ФГУП "Федеральный центр
двойных технологий "Союз"

предприятие основано в 1947 году

Россия, 140090, М.О., г. Дзержинский, ул. Академика Жукова, д. 42
Тел.: (495) 551‑76‑00; Факс: (495) 551‑11‑44
www.fcdt.ru, e-mail: soyuz@fcdt.ru

Новости предприятия

Недавно многие СМИ России распространяли сенсационное сообщение – на дне озера Байкал запущен крупнейший в мире нейтринный телескоп. Телескоп на дне озера, странно звучит, не правда ли? И что такое нейтрино? Как говорит Интернет, нейтрино – мельчайшие частицы во Вселенной. Их невероятно много. И каждая несет массу информации о мироздании. От начала времен. Бери и изучай! Но нейтрино нужно прежде всего поймать. И тут ученым приходит мысль использовать для этих целей самое чистое и глубокое озеро планеты – Байкал. И это стало новым этапом в развитии молодой науки – нейтринной астрофизики, у истоков формирования которой стояли, в том числе, специалисты ФЦДТ «Союз».

Триллионы нейтрино проходят ежесекундно через нашу планету, как вода сквозь сито. Их остановить невозможно. А вот отследить – да, возможно. Таким ситом для нейтрино является вода. Глубоководный Байкал стал детектором нейтрино, для этого достаточно экспериментальную установку водрузить на большой глубине. Проходя сквозь толщу воды нейтрино излучает слабый сигнал. Чтобы зафиксировать его, нужно в толще воды растянуть сети с тысячами датчиков, упакованных в водонепроницаемые шары. Достаточно одного кубического километра – сегодня именно такой объем занимает в глубинах озера установка.

Но начиналось все со смелого эксперимента сорок лет назад. Большинство из сотрудников «Союза» даже и не подозревает, что наше предприятие стояло у истоков создания данного сложного направления исследования тайн космоса.

Об этой работе как непосредственный ее участник сегодня рассказывает главный инженер-­первый заместитель генерального директора ФЦДТ «Союз» Анатолий Михайлович Бубра:

– Большой опыт, накопленный при создании корпусных изделий для ракетных комплексов различного назначения, позволил в сжатые сроки в 90-­х годах прошлого столетия решить наукоемкую сложную задачу создания глубоководного телескопа для регистрации параметров движения природного потока нейтрино и мюонов в широком диапазоне энергии.

К данной работе было подключено ЛНПО «Союз», которое выполняло большую расчетно-­экспериментальную и исследовательскую работу по созданию телескопа.

Работы по созданию большого мюонного телескопа на озере Байкал начали проводиться после выхода совместного Постановления Государственного комитета СССР по науке и технике, Госплана СССР и Академии наук СССР от 26 декабря 1980 года.

Однажды, вернувшись после очередного заседания Президиума Академии наук СССР, генеральный директор академик Жуков Б.П. пригласил к себе группу специалистов нашего института, включая и автора данной статьи, и поручил связаться с ученым секретарем Института ядерных исследований АН СССР Домогацким Григорием Владимировичем (ныне член-­корреспондент РАН) для оценки возможности проведения совместных работ по созданию первого глубоководного мюонного телескопа с использованием изделий из композиционного материала для размещения в глубинах озера Байкал.

Байкальский мюонный телескоп – новое направление в нейтринной астрофизике, позволяющее получать неоценимую информацию о строении Вселенной.

Схема расположения оптического нейтринного глубоководного телескопа на озере Байкал (местоположение на карте указано звездочкой)

Почему именно наши композиционные материалы так заинтересовали исследователей? На этот вопрос есть однозначные ответы: высокая прочность, устойчивость к длительному воздействию воды, а главное – обеспечение положительной плавучести телескопа позволяют создать высокоточный детектор мюонов и нейтрино.

Известно, что в отечественном и зарубежном судостроении все больше внимания удаляется конструкциям из композиционных материалов на основе высокопрочных стеклянных, углеродных и борных волокон. Высокие удельная прочность, жесткость, диэлектрические свойства, стойкость в широком диапазоне температур к морской воде, долговечность и другие положительные качества позволили композиционным материалам успешно конкурировать с высокопрочными коррозионностойкими сталями при изготовлении корпусов судов, глубоководных аппаратов, поплавков, обтекателей, кожухов подводных лодок.

В 60-­90 годах прошлого столетия было получено представление об истории развития и строении Вселенной с помощью оптических, радио­, рентгеновских и гаммателескопов.

Однако новым «окном» во Вселенную стало создание нейтринных телескопов, а направление науки – нейтринная астрономия.

Многие астрофизические объекты от обычных звезд типа нашего Солнца до активных галактических ядер являются мощными источниками нейтрино в широком диапазоне энергий.

Были созданы подземные установки для изучения энергетического спектра солнечных нейтрино (характерная величина их энергии: 0,2­15 МэВ) и от других источников, что позволило экспериментально проверить модель термоядерного синтеза внутри Солнца, впервые был зарегистрирован нейтринный сигнал от взрыва сверхновой звезды и открыты потоки нейтрино, что однозначно указывает на наличие не равной нулю массы нейтрино.

Созданный самый крупный в то время подземный комплекс Super-­Kamiokande объемом 52 000 м3 для регистрации астрофизических нейтрино не позволял изучать многие Галактические и внегалактические источники частиц сверхвысоких энергий и вести поиск новых форм материи, решения других фундаментальных задач астрофизики и физики элементарных частиц. Как показали расчеты советского ученого академика М.А. Маркова, нужен был оптический детектор для нейтринных исследований высоких энергий объемом в один кубический километр. Более принципиальным было создание больших детекторов для регистрации нейтрино высоких и сверхвысоких энергий в естественных водоемах. В таких установках природная вода океана или глубокого моря одновременно служит мишенью для нейтрино, средой, в которой распространяется Черенковское излучение рождающихся при взаимодействии заряженных частиц, и защитой от фона космических лучей. Для регистрации Черенковского света необходимо создать глубоко под водой пространственную решетку высокочувствительных приемников света – оптических модулей. Возможность практической реализации этого предложения начала обсуждаться в середине 70-­х годов, когда был подготовлен международный проект детектора мюонов и нейтрино около Гавайских островов (DUMAND). Однако на практике создание глубоководного нейтринного телескопа в условиях открытого океана оказалось слишком сложным. В результате, после нескольких неудачных попыток развертывания элементов установки DUMAND американцы, которые играли ключевую роль в проекте, решили, что проще и надежнее создавать установку для регистрации нейтрино высоких энергий на южном полюсе в антарктическом льду. Вначале была успешно создана установка AMANDA, которая включает в себя 677 оптических модулей, распределенных на 19 тросах в толще льда в диапазоне глубин 800­-2000 м, а потом установка Ice Cube, в которой уже 4800 оптических модулей на 80 тросах в объеме около кубического километра. Развитие Байкальского нейтринного проекта связано с предложением советского ученого А.Е Чудакова использовать ледовый покров озера для проведения монтажных операций при отработке методики глубоководной регистрации нейтрино. При этом в начале 80­-х годов казалось, что Байкал недостаточно глубок для создания крупномасштабного нейтринного телескопа, в первую очередь, из-­за большого фона атмосферных мюонов. Однако, успехи в развертывании и эксплуатации первых Черенковских детекторов на Байкале, разработка методов выделения нейтринных событий из мюонного фона, а также благоприятные природные условия стали основой для создания первого в мире глубоководного нейтринного телескопа НТ200, который был введен в эксплуатацию в 1998 году. Природная вода является неотъемлемой частью Байкальского нейтринного телескопа, ее свойства (прозрачность, световой фон, температура и т.д.) и происходящие в озере процессы (течения, седиментация и др.) сильно влияют на работу установки, поэтому с самого начала существенное место в Байкальском нейтринном проекте занимали исследования «среды обитания» установки. Наличие ледового покрова в течение приблизительно 8 недель существенно облегчает развертывание детектора (по сравнению с реализацией аналогичных проектов в океане). Использование глубоководных телескопов для регистрации параметров движения природного потока нейтрино и мюонов в широком диапазона энергий – новое направление в астрофизике, позволяющее получить неоценимую  информацию о строении Вселенной. Разработанная для этих целей конструкция нейтринного глубоководного телескопа базируется на использовании в качестве регистрирующей аппаратуры оптических и системных модулей, закрепленных на кабель­-тросах с четко зафиксированным взаимным расположением. Оптический нейтринный глубоководный телескоп – уникальная пространственная конструкция, находящаяся в погруженном состоянии длительное время и позволяющая на глубине 1500­-1700 м фиксировать Черенковское свечение, которое возникает при прохождении нейтрино или мюонов через водную среду, служащую экраном от природных частиц малой энергии.

Системные модули: после трех лет нахождения в водах озера Байкал в составе нейтринного телескопа и новый вариант, разработанный в ЛНПО «Союз»

Использование металлических глубоководных корпусов для размещения оптической и электронной аппаратуры ограничено отсутствием положительной плавучести гирлянды нейтринного телескопа и малой долговечностью вследствие появления электролитической коррозии и повреждения кабель-­троса при длительном статическом погружении.

Действующие в настоящее время Байкальские нейтринные телескопы НТ200 и НТ200+ расположены в 3,5 км от берега в районе 106-­го км Кругобайкальской железной дороги на Южном Байкале, глубина в этом месте около 1370 м.

В целом, установки представляют собой сеть притопленных буйковых станций, на которых размещаются оптические модули, регистрирующие Черенковское излучение релятивистских заряженных частиц, родившихся в результате взаимодействия нейтрино с веществом; электронные модули, предназначенные для обработки поступающих от оптических модулей сигналов, и связи с береговым центром, а также различные гидроакустические, гидрооптические, гидрологические и другие приборы.

Все буйковые станции имеют три основных конструктивных элемента: якорь весом 300­-800 кг, закрепленный к нему стальной или синтетический канат (в некоторых случаях так называемый кабель­-трос), и одну или несколько плавучестей – буев, самые верхние буи находятся на глубине около 15 м.

Была предложена и реализована схема построения телескопа в виде «гирлянды».

В первом Байкальском глубоководном нейтринном телескопе НТ200 96 пар оптических модулей размещены поровну на 8 буйковых станциях, образуя так называемые «гирлянды», из них 7 периферийных «гирлянд» распределены равномерно по окружности с радиусом 21,5 м и зафиксированы к концам стеклопластиковых труб, которые, в свою очередь, крепятся к стальной раме на центральной «гирлянде» установки на глубине 1100 м. Оптические модули это – стеклянные сферы диаметром около 50 см, внутри которых находятся фотоприемники «Квазар» с диаметром фотокатода 37 см.

Мы разработали первые образцы оптических и системных модулей и провели их испытание с имитацией погружения на глубину 1,5 км.

Было проанализировано и экспериментально опробовано использование различных композиционных материалов и конструкций уплотнителей, работоспособных при длительной нагрузки внешним гидравлическим давлением.

Схема первого Байкальского нейтринного телескопа. В последующие годы от данной схемы пришлось отказаться, так как весьма сложно было позиционировать каждую из ветвей телескопа

Выбор в качестве основного конструкционного материала для глубоководных модулей композиционного материала – стеклопластика – обоснован многими параметрами (относительно низкой стоимостью по сравнению с органоугле-­ и боропластиками, достаточной прочностью и др.), которые оценивались совместно с головным Институтом ядерных исследования РАН.

В процессе отработки конструкций модулей был использован научно-­технический задел и технологии двойного назначения.

Использование металлических глубоководных корпусов для размещения оптической и электронной аппаратуры ограничено, как было сказано выше, отсутствием положительной плавучести «гирлянды» нейтринного телескопа, малой долговечностью вследствие появления электролитической коррозии и повреждения кабель­-троса при длительной статической нагрузке.

Эпоксидные смолы, применяемые в корпусных деталях ракетно-­космической техники, обладают высокими механическими свойствами, теплостойкостью, усталостной прочностью по  сравнению с традиционными более устаревшими полиэфирными смолами. Технологии двойного назначения позволяют создавать специальные конструкции с требуемыми массовыми и прочностными характеристиками на основе эпоксидных связующих типа ЭФБ­-3, ЭДТ-­10, ЭДФ­-6 и др., не уступающими по характеристикам зарубежным эпоксидным системам на основе ERLA 2256 или DER 383.

Было разработано и испытано на озере Байкал более 10­-и конструкций оптических и системных глубоководных модулей.

На наружную поверхность модулей наносилось токопроводящее покрытие ХП-­5237, которое одновременно выполняло роль влаго-­ и светозащитного покрытия. Для экранирования аппаратуры и снижения влагопроницаемости внутренняя поверхность модулей покрывалась алюминиевой фольгой толщиной 0,05­-0,08 мм. Исследования показали, что использование подобного метода влагозащиты композиционного материала позволило существенно, в 5­7 раз уменьшить влагопроницаемость материала.

Особенность конструкции модулей заключалась в том, что крышки и иллюминаторы крепились к цилиндрическому корпусу путем вакуумирования полости модуля до уровня 7,0­-70 мм рт.ст., а элементы фиксации выполняли роль транспортировочных фиксаторов.

Технология изготовления, сырье и материалы для производства модулей были отработаны при изготовлении корпусов РДТТ из высокопрочных композиционных материалов. Аналогичным образом все расчетно-­экспериментальные исследования проводились по методикам и на стендах, используемых в ракетной технике.

Руководитель экспедиции в 1981­1983 гг. Г.В. Домогацкий (слева)

Для проведения лабораторных и заводских испытаний глубоководных изделий были созданы и защищены авторскими свидетельствами испытательные стенды, позволяющие контролировать герметичность и деформационные характеристики при нагрузке внешним избыточным давлением до 30 МПа с доступом к внутренней полости изделий, а также возможности видео и фотосъемки.

В процессе отработки конструкции модулей большое внимание уделялось вопросам герметизации внутренней полости модулей, где размещалась регистрирующая и передающая аппаратура.

Как показали исследования при длительной выдержке в воде стеклопластика происходит некоторое снижение статических механических свойств. В отделах 15 и 22 были исследованы физико-­механические характеристики материала корпусов до и после выдержки глубоководного модуля на глубине 1400 м в течение трех лет по стандартным методикам и выданы положительные заключения.

Анализ полученных данных показал, что пределы прочности при растяжении и сжатии стеклопластика в осевом направлении снижаются после трех лет эксплуатации на 15%. Уровень этих характеристик, в основном, определяется работой наполнителя – стеклоткани. В то же время прочностные характеристики, связанные преимущественно с работой эпоксидного связующего, а также комплекс упругих характеристик не изменяются.

Благодаря использованию отработанной ранее технологии изготовления корпусов РДТТ из композиционных материалов были получены образцы корпусов, обеспечивающих герметичность при длительном времени эксплуатации на больших глубинах, даже без дополнительных герметизирующих слоев резины.

Таким образом, используя имеющиеся научно­-технический задел и технологии двойного назначения, была решена сложная задача создания глубоководных оптических и системных модулей для комплектации глубоководного нейтринного детектора на Байкале. В настоящее время глубоководные модули прошли цикл натурных испытаний на озере в течение трех лет при гарантийном сроке до 10 лет. Системные модули использовались для экологических исследований, включающих определение естественного свечения и прозрачности воды на больших глубинах.

В 80­-х годах, благодаря наличию в НИИЯФ МГУ хорошего вычислительного комплекса ЕС-­1040 и ЕС-­1066, были созданы основные программы моделирования отклика детектора на прохождение мюона в воде, использовавшиеся при проектировании нейтринного телескопа.

В 2005 году были завершены работы по значительному увеличению эффективного объема и совершенствованию Байкальского нейтринного телескопа, в результате чего был создан новый усовершенствованный телескоп НТ200+.

В настоящее время завершены работы по созданию на озере Байкал мощнейшего детектора объемом около кубического километра. Развитие новых методик непрерывных измерений на стационарных буйковых станциях, создание уникальных высокоточных приборов позволило получить много уникальных данных о развитии гидрофизических и биогеохимических процессов в озере Байкал.

При подготовке данной публикации использованы архивные материалы ЛНПО «Союз» и открытые публикации на страницах изданий Академии наук СССР и РАН.

Огромная благодарность и наилучшие пожелания крепкого здоровья и новых творческих успехов коллектив ФГУП «ФЦДТ «Союз» выражает руководителю Байкальского нейтринного проекта  (8 институтов России и Zeuthen (Германия), члену­-корреспонденту РАН Домогацкому Г.В., который отметил свой 80-­летний юбилей в 2021 году.

Автор выражает глубокую благодарность всем сотрудникам ФГУП «ФЦДТ «Союз», принимавшим участие в разработке, освоении производства уникальных образцов глубоководных изделий для комплектования нейтринного телескопа и проведения экспериментальных исследований изделий, в том числе на озере Байкал. Считаю, что подобные работы могут служить примером для новых поколений исследователей и инженерно-­технических работников нашего «Союза».

Лента новостей

12-11-2021
Новости предприятия
3 октября, в день рождения первого мэра города Виктора Ивановича Доркина, представители администрации...
12-11-2021
Новости предприятия
Кто такой инженер? Как утверждает Википедия, инженер – это специалист­-изобретатель, который создает или...
12-11-2021
Новости предприятия
25 сентября в Балашихе состоялись Московские областные соревнования по гиревому спорту и перетягиванию...
12-11-2021
Новости предприятия
С 5 по 10 июля этого года город-­герой Севастополь принимал участников XXXI­-й Международной конференции...
11-11-2021
Новости предприятия
28 октября отмечает свой юбилей ведущий специалист по дефектоскопии, начальник сектора 283 Виктор...