Проницательный нейтрон

Видит насквозь, не оставляет радиационного фона и не имеет аналогов в мире — такова установка, в которой использован метод меченых нейтронов, ее разработала сколковская компания «Диамант».

Можно не разбивать алмазную породу, чтобы увидеть кристаллы, а просто просветить ее мечеными нейтронами

Фото: Копалин В. / ТАСС

Когда на уроках географии рассказывают о добыче полезных ископаемых, обязательно говорят о бедных и богатых месторождениях, а еще об обогащении руды, то есть выделении из нее ценных компонентов. Но как определить концентрацию полезных компонентов в руде?

Обычно применяется химический анализ. Дело это небыстрое: пробу надо высушить, измельчить в пыль с частицами размером несколько десятков микрон и только потом исследовать. Процесс занимает несколько дней. Кажется, рентгеновский аппарат будет быстрее — возможно, но только рентген видит вглубь породы всего на несколько миллиметров.

Ускорить процесс в десятки раз помогла фундаментальная наука — нейтронная физика, на основе которой компания «Диамант» (резидент «Сколково») разработала способ определения качества руды и ее элементного состава.

Ядерное начало

Метод меченых нейтронов — яркий пример внедрения в практику разработок фундаментальной науки. Первоначально метод был разработан в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне при активной поддержке академика Владимира Кадышевского. В начале 2000-х годов для коммерциализации метода ОИЯИ создал компанию во главе с доктором физико-математических наук Михаилом Сапожниковым, которая позже трансформировалась в «Диамант».

«Обычное нейтронное излучение разлетается по сфере,— объясняет Татьяна Сыроватская, гендиректор ООО "Диамант".— Но если нейтроны пометить альфа-частицами, можно отследить направление, куда они полетят. Помеченные альфа-частицами нейтроны попадают в объект исследования и выбивают из него гамма-кванты, которые регистрируются гамма-детекторами. Спектр гамма-квантов индивидуален для каждого элемента — как отпечатки пальцев. Считывающая электроника анализирует "выбитые" гамма-кванты и строит спектр исследуемого образца. Потом полученные спектры сравнивают с имеющейся базой данных и определяют элементный состав породы. Все просто и красиво. Эта технология может применяться в очень широком диапазоне отраслей».

У быстрых меченых нейтронов большая проникающая способность, поэтому с их помощью можно определять состав объекта, скрытого в сейфе, чемодане, цистерне и даже в морском контейнере. Более того, по времени полета нейтрона практически однозначно определяется место в объекте, откуда был испущен гамма-квант. Такую информацию не дает ни один другой метод анализа.

«Проверено на практике,— говорит Татьяна Сыроватская.— Наш заказчик АО "Апатит" прислал нам контрольные пробы руды, которые одновременно с нами методом химического анализа исследовал Кольский геологический информационно-лабораторный центр (КГИЛЦ). Контрольные пробы — это мешки с камнями. Мы моментально их просветили и выдали результат — у КГИЛЦ на это ушел месяц. Зато они подтвердили точность нашего метода».

Еще одно преимущество установки на меченых нейтронах в том, что в выключенном состоянии она не дает радиоактивного излучения, поэтому ее можно перевозить любыми видами транспорта. Поток нейтронов возникает только тогда, когда прибор включен. В течение минуты после выключения радиация полностью исчезает, так что прибором можно «просвечивать» даже продукты.

Прибор с Марса

Стоит прибор для анализа руды около 15 млн руб. Почти половина — цена нейтронного генератора — высокотехнологичного прибора, который выпускают всего три предприятия в мире. Одно из них — Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики имени Н. Л. Духова (ВНИИА) госкорпорации «Росатом». Чтобы понять уровень этой техники, достаточно вспомнить, что нейтронный генератор производства ВНИИА был установлен на американском марсоходе Curiosity, отправленном на Красную планету в 2011 году. «ВНИИА заинтересован в сотрудничестве с нами. Ведь чтобы добиться хороших характеристик своих генераторов, им нужно, чтобы кто-то их применял»,— подчеркивает Татьяна Сыроватская.

В приборе используются также кристаллы BGO, которые по заказу «Диаманта» делает Институт неорганической химии имени А. В. Николаева Сибирского отделения РАН. Фотоэлектронные умножители закупают у японской компании Hamamatsu Photonics через официального дилера в России. А вот гамма-детекторы в компании научились делать сами — для себя и на продажу. Ну и, конечно, программное обеспечение, которое анализирует спектры, тоже свое. Технологии, установки, ПО — все защищено российскими и зарубежными патентами.

Причем здесь метро

Разработкой дубнинских физиков сначала заинтересовались в ФСБ — она хорошо подходила для того, чтобы распознавать взрывчатые и радиоактивные вещества, яды и наркотики в багаже пассажиров.

Первые установки, основанные на методе меченых нейтронов, которые назывались «Детектор взрывчатки и наркотиков» (ДВИН-1) и были способны обнаруживать более 30 взрывчатых веществ, причем в автоматическом режиме, без участия оператора, появились в метро и на железнодорожных вокзалах в 2011 году. Финансировало проект Роснано, получившее, кстати, неплохую прибыль на вложенные средства. Всего по России было установлено более 100 таких портативных комплексов.

«Они нужны прежде всего для того, чтобы просматривать забытые или брошенные вещи,— говорит Татьяна Сыроватская.— Как реагировать, если в метро валяется что-то на полу и никто не знает, что там? Вызывать саперов? Это парализует работу станции. Бездействовать тоже нельзя: все помнят взрыв в Санкт-Петербурге. А тут переносной прибор, который ставят перед подозрительным предметом и уходят — все работает дистанционно. Эту технологию можно использовать для досмотра автомобилей на постах ДПС, пограничных КПП, таможне. Для этого даже не придется открывать багажник или разгружать фуру с арбузами, которую надо проверить на наличие запрещенных веществ!»

Алмазная пыль

В 2014 году о методе меченых нейтронов узнали в АЛРОСА. Сапожникову позвонил директор Центра инновации и технологий компании АЛРОСА и спросил: «Алмазы увидите?» «Давайте попробуем»,— ответил Михаил Сапожников.

Из Якутии в Дубну привезли кимберлитовую породу — 33 булыжника, упакованных в полиэтилен, опечатанных и пронумерованных. Чтобы принять эти камни, пришлось регистрироваться в Пробирной палате и получать разрешение на их перевозку — такой у нас порядок работы с драгоценным сырьем. «Мы посмотрели их на лабораторном стенде и в образце №17 увидели сигнал о том, что внутри может быть алмаз»,— подытоживает Татьяна Сыроватская.

Руду вернули в АЛРОСА. Там аккуратно разбили этот образец и действительно обнаружили алмаз.

Это стало верным доказательством эффективности метода меченых нейтронов. Другие установки, в том числе использующие рентгенолюминесцентный метод (основан на различиях в интенсивности люминесценции — холодного свечения — минералов под влиянием рентгеновского излучения), «видят» только раскрытые алмазы, то есть находящиеся на сколе. Когда таким образом раскалывают породу, дробятся ценные камни. При этом стоимость алмаза падает в десятки раз, ведь если совсем маленькие алмазики стоят примерно $120 за карат, то за карат крупных камней дают уже $800 тыс.

Так началась вторая жизнь проекта. Под него в 2014 году была создана компания «Диамант», разработавшая, по сути, сепаратор, который определял, какую руду отправлять на конвейер, а какую — в «хвосты». Испытания проводились в Архангельской области на Ломоносовском ГОКе, принадлежащем «дочке» АЛРОСА — АО «Севералмаз». Производительность сепаратора составила 1 т/час. Пока он способен обнаруживать алмазы крупнее 8 мм, но работы по совершенствованию методики и увеличению производительности продолжаются.

Исследуемый объект облучается импульсными нейтронами, которые образуются при воздействии на дейтроновую мишень пульсирующего пучка дейтронов. Нейтроны взаимодействуют с элементами, входящими в состав исследуемого объекта, и образуется гамма-излучение с уровнями энергии, характерными для каждого из элементов.

Генераторы дейтерий-тритиевого типа одновременно с быстрыми нейтронами испускают альфа-частицы с энергией 3,5 МэВ — они летят в обратном по отношению к нейтронам направлении. Если на пути альфа-частицы установить двухкоординатный детектор, можно зафиксировать не только момент вылета нейтрона, но и направление его движения. Таким образом, вылетающие нейтроны становятся мечеными как по времени, так и по направлению. Это дает возможность определить координаты взаимодействий нейтронов с ядрами вещества (скорости нейтронов и гамма-квантов известны) и построить трехмерную картину исследуемого образца.

Главная особенность нейтронного генератора в методе меченых нейтронов — размещение детектора альфа-частиц непосредственно у мишени, внутри нейтронной трубки. В момент регистрации альфа-детектором альфа-частицы на систему совпадений поступает сигнал, по которому открывается временное окно для отбора гамма-квантов в совпадении с альфа-частицами. Фиксация уровня энергии и момента поступления гамма-излучения на детекторы позволяет визуализировать элементарную структуру исследуемого объекта и представить его трехмерное изображение.

Устройство на конвейере

«Из алмазов мы плавно перекочевали в геологию, потому что стали появляться люди, которые спрашивали: "А вы фосфор видите?" — продолжает Татьяна Сыроватская.— В этом надо было разбираться, и мы решили попробовать. Когда прибор для обнаружения фосфора был готов, у нас началась опытно-промышленная эксплуатация на восточном руднике Кировского филиала АО "Апатит". Мы доказали: технологически это возможно. Мы видим углерод и, соответственно, уголь, содержание которого в месторождении сейчас определяют по вторичному параметру — зольности. Когда узнают, что мы можем уголь именно как углерод анализировать, все делают вот такие огромные глаза. Сейчас наша технология успешно используется для определения в полевых условиях концентрации 25 химических элементов и 10 оксидов. К тому же у нас практически налажено серийное производство. Если будет заказ, например, на калий, за полгода мы адаптируем имеющуюся установку под новые задачи. Мы прошли путь от идеи до серийного образца и уже можем работать на поставку».

Установка для анализа горных пород в виде автономной мини-лаборатории способна работать дистанционно, причем расстояние не имеет значения, а информация может поступать на мобильный телефон. Энергии она потребляет не больше, чем электрочайник.

Сейчас разработан вариант установки для анализа руды на конвейере. Большая проникающая способность быстрых нейтронов позволяет разместить нейтронный излучатель под лентой уже действующего конвейера, с минимальными затратами на его модификацию. Установка будет проводить онлайн-анализ руды размером до 300 мм на конвейере, позволяющем перемещать несколько тысяч тонн руды в час. Это позволит оперативно принимать управленческие решения как в процессе обогащения, так и для контроля качества продукции.

«Мы умеем делать аппаратуру для изучения подводных объектов и дна водоемов, для обнаружения различных веществ под водой,— подытоживает Татьяна Сыроватская.— Ее вполне можно использовать в европейских программах безопасности морей».