокой скоростью вести автоматический таможенный досмотр багажа.
Одно из последних инженерных достижений в технике досмотровых систем: теперь идентификация веществ в багаже пассажиров возможна не только по их плотности, но и по атомному номеру. Робот, производящий досмотр, больше не станет в тупик перед вопросом, что это — кусок мыла или тротиловая шашка. Да и досматриваемые объемы — новинка. Это могут быть не только чемоданы, но и автомобильные фуры, и морские контейнеры. К новшествам относятся и инженерные средства контроля над перемещением радиоактивных материалов. Их роль в решении задач безопасности трудно переоценить: такие методики позволяют защитить границы всех государств мира от несанкционированного провоза радиоактивных веществ.
Теперь идентификация веществ в багаже пассажиров возможна не только по их плотности, но и по атомному номеру. Робот, производящий досмотр, больше не станет в тупик перед вопросом, что это: кусок мыла или тротиловая шашка. Да и досматриваемые объемы — новинка. Это могут быть не только чемоданы, но и автомобильные фуры, и морские контейнеры.
Список задач, решаемых методами сцинтилляционной инженерии, постоянно расширяется. Соответственно растет и перечень устройств, очень необычных как по характеру выполняемых задач, так и по методам их решения. На кухне таких устройств пока нет, хотя, как знать, возможно, скоро они будут и там. Зато они все чаще появляются в больницах и поликлиниках, пограничных пунктах пропуска транспорта, на таможенных досмотровых пунктах, не говоря уже о научных лабораториях, получающих все новые результаты исследований и создающих новейшие устройства и приборы. Это высший технологический пилотаж, расширяющий наши представления о границах возможного.
Конечно, смешно думать, будто сами по себе сцинтилляционные технологии выведут Украину из кризиса. Но они входят в число инноваций, на которых может быть построена реальная экономика будущего в противовес воздвигавшимся в мире виртуальным финансовым пирамидам.
