موضوع مقاله: آشکارساز نوترون | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # آشکارساز نوترون | مقدمه: سخت‌افزار شامل سینتیلاتورهای نوترون، الکترونیک، فاصله منبع تا آشکارساز، زاویه جامد و محافظ است. | ## بخش 1: آشکارساز نوترون | نرم‌افزار شامل ابزارهای تحلیلی مانند تحلیل گرافیکی برای شمارش نوترون و تحلیل انرژی است. با توجه به خنثی بودن نوترون‌ها، تشخیص آن‌ها به طور غیرمستقیم از طریق واکنش‌های هسته‌ای انجام می‌شود که ذرات باردار یا تابش الکترومغناطیسی تولید می‌کنند. این فرآیند بر اساس اصول فیزیکی مانند پراکندگی الاستیک یا جذب نوترون‌ها عمل می‌کند و برای کاربردهای متنوعی مانند نظارت بر راکتورها ضروری هستند. کاربردها از ابزار دقیق راکتورها تا فیزیک پلاسما، علوم مواد، ایمنی تابش و تشخیص مواد هسته‌ای ویژه گسترش می‌یابد. پیشرفت‌های اخیر، مانند استفاده از مواد نیمه‌رسانای پهن‌باند مانند 4H-SiC و الماس، مقاومت در برابر دماهای بالا و تابش را بهبود بخشیده. تشخیص آن‌ها بر اساس ویژگی‌های زیر است: نشانه‌هایی که نوترون را می‌توان تشخیص داد خنثی بودن: نوترون‌ها مستقیماً یونیزاسیون ایجاد نمی‌کنند، بنابراین باید از طریق واکنش‌های هسته‌ای تشخیص داده شوند. این واکنش‌ها شامل تولید ذرات ثانویه باردار یا فوتون‌ها می‌شود که توسط سنسورها قابل شناسایی هستند. سطح مقطع واکنش‌ها با انرژی تغییر می‌کند و در ناحیه اپیتریمال رزونانس‌هایی وجود دارد. گشتاورهای دوقطبی مغناطیسی/الکتریکی: حساسیت کم، اما در تشخیص نوترون‌های سریع از طریق پراکندگی الاستیک مفید است. واپاشی: واپاشی نوترون آزاد بسیار کند است (نیم‌عمر ۸۸۰ ثانیه) و برای تشخیص عملی مفید نیست. این واکنش‌ها برای نوترون‌های حرارتی با سطح مقطع بالا (۵۳۳۰ بارن برای ³He) مناسب هستند. فرآیندهای فعال‌سازی: مانند جذب تابشی یا اسپالاسیون؛ مواد مانند ایندیوم، طلا یا ⁵⁶Fe(n,p)⁵⁶Mn برای مشخصه‌سازی طیف انرژی. واکنش‌های پراکندگی الاستیک: عقب‌نشینی پروتون؛ مواد هیدروژنی برای نوترون‌های پرانرژی. بررسی‌های اخیر نشان می‌دهد که برای نوترون‌های کند تا سریع، مکانیسم‌های هسته‌ای کلیدی هستند که ذرات ثانویه تولید می‌کنند. آشکارساز ذرات برای نوترون آشکارسازها بر اساس انرژی نوترون (آهسته یا سریع) و نوع رسانه (آشکارسازهای یونیزاسیون گازی، آشکارساز نیم‌رسانا، سینتیلاتور یا سوسوسنج، غیرفعال) دسته‌بندی می‌شوند. آشکارسازهای گازی متناسب(شمارنده تناسبی) این آشکارسازها با استفاده از نوکلیدهایی مانند ³He، ⁶Li، ¹⁰B، ²³⁵U تطبیق داده می‌شوند و اغلب برای نوترون‌های حرارتی تعدیل می‌شوند. آشکارسازهای متناسب پرشده با گاز ³He: نوترون‌های حرارتی را جذب کرده و یون‌های H و H-3 تولید می‌کنند؛ حساسیت کم به گاما اما کمبود عرضه. آشکارسازهای متناسب پرشده با گاز BF₃: از بورون غنی‌شده استفاده می‌کند؛ حساسیت بالاتر (۳۵-۴۰ CPS/nv). | ## بخش 2: آشکارساز نوترون | آشکارسازهای متناسب بورون‌دار: دیواره‌ها با ¹⁰B پوشیده شده؛ محصولات واکنش انرژی را در لایه از دست می‌دهند. آشکارسازهای سینتیلاتور نوترون شامل مایعات آلی، کریستال‌ها، پلاستیک‌ها، شیشه‌ها و فیبرها. نور بر اثر یونیزاسیون ساطع می‌شود؛ از تمایز شکل پالس (PSD) برای جداسازی نوترون/گاما استفاده می‌کنند. آشکارسازهای فیبر شیشه‌ای سینتیلاتور حساس به نوترون: از واکنش ⁶Li(n,α) استفاده می‌کند؛ Ce³⁺ برای فوتون‌های ۳۹۰-۶۰۰ نانومتر؛ زمان‌بندی سریع (~۶۰ ns)؛ حساسیت کم به گاما تا ۲۰ mR/h. بررسی‌های اخیر بر متریک‌های ارزیابی مانند نرخ شمارش بالا، تمایز گاما و بازده نور تمرکز دارند. آشکارسازهای نیمه‌رسانا نوترون دستگاه‌های پوششی: دیودهای Si پوشیده با ¹⁰B یا ⁶LiF؛ کارایی ~۵% برای نوترون‌های حرارتی. آشکارسازهای نیمه‌رسانا میکروساختاری (MSND): ساختارهای حک‌شده پرشده با ⁶LiF؛ کارایی >۳۰% (تا ۶۵% در دوطرفه). پیشرفت‌ها: 4H-SiC با مقاومت تابشی بالا (تا ۵۰۰ °C)، الماس با کارایی جمع‌آوری شارژ >۹۷% و رزولوشن انرژی ۲٫۱-۳٫۷%. آشکارسازهای فعال‌سازی نوترون از واکنش‌هایی مانند ⁵⁶Fe(n,p)⁵⁶Mn برای مشخصه‌سازی طیف انرژی استفاده می‌کنند. آشکارسازهای نوترون سریع نوترون‌های سریع را تعدیل می‌کنند؛ از سینتیلاتورهای مایع، گاز ⁴He، پلاستیک‌ها استفاده می‌کنند؛ تمایز از طریق PSD یا طراحی‌های لایه‌ای میکرو برای جهت‌داری. + جدول مقایسه انواع آشکارسازها نوع آشکارساز مواد کلیدی کارایی برای نوترون‌های حرارتی حساسیت به گاما کاربرد اصلی حداکثر دما (°C) محدودیت‌ها گازی متناسب ³He, BF₃, بورون‌دار بالا (تا ۴۰ CPS/nv) کم راکتورها، ایمنی تا ۸۰۰ (اتاقک شکافت) کمبود ³He، نرخ پایین سینتیلاتور آلی، شیشه‌ای، LiCaAlF₆ متوسط تا بالا (۶٫۷% برای کامپوزیت ⁶Li) متغیر (PSD کمک‌کننده) فیزیک پلاسما، علوم مواد تا ۳۰۰ حساسیت گاما در برخی نیمه‌رسانا Si پوششی، MSND, 4H-SiC, الماس ۵-۶۵% بالا تشخیص دقیق، پرتابل، راکتورهای نسل IV تا ۵۰۰ (4H-SiC) هزینه بالا، اندازه کوچک فعال‌سازی فلزات مانند Fe پایین (غیرزمان واقعی) کم مشخصه‌سازی طیف متغیر غیرزمان واقعی کاربردها کاربرد در ابزار دقیق راکتورها آشکارسازهای نوترون نقش کلیدی در عملیات راکتورهای هسته‌ای ایفا می‌کنند، جایی که اندازه‌گیری دقیق شار نوترون برای کنترل قدرت و ایمنی ضروری است. در راکتورهای سنتی، این آشکارسازها اطلاعات مربوط به توزیع قدرت و نرخ واکنش‌های هسته‌ای را فراهم می‌کنند. برای مثال، در راکتورهای نسل IV که در دماهای بالا (تا ۱۰۰۰ درجه سلسیوس) عمل می‌کنند، آشکارسازهای مقاوم به تابش مانند 4H-SiC یا فیشر چمبرهای با دمای بالا استفاده می‌شوند تا وضعیت راکتور و سوخت را نظارت کنند. چالش اصلی در این کاربرد، مقاومت در برابر تابش شدید و نرخ شمارش بالا است، که می‌تواند به کاهش کارایی جمع‌آوری شارژ منجر شود (تا ۷۰% در دماهای بالا). بررسی‌های اخیر نشان می‌دهد که آشکارسازهای نیمه‌رسانای پهن‌باند مانند BN می‌توانند کارایی تا ۵۹% برای نوترون‌های سریع ارائه دهند، بدون نیاز به تعدیل‌کننده. این کاربردها نه تنها برای تولید انرژی، بلکه برای نظارت از راه دور راکتورها با استفاده از آشکارسازهای بزرگ‌مقیاس مفید هستند. این آشکارسازها سیگنال‌های نوترونی را برای اندازه‌گیری دمای یون، قدرت فیوژن و توزیع انرژی تحلیل می‌کنند. برای مثال، در JET، آشکارسازهای سینتیلاتور مایع یا الماس تک‌کریستال برای تشخیص نوترون‌های ۱۴ MeV استفاده می‌شوند، که رزولوشن انرژی تا ۲٫۱-۳٫۷% ارائه می‌دهند. | ## بخش 3: آشکارساز نوترون | مدل‌سازی سیگنال‌های نوترونی برای تشخیص پلاسما شامل روش‌های فعال‌سازی و کالیبراسیون است. چالش‌ها شامل تمایز نوترون از گاما در زمینه‌های قوی و نیاز به آشکارسازهای سریع (زمان‌بندی ~۶۰ ns) است. پیشرفت‌های اخیر، مانند طیف‌سنج‌های پروتون ریکویل نازک با GEM، تشخیص نوترون‌های سریع را بهبود بخشیده‌اند. کاربرد در فیزیک ذرات آشکارسازهای نوترون در بهبود تشخیص نوترینوها نقش دارند، جایی که نوترینوها از طریق واکنش‌های هسته‌ای نوترون تولید می‌کنند. چالش‌ها شامل ضعیف بودن تعامل نوترینوها و نیاز به آشکارسازهای عظیم (از تن تا کیلوتن) است. پیشرفت‌ها شامل پروجکشن سینتیلاتورهای ۳D برای بازسازی انرژی نوترون و تمایز از زمینه‌های دیگر است. کاربرد در علوم مواد پراکندگی نوترون یکی از روش‌های قدرتمند برای مطالعه ساختار و دینامیک مواد است. آشکارسازهای نوترون در اسپکترومترهای کوچک‌زاویه (SANS) برای تصویربرداری از ساختارهای نانومقیاس مفید هستند. کاربرد در ایمنی تابش آشکارسازهای نوترون برای نظارت بر اثربخشی بیولوژیکی نسبی (RBE) و حفاظت در برابر تابش در محیط‌های هسته‌ای استفاده می‌شوند. در پرتودرمانی پروتون، آشکارسازهای فعال برای نظارت واقعی‌زمان بر نوترون‌های محیطی ضروری هستند. این آشکارسازها نوترون‌های ثانویه ناشی از تعامل پرتوهای کیهانی با اتمسفر را تشخیص می‌دهند. پیشرفت‌ها شامل سینتیلاتورهای پلاستیکی برای تشخیص نوترون‌های سریع و سیستم‌های پرتابل مانند KC761CN برای ارتفاعات بالا است. کاربرد در تشخیص مواد هسته‌ای ویژه برای امنیت ملی، آشکارسازهای نوترون نوترون‌های شکافت خودبه‌خودی در مواد هسته‌ای ویژه (مانند پلوتونیوم) را تشخیص می‌دهند. دستگاه‌هایی مانند SNIPER-GN یا سیستم‌های هم‌زمانی نوترون-گاما برای شناسایی سریع استفاده می‌شوند، با کارایی تا ۱۰-۱۵% نسبت به ³He. پیشرفت‌ها شامل آشکارسازهای مقاوم به تابش مانند 4H-SiC و BN برای محیط‌های شدید، و فناوری‌های گازی نوین. چالش‌ها نویز پس‌زمینه (فوتون‌ها، آلفا/بتا)، نرخ تشخیص بالا، خنثی بودن نوترون، وابستگی انرژی. مشکلات در محیط‌های دمای بالا مانند کاهش کارایی جمع‌آوری شارژ (تا ۷۰% در ۵۰۰ °C). جداسازی نوترون از فوتون‌ها استخراج پالس دروازه‌دار (دم در مقابل پالس کامل)؛ ترسیم انرژی دم در مقابل انرژی کل برای جداسازی. | ## جمع‌بندی | بررسی‌های اخیر بر پیشرفت‌های سینتیلاتورهای آلی برای تمایز نوترون از گاما در زمینه‌های قوی تمرکز دارند.