آشکارساز نوترون

آشکارساز نوترون (Neutron detector) ابزاری است برای تشخیص مؤثر نوترون‌هایی که وارد یک موقعیت مناسب می‌شوند. دو جنبه کلیدی در تشخیص نوترون وجود دارد: سخت‌افزار و نرم‌افزار. سخت‌افزار شامل سینتیلاتورهای نوترون، الکترونیک، فاصله منبع تا آشکارساز، زاویه جامد و محافظ است. 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.

انواع اصلی شامل آشکارسازهای گازی متناسب (مانند ³He، BF₃ و بورون‌دار)، سینتیلاتورها (آلی، شیشه‌ای، LiCaAlF₆ و NaIL)، نیمه‌رساناها (پوششی، میکروساختاری و بالک) و فعال‌سازی است. تحقیقات نشان می‌دهد که چالش‌های اصلی شامل جداسازی نوترون از گاما، نرخ شمارش بالا و جایگزینی هلیوم-۳ است، که به دلیل کمبود منابع جهانی، نیاز به جایگزین‌هایی مانند سینتیلاتورهای مبتنی بر ⁶Li را افزایش داده است. کاربردها از ابزار دقیق راکتورها تا فیزیک پلاسما، علوم مواد، ایمنی تابش و تشخیص مواد هسته‌ای ویژه گسترش می‌یابد. شواهد حاکی از پیشرفت در سینتیلاتورهای جدید برای بهبود کارایی و حساسیت است، هرچند کمبود منابع مانند هلیوم-۳ محدودیت‌هایی ایجاد کرده. پیشرفت‌های اخیر، مانند استفاده از مواد نیمه‌رسانای پهن‌باند مانند 4H-SiC و الماس، مقاومت در برابر دماهای بالا و تابش را بهبود بخشیده. سیاست‌های ویکی‌پدیا تأکید بر منابع معتبر، خنثی بودن و عدم تحقیق اصلی دارد؛ صفحه پیشنهادی بر اساس منابع علمی معتبر مانند بررسی‌های Physics Reports و Nuclear Instruments and Methods ساخته شده. این منابع شامل مقالات بررسی جامع از سال‌های 2020 تا 2026 هستند که پیشرفت‌های فناوری را پوشش می‌دهند.

## فیزیک پایه
نوترون‌ها ذرات خنثی هستند و بنابراین نمی‌توانند مستقیماً یونیزاسیون ایجاد کنند. 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.
*جرم: تقریباً برابر با پروتون، که واکنش‌های پراکندگی را تحت تأثیر قرار می‌دهد. انرژی نوترون‌ها از μeV تا GeV متغیر است و تشخیص بر اساس انرژی تقسیم‌بندی می‌شود: نوترون‌های آهسته (0–20 MeV) و سریع (>20 MeV).
*واکنش‌ها: پراکندگی الاستیک/غیرالاستیک، جذب، و غیره. 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.

### گزینه‌های کلاسیک تشخیص نوترون
*واکنش‌های جذبی با واکنش‌های سریع: مانند ³He(n,p)³H (۷۶۵ keV)، ⁶Li(n,α)³H (۴٫۷۸ MeV)، ¹⁰B(n,α)⁷Li (۲٫۳۱ MeV) که ذرات باردار تولید می‌کنند. 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. حداکثر انتقال انرژی ۴A E / (A+1)² است، مانند ۰٫۶۴E برای ⁴He.

بررسی‌های اخیر نشان می‌دهد که برای نوترون‌های کند تا سریع، مکانیسم‌های هسته‌ای کلیدی هستند که ذرات ثانویه تولید می‌کنند. چالش‌هایی مانند تداخل گاما و نیاز به نرخ شمارش بالا برجسته است.
## [[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. پیشرفت‌های اخیر بر جایگزینی ³He تمرکز دارد، مانند سینتیلاتورهای کامپوزیتی ⁶Li.

### 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. کارایی ذاتی حدود ۰٫۱% برای نوترون‌های سریع.
*آشکارسازهای متناسب پرشده با گاز BF₃: از بورون غنی‌شده استفاده می‌کند؛ حساسیت بالاتر (۳۵-۴۰ CPS/nv). سطح مقطع ۳۸۴۰ بارن برای ¹⁰B.
*آشکارسازهای متناسب بورون‌دار: دیواره‌ها با ¹⁰B پوشیده شده؛ محصولات واکنش انرژی را در لایه از دست می‌دهند. کارایی پایین‌تر اما تحمل گاما بهتر (تا ۱۰۰۰ R/h).

پیشرفت‌ها شامل آشکارسازهای چندلایه مانند Multi-Grid برای جایگزینی ³He در اسپکترومترها.

### 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.

*سینتیلاتورهای آلی: انواع پلاستیکی (PVT، پلی‌استایرن)، مایع (EJ-309)، کریستال (آنتراسن، استیلبن). FOM برای PSD بالا در stilbene.
*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.
*LiCaAlF₆: سینتیلاتور غیرآلی با ⁶Li؛ دوپه‌شده با Ce³⁺ یا Eu²⁺؛ بازده نور بالا (۳۰,۰۰۰ فوتون/نوترون برای Eu). TRUST برای کاربردهای شفاف.
*سینتیلاتور نوترون-گاما دوگانه NaIL: NaI دوپه‌شده با Tl و Li؛ *PSD عالی؛ تشخیص نوترون‌های حرارتی و گاما در یک کریستال.
*سینتیلاتورهای حرارتی: مانند ZnS:Ag/⁶LiF (محدودیت نرخ شمارش)، GS20 شیشه (حساسیت گاما بالا)، Cs₆LiYCl:Ce، ⁶LiI:Eu. ارزیابی بر اساس خروجی نور، تمایز گاما و سینتیک واپاشی.

بررسی‌های اخیر بر متریک‌های ارزیابی مانند نرخ شمارش بالا، تمایز گاما و بازده نور تمرکز دارند. کامپوزیت‌های ⁶Li-glass جدید کارایی ۶٫۷% برای نوترون‌های شکافتی ارائه می‌دهند.

### 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).
*آشکارسازهای نیمه‌رسانا بالک: دشوار؛ شامل پایه بورون/لیتیوم (BP، BN، LiZnAs)؛ حساس به گاما.
*پیشرفت‌ها: 4H-SiC با مقاومت تابشی بالا (تا ۵۰۰ °C)، الماس با کارایی جمع‌آوری شارژ >۹۷% و رزولوشن انرژی ۲٫۱-۳٫۷%. کاربرد در راکتورهای نسل IV.

حساسیت پایین به نوترون‌های سریع و چالش‌های جمع‌آوری شارژ در دماهای بالا.

### آشکارسازهای فعال‌سازی نوترون
از واکنش‌هایی مانند ⁵⁶Fe(n,p)⁵⁶Mn برای مشخصه‌سازی طیف انرژی استفاده می‌کنند. غیرزمان واقعی اما مفید برای کاربردهای غیرمخرب.
### 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. کارایی پایین (~۱٫۵%) اما حفظ اطلاعات انرژی.

## 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.

### کاربرد در فیزیک پلاسما
در فیزیک پلاسما، آشکارسازهای نوترون برای تحلیل پلاسما در دستگاه‌هایی مانند JET (Joint European Torus) و توکامک‌ها استفاده می‌شوند. 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. 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. این کاربردها برای پیشرفت در انرژی فیوژن حیاتی هستند.

### کاربرد در فیزیک ذرات
آشکارسازهای نوترون در بهبود تشخیص نوترینوها نقش دارند، جایی که نوترینوها از طریق واکنش‌های هسته‌ای نوترون تولید می‌کنند. برای مثال، در آشکارسازهایی مانند HALO (Helium and Lead Observatory)، نوترون‌های ناشی از نوترینوها با استفاده از ۷۹ تن سرب و آشکارسازهای هلیوم-۳ تشخیص داده می‌شوند. این روش برای مطالعه نوترینوهای خورشیدی یا سوپرنووا مفید است. 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. این کاربردها به درک بهتر ذرات بنیادی کمک می‌کنند.

### کاربرد در علوم مواد
پراکندگی نوترون یکی از روش‌های قدرتمند برای مطالعه ساختار و دینامیک مواد است. در منابع اسپالاسیون مانند ISIS یا ORNL، نوترون‌ها برای تحلیل مورفولوژی مواد جامد، کریستال‌ها یا مایعات استفاده می‌شوند. آشکارسازهای نوترون در اسپکترومترهای کوچک‌زاویه (SANS) برای تصویربرداری از ساختارهای نانومقیاس مفید هستند. چالش‌ها شامل نیاز به پرتوهای شدید نوترون و تشخیص در خلاء است. پیشرفت‌ها شامل ابزارهای نوین برای مشاهده مواد در شرایط غیرتعادلی است. این روش‌ها برای توسعه مواد جدید ضروری هستند.

### کاربرد در ایمنی تابش
آشکارسازهای نوترون برای نظارت بر اثربخشی بیولوژیکی نسبی (RBE) و حفاظت در برابر تابش در محیط‌های هسته‌ای استفاده می‌شوند. دستگاه‌هایی مانند TEPC (Tissue Equivalent Proportional Counter) دوز ناشی از نوترون‌ها را جدا می‌کنند و تا ۱۵% دقت دارند. در پرتودرمانی پروتون، آشکارسازهای فعال برای نظارت واقعی‌زمان بر نوترون‌های محیطی ضروری هستند. چالش‌ها شامل تمایز از گاما و اندازه‌گیری در زمینه‌های بالا (تا ۱۰۰۰ R/h) است. این کاربردها برای استانداردهای IAEA کلیدی هستند.

### کاربرد در تشخیص پرتوهای کیهانی
مانیتورهای نوترون برای ردیابی پرتوهای کیهانی، مانند در Inuvik Neutron Monitor با ۱۸ کانتر، استفاده می‌شوند. 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. چالش‌ها شامل زمینه‌های نوترونی و نرخ شمارش پایین است. این کاربردها برای پیش‌بینی آب و هوا فضایی مفید هستند.

### 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. چالش‌ها شامل تشخیص در فواصل دور و تمایز از زمینه است. این کاربردها برای جلوگیری از قاچاق هسته‌ای حیاتی هستند.

### پیشرفت‌های اخیر
بررسی‌های جدید کاربردها را از μeV تا GeV پوشش می‌دهند، با تمرکز بر آشکارسازهای چندلایه مانند Multi-Grid (بر پایه ¹⁰B₄C) به عنوان جایگزین ³He، که کارایی ۱۰-۱۵% بالاتر ارائه می‌دهند. پیشرفت‌ها شامل آشکارسازهای مقاوم به تابش مانند 4H-SiC و BN برای محیط‌های شدید، و فناوری‌های گازی نوین. کمبود ³He (از دهه ۲۰۱۰) منجر به توسعه جایگزین‌هایی مانند ¹⁰BF₃ شده است. این پیشرفت‌ها پوشش انرژی گسترده‌تری فراهم می‌کنند.

این جدول خلاصه‌ای از کاربردها را ارائه می‌دهد و نشان‌دهنده تنوع و پیچیدگی این فناوری است.

## تشخیص نوترون تجربی
*امکانات
ISIS، منبع نوترون اسپالاسیون (ORNL, PSI)، راکتورهای تحقیقاتی مانند TRIGA و EAST Tokamak.
*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).
*تنظیم تجربی
سینتیلاتور با PMT، DAQ، اسکالر، اسیلوسکوپ، ADC؛ اندازه‌گیری انرژی از طریق انتگرال شارژ. شبیه‌سازی با MCNP برای کارایی و زمان واپاشی.
*جداسازی نوترون از فوتون‌ها
*استخراج پالس دروازه‌دار (دم در مقابل پالس کامل)؛ ترسیم انرژی دم در مقابل انرژی کل برای جداسازی. PSD با FOM برای تمایز.
*کنترل نرخ
*نمونه‌برداری، تنظیم محافظ. نرخ خطی تا ۳٫۷×۱۰⁶ n/s.
بررسی‌های اخیر بر پیشرفت‌های سینتیلاتورهای آلی برای تمایز نوترون از گاما در زمینه‌های قوی تمرکز دارند.

## منابع

رده:نوترون
رده:آشکارسازهای ذرات
رده:آشکارسازهای پرتو یونی