न्यूट्रॉन संसूचन

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Science with neutrons
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न्यूट्रॉन डिटेक्शन (आविष्कार / संसूचक) एक अच्छी तरह से स्थित संसूचक में प्रवेश करने वाले न्यूट्रॉन का प्रभावी पता लगाना है। प्रभावी न्यूट्रॉन का पता लगाने के लिए दो प्रमुख स्वरूप हैं: हार्डवेयर और सॉफ्टवेयर। डिटेक्शन हार्डवेयर उपयोग किए जाने वाले न्यूट्रॉन डिटेक्टर के प्रकार को संदर्भित करता है (आज सबसे सरल सिंटिलेशन डिटेक्टर है) और डिटेक्शन सेटअप में उपयोग होने वाले इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए। इसके अलावा, हार्डवेयर सेटअप प्रमुख प्रायोगिक मापदंडों को भी परिभाषित करता है, जैसे स्रोत-डिटेक्टर दूरी, ठोस कोण और डिटेक्टर (संसूचक) परिरक्षण। डिटेक्शन सॉफ़्टवेयर में विश्लेषण उपकरण होते हैं जो डिटेक्टर पर धर्षण करने वाले न्यूट्रॉन की संख्या और ऊर्जा को मापने के लिए ग्राफिकल (चित्रमय) विश्लेषण जैसे कार्य करते हैं।

बुनियादी भौतिकी

संकेत जिससे न्यूट्रॉन का पता लगाया जा सकता है

परमाणु और उप-परमाण्विक कणों का पता उन सिग्नेचर से लगाया जाता है जो वे अपने परिवेश के साथ परस्पर क्रिया के माध्यम से उत्पन्न करते हैं। कणों की मूलभूत विशेषताओं के परिणामस्वरूप बातचीत होती है।

  • चार्ज: न्यूट्रॉन तटस्थ कण होते हैं और सीधे आयनित नहीं होते हैं; इसलिए वे सीधे पता लगाने के लिए आवेशित कणों की तुलना में कठिन होते हैं। इसके अलावा, उनके गति के पथ केवल विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों से कमजोर रूप से प्रभावित होते हैं।
  • द्रव्यमान: का न्यूट्रॉन द्रव्यमान 1.0086649156(6) u[1] प्रत्यक्ष रूप से पता लगाने योग्य नहीं है, लेकिन प्रतिक्रियाओं को प्रभावित करता है जिसके माध्यम से इसका पता लगाया जा सकता है।
  • प्रतिक्रियाएँ: न्यूट्रॉन लोचदार प्रकीर्णन के माध्यम से कई सामग्रियों के साथ प्रतिक्रिया करते हैं, एक रीकॉइलिंग न्यूक्लियस का उत्पादन करते हैं, एक उत्साहित न्यूक्लियस का निर्माण करने वाला इनलेस्टिक स्कैटरिंग, या परिणामी न्यूक्लियस के रूपांतरण के साथ अवशोषण। अधिकांश पता लगाने के तरीके विभिन्न प्रतिक्रिया उत्पादों का पता लगाने पर निर्भर करते हैं।
  • चुंबकीय क्षण: हालांकि न्यूट्रॉन का न्यूट्रॉन चुंबकीय क्षण होता है −1.9130427(5) नाभिकीय चुंबकत्व|μN, चुंबकीय क्षण का पता लगाने की तकनीकें न्यूट्रॉन का पता लगाने के लिए बहुत असंवेदनशील हैं।
  • विद्युत द्विध्रुव आघूर्ण: न्यूट्रॉन के बारे में भविष्यवाणी की जाती है कि उसमें केवल एक छोटा सा न्यूट्रॉन वैद्युत द्विध्रुव आघूर्ण होगा, जिसका अभी तक पता नहीं चला है। इसलिए यह व्यवहार्य पहचान संकेत नहीं है।
  • क्षय: नाभिक के बाहर, मुक्त न्यूट्रॉन अस्थिर होते हैं और उनका औसत जीवनकाल होता है 885.7±0.8 s (लगभग 14 मिनट, 46 सेकंड)।[1] प्रोटॉन बनने के लिए एक इलेक्ट्रॉन और एक इलेक्ट्रॉन एंटीन्यूट्रिनो के उत्सर्जन से मुक्त न्यूट्रॉन का क्षय होता है, एक प्रक्रिया जिसे बीटा क्षय के रूप में जाना जाता है:[2]

n0
 →
p+
 +
e−
 +
ν
e.
हालांकि
p+
 और
e−
 न्यूट्रॉन क्षय द्वारा उत्पादित पता लगाने योग्य हैं, एक व्यावहारिक डिटेक्टर प्रणाली के आधार के रूप में सेवा करने के लिए क्षय दर बहुत कम है।

क्लासिक न्यूट्रॉन का पता लगाने के विकल्प

इन गुणों के परिणामस्वरूप, न्यूट्रॉन की पहचान कई प्रमुख श्रेणियों में आती है:[3]

  • त्वरित प्रतिक्रियाओं के साथ अवशोषण प्रतिक्रियाएं - कम ऊर्जा वाले न्यूट्रॉन सामान्यतः अवशोषण प्रतिक्रियाओं के माध्यम से अप्रत्यक्ष रूप से पाए जाते हैं। उपयोग की जाने वाली विशिष्ट अवशोषक सामग्री में न्यूट्रॉन के अवशोषण के लिए उच्च अनुप्रस्थ काट होते हैं और इसमें हीलियम -3, लिथियम 6, बोरॉन -10 और यूरेनियम-235 सम्मिलित होते हैं। इनमें से प्रत्येक उच्च ऊर्जा वाले आयनित कणों के उत्सर्जन द्वारा प्रतिक्रिया करता है, जिसके आयनीकरण ट्रैक को कई तरीकों से पता लगाया जा सकता है। सामान्यतः उपयोग की जाने वाली प्रतिक्रियाओं में 3He(n,p) 3H, 6Li(n,t) 4He, 10B(n,α) 7Li और यूरेनियम का विखंडन सम्मिलित है।[3]
  • सक्रियण प्रक्रियाएं - रेडिएटिव कैप्चर, स्पेलेशन या इसी तरह की प्रतिक्रिया में अवशोषक के साथ प्रतिक्रिया करके न्यूट्रॉन का पता लगाया जा सकता है, जो प्रतिक्रिया उत्पादों का उत्पादन करता है जो बाद में कुछ समय में क्षय हो जाता है, बीटा कण या गामा जारी करता है। चयनित सामग्री (जैसे, ईण्डीयुम , सोना, रोडियाम , लोहा (56Fe(n,p) 56Mn), एल्यूमीनियम (27Al(n,α)24Na),-निओबियम (93Nb(n,2n) 92mNb), और सिलिकॉन (28Si(n,p) 28Al)) ऊर्जा के एक बहुत ही संकीर्ण बैंड के भीतर न्यूट्रॉन को पकड़ने के लिए बहुत बड़े अनुप्रस्थ काट हैं। एकाधिक अवशोषक नमूनों के उपयोग से न्यूट्रॉन ऊर्जा स्पेक्ट्रम का लक्षण वर्णन किया जा सकता है। सक्रियण एक ऐतिहासिक न्यूट्रॉन एक्सपोजर के पुनर्निर्माण को भी सक्षम बनाता है (उदाहरण के लिए, आकस्मिक क्रांति के दौरान न्यूट्रॉन एक्सपोजर के फोरेंसिक पुनर्निर्माण)।[3]
  • प्रत्यास्थ प्रकीर्णन अभिक्रियाएँ (जिन्हें प्रोटोन-रिकॉइल भी कहा जाता है) - उच्च ऊर्जा वाले न्यूट्रॉनों का विशिष्ट प्रत्यास्थ प्रकीर्णन अभिक्रियाओं के माध्यम से परोक्ष रूप से पता लगाया जाता है। न्यूट्रॉन संसूचक में परमाणुओं के नाभिकों से टकराते हैं, उन नाभिकों में ऊर्जा स्थानांतरित करते हैं और आयन बनाते हैं, जो पता लगाए जाते हैं। चूँकि ऊर्जा का अधिकतम स्थानांतरण तब होता है जब परमाणु का द्रव्यमान जिसके साथ न्यूट्रॉन टकराता है, न्यूट्रॉन द्रव्यमान के बराबर होता है, हाइड्रोजनी[4] सामग्री प्रायः ऐसे डिटेक्टरों के लिए अनुकूल माध्यम होती है।[3]

न्यूट्रॉन संसूचकों के प्रकार

गैस आनुपातिक डिटेक्टर

गैस आनुपातिक डिटेक्टरों को न्यूट्रॉन का पता लगाने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है। जबकि न्यूट्रॉन सामान्यतः आयनीकरण का कारण नहीं बनते हैं, एक उच्च न्यूट्रॉन क्रॉस-सेक्शन के साथ एक न्यूक्लाइड के अलावा डिटेक्टर को न्यूट्रॉन का जवाब देने की अनुमति देता है। हीलियम-3, लीथियम-6, बोरॉन-10 और यूरेनियम-235 इस उद्देश्य के लिए सामान्यतः उपयोग किए जाने वाले न्यूक्लाइड्स हैं। चूंकि इन सामग्रियों के थर्मल न्यूट्रॉन (यानी, न्यूट्रॉन जो अपने परिवेश के साथ संतुलन के लिए धीमा हो गए हैं) के साथ प्रतिक्रिया करने की सबसे अधिक संभावना है, वे सामान्यतः अपनी ऊर्जा को कम करने और पहचान की संभावना को बढ़ाने के लिए मॉडरेटिंग सामग्रियों से घिरे होते हैं।

अन्य प्रकार के विकिरण के प्रभाव से न्यूट्रॉन सिग्नल को अलग करने के लिए सामान्यतः और अधिक शोधन आवश्यक हैं। चूंकि तापीय न्यूट्रॉन की ऊर्जा अपेक्षाकृत कम होती है, आवेशित कण प्रतिक्रियाएं असतत होती हैं (अर्थात्, अनिवार्य रूप से मोनोएनर्जेटिक और ऊर्जा की एक संकीर्ण बैंडविड्थ के भीतर स्थित होती हैं)। जबकि अन्य प्रतिक्रियाएँ जैसे कि गामा प्रतिक्रियाएँ एक व्यापक ऊर्जा श्रेणी में फैलेंगी, स्रोतों के बीच भेदभाव करना संभव है।

एक वर्ग के रूप में, गैस आयनीकरण डिटेक्टर संख्या (गिनती दर) को मापते हैं, न कि न्यूट्रॉन की ऊर्जा।

3हीलियम गैस से भरे आनुपातिक डिटेक्टर

हीलियम-3 एक प्रभावी न्यूट्रॉन डिटेक्टर सामग्री है क्योंकि यह तापीय न्यूट्रॉन को अवशोषित करके प्रतिक्रिया करता है, जिससे 1H और 3H आयन उत्पन्न होता है। गामा किरणों के प्रति इसकी संवेदनशीलता नगण्य है, जो बहुत उपयोगी न्यूट्रॉन डिटेक्टर प्रदान करती है। दुर्भाग्य से, 3He की आपूर्ति ट्रिटियम के क्षय से एक उप-उत्पाद के रूप में उत्पादन तक सीमित है (जिसमें 12.3 वर्ष का अर्ध-जीवन है); ट्रिटियम का उत्पादन या तो हथियार कार्यक्रमों के हिस्से के रूप में परमाणु हथियारों के लिए बूस्टर के रूप में या रिएक्टर ऑपरेशन के उपोत्पाद के रूप में किया जाता है।

BF3 (बोरॉन ट्राइफ्लोराइड) गैस से भरे आनुपातिक डिटेक्टर

चूंकि प्रारंभिक बोरॉन गैसीय नहीं है, बोरॉन युक्त न्यूट्रॉन डिटेक्टर वैकल्पिक रूप से बोरॉन ट्राइफ्लोराइड (BF3) का उपयोग 96% बोरॉन -10 (प्राकृतिक बोरॉन 20% 10 बी, 80% 11 बी) से समृद्ध कर सकते हैं। [5] बोरॉन ट्राइफ्लोराइड अत्यधिक विषैला होता है। इस संसूचक की संवेदनशीलता लगभग 35-40 CPS/nv (प्रति न्यूट्रॉन फ्लक्स प्रति सेकंड गणना) है जबकि बोरोन लाइन्ड की संवेदनशीलता लगभग 4 CPS/nv है। ऐसा इसलिए है क्योंकि बोरॉन लाइन में, एन बोरॉन के साथ प्रतिक्रिया करता है और इसलिए परत के अंदर आयन जोड़े पैदा करता है। इसलिए उत्पन्न आवेशित कण (अल्फा और ली) उस परत के अंदर अपनी कुछ ऊर्जा खो देते हैं। कम-ऊर्जा आवेशित कण आयनीकरण कक्ष के गैस वातावरण तक पहुँचने में असमर्थ हैं। अतः गैस में उत्पन्न आयनन की संख्या भी कम होती है।

जबकि BF3 में भरी हुई गैस में N गैस में B से अभिक्रिया करता है। और पूरी तरह ऊर्जावान अल्फा और ली अधिक आयनीकरण करने और अधिक दाल देने में सक्षम हैं।


चूंकि तात्विक बोरॉन गैसीय नहीं है, बोरॉन युक्त न्यूट्रॉन डिटेक्टर वैकल्पिक रूप से बोरॉन ट्राइफ्लोराइड (BAफ) का उपयोग कर सकते हैं।3) 96% बोरॉन -10 से समृद्ध (प्राकृतिक बोरॉन 20% 10B, 80% 11B).[5] बोरॉन ट्राइफ्लोराइड अत्यधिक विषैला होता है। इस संसूचक की संवेदनशीलता लगभग 35-40 CPS/nv (प्रति न्यूट्रॉन फ्लक्स प्रति सेकंड गणना) है जबकि बोरोन लाइन्ड की संवेदनशीलता लगभग 4 CPS/nv है। ऐसा इसलिए है क्योंकि बोरॉन लाइन में, एन बोरॉन के साथ प्रतिक्रिया करता है और इसलिए परत के अंदर आयन जोड़े उत्पन्न करता है। इसलिए उत्पन्न आवेशित कण (अल्फा और ली) वे उस परत के अंदर अपनी कुछ ऊर्जा खो देते हैं। कम ऊर्जा आवेशित कण आयनिकरण कक्ष के गैस वातावरण तक पहुँचने में असमर्थ हैं। अतः गैस में उत्पन्न आयनन की संख्या भी कम होती है।

जबकि BF3 में भरी हुई गैस में N गैस में B से अभिक्रिया करता है। और पूरी तरह ऊर्जावान अल्फा और ली अधिक आयनीकरण करने और अधिक दाल देने में सक्षम हैं।

बोरोन लाइनेड आनुपातिक डिटेक्टर

वैकल्पिक रूप से, बोरॉन-लाइन्ड गैस से भरे आनुपातिक काउंटर BF3 गैस से भरे आनुपातिक डिटेक्टरों के समान प्रतिक्रिया करते हैं, सिवाय इसके कि दीवारें 10B के साथ लेपित हैं। इस डिजाइन में, चूंकि प्रतिक्रिया सतह पर होती है, इसलिए दो कणों में से केवल एक ही आनुपातिक काउंटर में निकलेगा।

सिंटिलेशन न्यूट्रॉन डिटेक्टर

सिंटिलेशन न्यूट्रॉन डिटेक्टरों में तरल कार्बनिक स्किंटिलेटर, [6] क्रिस्टल,[7][8] प्लास्टिक, कांच [9] और स्किंटिलेशन फाइबर सम्मिलित हैं। [10]

न्यूट्रॉन-संवेदनशील स्किंटिलेटिंग ग्लास फाइबर डिटेक्टर

न्यूट्रॉन का पता लगाने के लिए स्किंटिलेटिंग 6Li ग्लास को पहली बार 1957 में वैज्ञानिक साहित्य में बताया गया था[11] और 1960 और 1970 के दशक में प्रमुख प्रगति हुई थी।[12][13] स्किंटिलेटिंग फाइबर का प्रदर्शन एटकिंसन एम. एट अल द्वारा किया गया था। 1987 में [14] और प्रमुख प्रगति 1980 के दशक के अंत में और 1990 के दशक की प्रारम्भ में पैसिफिक नॉर्थवेस्ट नेशनल लेबोरेटरी में की गई थी जहाँ इसे एक वर्गीकृत तकनीक के रूप में विकसित किया गया था।[15][16][17][18][19] इसे 1994 में अवर्गीकृत किया गया था और पहली बार 1997 में ऑक्सफ़ोर्ड इंस्ट्रूमेंट्स द्वारा लाइसेंस दिया गया था, इसके बाद 1999 में न्यूक्सेफ को स्थानांतरित किया गया था।[20][21][22] फाइबर और फाइबर डिटेक्टरों का निर्माण और बिक्री अब न्यूक्सेफ, इंक द्वारा व्यावसायिक रूप से की जाती है।[23]

स्किंटिलेटिंग ग्लास फाइबर ग्लास बल्क कंपोजिशन में 6Li और Ce3+ को सम्मिलित करके काम करते हैं। 6Li(n,α) प्रतिक्रिया के माध्यम से थर्मल न्यूट्रॉन अवशोषण के लिए 6Li का एक उच्च क्रॉस-सेक्शन है। न्यूट्रॉन अवशोषण एक ट्रिटियम आयन, एक अल्फा कण और गतिज ऊर्जा पैदा करता है। अल्फा कण और ट्राइटन आयनीकरण उत्पन्न करने के लिए ग्लास मैट्रिक्स के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, जो ऊर्जा को Ce3+ आयनों में स्थानांतरित करता है और परिणामस्वरूप 390 एनएम - 600 एनएम तरंग दैर्ध्य के साथ फोटॉनों का उत्सर्जन होता है, क्योंकि उत्साहित अवस्था Ce3+ आयन जमीनी अवस्था में लौट आते हैं। घटना के परिणामस्वरूप अवशोषित प्रत्येक न्यूट्रॉन के लिए कई हजार फोटोन के प्रकाश की चमक होती है। जगमगाहट प्रकाश का एक हिस्सा ग्लास फाइबर के माध्यम से फैलता है, जो एक वेवगाइड के रूप में कार्य करता है। फोटॉन फटने का पता लगाने के लिए फाइबर के सिरों को फोटोमल्टीप्लायर ट्यूब (पीएमटी) की एक जोड़ी से वैकल्पिक रूप से जोड़ा जाता है। डिटेक्टरों का उपयोग न्यूट्रॉन और गामा किरणों दोनों का पता लगाने के लिए किया जा सकता है, जिन्हें सामान्यतः नाड़ी-ऊंचाई भेदभाव का उपयोग करके अलग किया जाता है। गामा विकिरण के प्रति फाइबर डिटेक्टर संवेदनशीलता को कम करने के लिए पर्याप्त प्रयास और प्रगति की गई है। मूल डिटेक्टर 0.02 एमआर गामा क्षेत्र में झूठे न्यूट्रॉन से पीड़ित थे। डिजाइन, प्रक्रिया और एल्गोरिदम में सुधार अब गामा क्षेत्रों में 20 mR/h (60Co) तक संचालन को सक्षम बनाता है।

सिंटिलेटिंग फाइबर डिटेक्टरों में उत्कृष्ट संवेदनशीलता होती है, मजबूत होते हैं, और तेजी से समय (~ 60 एनएस) होता है ताकि गणना दरों में एक बड़ी गतिशील सीमा संभव हो सके। डिटेक्टरों का लाभ यह है कि उन्हें किसी भी वांछित आकार में बनाया जा सकता है, और विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों में उपयोग के लिए बहुत बड़ा या बहुत छोटा बनाया जा सकता है।[24] इसके अलावा, वे 3He या किसी भी कच्चे माल पर भरोसा नहीं करते हैं जिसकी उपलब्धता सीमित है, न ही उनमें विषाक्त या विनियमित सामग्री होती है। उच्च दबाव वाले गैसीय 3He की तुलना में ठोस ग्लास में न्यूट्रॉन-अवशोषित प्रजातियों के उच्च घनत्व के कारण उनका प्रदर्शन सकल न्यूट्रॉन गणना के लिए 3He ट्यूबों से मेल खाता है या उससे अधिक है।[24] भले ही 6Li का थर्मल न्यूट्रॉन क्रॉस-सेक्शन 3He (940 बार्न्स बनाम 5330 बार्न्स) की तुलना में कम है, फाइबर में 6Li का परमाणु घनत्व पचास गुना अधिक है, जिसके परिणामस्वरूप लगभग 10 के प्रभावी कैप्चर घनत्व अनुपात में लाभ होता है।

LiCaAlF6

LiCaAlF6 एक न्यूट्रॉन-संवेदनशील अकार्बनिक सिंटिलेटर क्रिस्टल है जो न्यूट्रॉन-संवेदनशील सिंटिलेटिंग ग्लास फाइबर डिटेक्टरों की तरह 6Li द्वारा न्यूट्रॉन कैप्चर का उपयोग करता है। हालांकि, सिंटिलेटिंग ग्लास फाइबर डिटेक्टरों के विपरीत, 6Li सिंटिलेटर की क्रिस्टलीय संरचना का हिस्सा है जो इसे स्वाभाविक रूप से उच्च 6Li घनत्व देता है। क्रिस्टल को इसके जगमगाने वाले गुणों के साथ प्रदान करने के लिए एक डोपिंग एजेंट जोड़ा जाता है, दो सामान्य डोपिंग एजेंट ट्रिवेलेंट सेरियम और डाइवेलेंट यूरोपियम हैं। युरोपियम-डोप्ड LiCaAlF6 में अन्य सामग्रियों की तुलना में यह लाभ है कि प्रति न्यूट्रॉन कैप्चर किए गए ऑप्टिकल फोटॉनों की संख्या लगभग 30.000 है जो उदाहरण के लिए न्यूट्रॉन-संवेदनशील स्किंटिलेटिंग ग्लास फाइबर की तुलना में 5 गुना अधिक है।[25] यह संपत्ति न्यूट्रॉन फोटॉन भेदभाव को आसान बनाती है। इसकी उच्च 6Li घनत्व के कारण, यह सामग्री हल्के कॉम्पैक्ट न्यूट्रॉन डिटेक्टरों के उत्पादन के लिए उपयुक्त है, परिणामस्वरूप, LiCaAlF6 का उपयोग बैलून मिशनों पर उच्च ऊंचाई पर न्यूट्रॉन का पता लगाने के लिए किया गया है।[26] Eu2+ डोप्ड LiCaAlF6 का लंबा क्षय समय इसे उच्च विकिरण वातावरण में मापन के लिए कम उपयुक्त बनाता है, Ce3+ डोप्ड संस्करण का क्षय समय कम होता है लेकिन कम प्रकाश उपज से ग्रस्त होता है।[27]

नेल डुअल डिटेक्शन न्यूट्रॉन-गामा सिंटिलेटर

सोडियम आयोडाइड क्रिस्टल थैलियम और लिथियम [NaI(Tl+Li)] उर्फ नेल के साथ सह-डोप्ड में असाधारण पल्स-आकार भेदभाव के साथ एकल क्रिस्टल में गामा विकिरण और थर्मल न्यूट्रॉन का पता लगाने की क्षमता है। नेल में कम 6Li सांद्रता और बड़ी मोटाई का उपयोग कम लागत पर 3He या सीएलसीवाईसी या सीएलएलबी डिटेक्टरों के समान न्यूट्रॉन का पता लगाने की क्षमता प्राप्त कर सकता है। 6Li (95% समृद्ध) सह-डोपिंग सबसे स्थापित गामा के लिए कुशल थर्मल न्यूट्रॉन पहचान का परिचय देता है- मानक NaI (Tl) के अनुकूल जगमगाहट गुणों को बनाए रखते हुए रे सिंटिलेटर। नेल गामा और न्यूट्रॉन दोनों के लिए प्रति वॉल्यूम कम कीमत पर बड़ी-मात्रा, एकल-सामग्री डिटेक्टर प्रदान कर सकता है।[28][29][30]

सेमीकंडक्टर न्यूट्रॉन डिटेक्टर

सेमीकंडक्टर न्यूट्रॉन डिटेक्टरों के दो मूल प्रकार हैं, पहला न्यूट्रॉन प्रतिक्रियाशील सामग्री के साथ लेपित इलेक्ट्रॉन उपकरण और दूसरा एक अर्धचालक है जो आंशिक रूप से न्यूट्रॉन प्रतिक्रियाशील सामग्री से बना है।[31] इन विन्यासों में सबसे सफल कोटेड डिवाइस प्रकार है, और एक उदाहरण एक सामान्य प्लानर सी डायोड होगा जो किसी के साथ लेपित होगा 10B या 6LiF।[32][33] इस प्रकार के डिटेक्टर को सबसे पहले बैबॉक एट अल द्वारा प्रस्तावित किया गया था।[34] अवधारणा सीधी है। प्रतिक्रियाशील फिल्म में एक न्यूट्रॉन अवशोषित होता है और अनायास ऊर्जावान प्रतिक्रिया उत्पादों का उत्सर्जन करता है। एक प्रतिक्रिया उत्पाद अर्धचालक सतह तक पहुंच सकता है, और अर्धचालक में प्रवेश करने पर इलेक्ट्रॉन-छिद्र जोड़े पैदा करता है। एक रिवर्स बायस वोल्टेज के तहत, इन इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों को डायोड के माध्यम से एक प्रेरित धारा उत्पन्न करने के लिए प्रवाहित किया जाता है, सामान्यतः वोल्टेज आउटपुट बनाने के लिए पल्स मोड में एकीकृत किया जाता है। एकल-लेपित उपकरणों के लिए अधिकतम आंतरिक दक्षता थर्मल न्यूट्रॉन (0.0259 ईवी) के लिए लगभग 5% है, और साहित्य में डिजाइन और संचालन का पूरी तरह से वर्णन किया गया है।[35] न्यूट्रॉन का पता लगाने की दक्षता सीमा प्रतिक्रिया-उत्पाद आत्म-अवशोषण का परिणाम है। उदाहरण के लिए, बोरॉन फिल्म में 1.47 MeV α कणों की सीमा 110B(n,α) 7Li प्रतिक्रिया लगभग 4.5 माइक्रोन है, और LiF में 2.7 MeV प्रोटॉन की सीमा है 10B(n,α) 7ली प्रतिक्रिया लगभग 28 माइक्रोन है। फिल्म/सेमीकंडक्टर इंटरफेस से आगे की दूरी पर उत्पन्न होने वाले रिएक्शन उत्पाद सेमीकंडक्टर सतह तक नहीं पहुंच सकते हैं, और परिणामस्वरूप न्यूट्रॉन का पता लगाने में योगदान नहीं करेंगे। प्राकृतिक जीडी के साथ लेपित उपकरणों का भी पता लगाया गया है, इसका मुख्य कारण इसके 49,000 खलिहानों के बड़े थर्मल न्यूट्रॉन माइक्रोस्कोपिक अनुप्रस्थ काट हैं।[36][37] हालांकि, रुचि के जीडी (n,γ) प्रतिक्रिया उत्पाद मुख्य रूप से कम ऊर्जा रूपांतरण इलेक्ट्रॉन हैं, जो ज्यादातर 70 केवी के आसपास समूहबद्ध हैं। नतीजतन, न्यूट्रॉन प्रेरित घटनाओं और गामा-रे घटनाओं (मुख्य रूप से कॉम्पटन बिखरे हुए इलेक्ट्रॉनों का उत्पादन) के बीच भेदभाव जीडी-लेपित सेमीकंडक्टर डायोड के लिए मुश्किल है। समस्या का समाधान करने के लिए मांगा गया एक मुआवजा पिक्सेल डिज़ाइन।[38] कुल मिलाकर, दोनों के साथ लेपित डिवाइस 10B या 6LiF को मुख्य रूप से पसंद किया जाता है क्योंकि ऊर्जावान आवेशित-कण प्रतिक्रिया उत्पादों को पृष्ठभूमि विकिरणों से अलग करना बहुत आसान होता है।

कोटेड प्लानर डायोड की कम दक्षता के कारण माइक्रोस्ट्रक्चर्ड सेमीकंडक्टर न्यूट्रॉन डिटेक्टर (एमएसएनडी) का विकास हुआ। इन डिटेक्टरों में एक अर्धचालक सब्सट्रेट में खोदी गई सूक्ष्म संरचनाएं होती हैं, जो बाद में एक पिन स्टाइल डायोड में बनती हैं। माइक्रोस्ट्रक्चर को सामान्यतः न्यूट्रॉन रिएक्टिव मैटेरियल से बैकफिल किया जाता है 6लीएफ़, हालांकि 10B का उपयोग किया गया है। प्रतिक्रियाशील सामग्री से सटे अर्धचालक सतह क्षेत्र में वृद्धि और बढ़ी हुई संभावना है कि प्रतिक्रिया उत्पाद सेमीकंडक्टर में प्रवेश करेगा, आंतरिक न्यूट्रॉन पहचान दक्षता में काफी वृद्धि करेगा।[39]

एक माइक्रोस्ट्रक्चर्ड सेमीकंडक्टर न्यूट्रॉन डिटेक्टर (एमएसएनडी) का मूल डिज़ाइन।[40]

एमएसएनडी डिवाइस कॉन्फ़िगरेशन सबसे पहले मुमिनोव और त्सवांग द्वारा प्रस्तावित किया गया था,[41] और बाद में शेल्टन एट अल द्वारा।[42] यह वर्षों बाद था जब एमएसएनडी का पहला कार्यशील उदाहरण गढ़ा और प्रदर्शित किया गया था[43]

,[44] तब केवल 3.3% थर्मल न्यूट्रॉन का पता लगाने की क्षमता थी। उस प्रारंभिक कार्य के बाद से, एमएसएनडी ने 30% से अधिक थर्मल न्यूट्रॉन डिटेक्शन दक्षता हासिल की है।[45] यद्यपि एमएसएनडी अंतर्निहित क्षमता (शून्य लागू वोल्टेज) पर काम कर सकते हैं, वे 2-3 वोल्ट लागू होने पर सर्वश्रेष्ठ प्रदर्शन करते हैं। एमएसएनडी विविधताओं पर अब कई समूह काम कर रहे हैं।[46][47] सबसे सफल प्रकार वे किस्म हैं जिनसे बैकफिल किया जाता है 6LiF सामग्री। एमएसएनडी अब रेडिएशन डिटेक्शन टेक्नोलॉजीज, इंक द्वारा व्यावसायिक रूप से निर्मित और बेचे जाते हैं।[48] सेमीकंडक्टर वेफर के दोनों किनारों पर माइक्रोस्ट्रक्चर का विरोध करने वाले दो तरफा एमएसएनडी के उन्नत प्रायोगिक संस्करणों को 65% से अधिक थर्मल न्यूट्रॉन डिटेक्शन दक्षता के साथ रिपोर्ट किया गया है।[49] और सैद्धांतिक रूप से 70% से अधिक दक्षता के लिए सक्षम हैं।

सेमीकंडक्टर डिटेक्टर जिसमें एक से अधिक घटक परमाणु न्यूट्रॉन रिएक्टिव होते हैं, बल्क सेमीकंडक्टर न्यूट्रॉन डिटेक्टर कहलाते हैं। बल्क सॉलिड-स्टेट न्यूट्रॉन डिटेक्टरों को दो बुनियादी श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है: वे जो आवेशित-कण प्रतिक्रिया उत्पादों की पहचान पर भरोसा करते हैं और वे जो शीघ्र कैप्चर गामा किरणों की पहचान पर भरोसा करते हैं। सामान्य तौर पर, इस प्रकार के न्यूट्रॉन डिटेक्टर को मज़बूती से बनाना मुश्किल है और वर्तमान में व्यावसायिक रूप से उपलब्ध नहीं हैं।

चार्ज-कण उत्सर्जन पर भरोसा करने वाली बल्क सामग्री बोरॉन और लिथियम युक्त सेमीकंडक्टर्स पर आधारित होती है। बल्क सेमीकंडक्टर न्यूट्रॉन डिटेक्टरों की खोज में, बोरॉन-आधारित सामग्री, जैसे BP, BAs, BN और B4C, अन्य संभावित सामग्रियों की तुलना में अधिक जांच की गई है।[50][51][52][53][54][55] क्यूबिक रूप में बोरॉन-आधारित अर्धचालकों को बल्क क्रिस्टल के रूप में विकसित करना मुश्किल होता है, मुख्यतः क्योंकि उन्हें संश्लेषण के लिए उच्च तापमान और उच्च दबाव की आवश्यकता होती है। उच्च दबाव में संश्लेषित होने तक BP और BAs अवांछनीय क्रिस्टल संरचनाओं (क्यूबिक से आईकोसाहेड्रल फॉर्म) में विघटित हो सकते हैं। B4C भी समकोणिक क्रिस्टल संरचना में आइकोसाहेड्रल इकाइयाँ बनाता है, एक अवांछनीय परिवर्तन क्योंकि आइकोसाहेड्रल संरचना में अपेक्षाकृत खराब आवेश संग्रह गुण होते हैं।[56] जो इन आइकोसाहेड्रल रूपों को न्यूट्रॉन का पता लगाने के लिए अनुपयुक्त बनाते हैं।

विकास तापमान के आधार पर BN या तो साधारण हेक्सागोनल, क्यूबिक (जिंकब्लेंड) या वर्टज़ाइट क्रिस्टल के रूप में बन सकता है, और यह सामान्यतः पतली फिल्म विधियों द्वारा उगाया जाता है। यह BN का सरल हेक्सागोनल रूप है जिसका न्यूट्रॉन डिटेक्टर के रूप में सबसे अधिक अध्ययन किया गया है। पतली फिल्म रासायनिक वाष्प जमाव विधियों को सामान्यतः BP, BAs, BN या B के उत्पादन के लिए नियोजित किया जाता है4सी। ये बोरॉन-आधारित फिल्में प्रायः एन-टाइप Si सबस्ट्रेट्स पर उगाई जाती हैं, जो सी के साथ एक पीएन जंक्शन बना सकती हैं और इसलिए, इस खंड की प्रारम्भ में वर्णित एक लेपित सी डायोड का उत्पादन करती हैं। नतीजतन, डिवाइस से न्यूट्रॉन प्रतिक्रिया को थोक प्रतिक्रिया के रूप में आसानी से गलत किया जा सकता है जब यह वास्तव में एक लेपित डायोड प्रतिक्रिया होती है। आज तक, आंतरिक न्यूट्रॉन संकेतों का उत्पादन करने वाले बोरॉन-आधारित अर्धचालकों के विरल प्रमाण हैं।

ली-युक्त अर्धचालक, जिन्हें नोवोटनी-जुजा यौगिकों के रूप में वर्गीकृत किया गया है, की भी बल्क न्यूट्रॉन डिटेक्टरों के रूप में जांच की गई है। नोवोटनी-जूज़ा यौगिक LiZnAs को न्यूट्रॉन डिटेक्टर के रूप में प्रदर्शित किया गया है;[57] हालांकि, सामग्री को संश्लेषित करना मुश्किल और महंगा है, और केवल छोटे अर्धचालक क्रिस्टल की सूचना दी गई है। अंत में, न्यूट्रॉन रिएक्टिव डोपेंट के साथ पारंपरिक सेमीकंडक्टर सामग्री की जांच की गई है, अर्थात् Si(Li) डिटेक्टर। न्यूट्रॉन सामग्री में लिथियम डोपेंट के साथ बातचीत करते हैं और ऊर्जावान प्रतिक्रिया उत्पादों का उत्पादन करते हैं। हालांकि, डोपेंट एकाग्रता ली-ड्रिफ्टेड सी डिटेक्टरों (या अन्य डॉप्ड सेमीकंडक्टर्स) में अपेक्षाकृत कम है, सामान्यतः 1019 सेमी-3 से कम है। 1019 सेमी-3 के क्रम पर ली की अपघटित सांद्रता के लिए, प्राकृतिक Si(Li) के 5 सेमी मोटे ब्लॉक में 1% से कम थर्मल-न्यूट्रॉन पहचान क्षमता होगी, जबकि Si(6Li) का 5 सेमी मोटा ब्लॉक होगा। डिटेक्टर में केवल 4.6% थर्मल-न्यूट्रॉन डिटेक्शन दक्षता होगी।

तत्काल गामा-रे उत्सर्जक अर्धचालक, जैसे CdTe[58][59] और HgI2[60][61] न्यूट्रॉन डिटेक्टरों के रूप में सफलतापूर्वक उपयोग किया गया है। ये डिटेक्टर शीघ्र गामा-किरण उत्सर्जन पर भरोसा करते हैं 113Cd(n, γ)114Cd प्रतिक्रिया (558.6 keV और 651.3 keV गामा किरणों का उत्पादन) और 199Hg(n, γ) 200Hg प्रतिक्रिया (368.1 keV और 661.1 keV गामा किरणों का उत्पादन)। हालांकि, इन अर्धचालक सामग्रियों को गामा-रे स्पेक्ट्रोमीटर के रूप में उपयोग करने के लिए डिज़ाइन किया गया है और इसलिए, गामा-रे पृष्ठभूमि के प्रति आंतरिक रूप से संवेदनशील हैं। पर्याप्त ऊर्जा संकल्प के साथ, न्यूट्रॉन पारस्परिक क्रिया से तत्काल गामा-रे उत्सर्जन को अलग करने के लिए पल्स ऊंचाई भेदभाव का उपयोग किया जा सकता है। हालांकि, अपेक्षाकृत छोटे कॉम्पटन अनुपात के कारण प्रभावी न्यूट्रॉन का पता लगाने की दक्षता से समझौता किया जाता है। दूसरे शब्दों में, अधिकांश घटनाएँ पूर्ण ऊर्जा शिखर के बजाय कॉम्पटन सातत्य में जुड़ती हैं, इस प्रकार, न्यूट्रॉन और पृष्ठभूमि गामा किरणों के बीच भेदभाव करना मुश्किल हो जाता है। इसके अलावा, दोनों प्राकृतिक सीडी और Hg में क्रमशः 2444 B और 369.8 B के अपेक्षाकृत बड़े थर्मल-न्यूट्रॉन (n,γ) अनुप्रस्थ काट हैं। नतीजतन, अधिकांश थर्मल न्यूट्रॉन डिटेक्टर सतह के पास अवशोषित होते हैं ताकि लगभग आधी गामा किरणें डिटेक्टर बल्क से दूर दिशाओं में उत्सर्जित हों और इस प्रकार, खराब गामा-रे पुनर्संयोजन या अंतःक्रियात्मक दक्षता उत्पन्न करें।

न्यूट्रॉन सक्रियण डिटेक्टर

न्यूट्रॉन के ऊर्जा स्पेक्ट्रम और तीव्रता को चिह्नित करने के लिए सक्रियण नमूने न्यूट्रॉन क्षेत्र में रखे जा सकते हैं। अलग-अलग ऊर्जा थ्रेसहोल्ड वाले सक्रियण प्रतिक्रियाओं का उपयोग किया जा सकता है जिनमें 56Fe(n,p) 56Mn, 27Al(n,α)24Na, 93Nb(n,2n) 92mNb, & 28Si(n,p)28Al सम्मिलित हैं।[62]

तेज न्यूट्रॉन डिटेक्टर

फास्ट न्यूट्रॉन को प्रायः थर्मल ऊर्जा में पहले मॉडरेट (धीमा) करके पता लगाया जाता है। हालांकि, उस प्रक्रिया के दौरान न्यूट्रॉन की मूल ऊर्जा, इसकी यात्रा की दिशा और उत्सर्जन के समय की जानकारी खो जाती है। कई अनुप्रयोगों के लिए, "तेज़" न्यूट्रॉन का पता लगाना जो इस जानकारी को बनाए रखता है, अत्यधिक वांछनीय है।[63] विशिष्ट तेज़ न्यूट्रॉन डिटेक्टर तरल स्किंटिलेटर हैं,[64] 4-उन्होंने नोबल गैस डिटेक्टरों की स्थापना की [65] और प्लास्टिक डिटेक्टर। फास्ट न्यूट्रॉन डिटेक्टर अपनी 1.) न्यूट्रॉन/गामा भेदभाव की क्षमता (पल्स आकार भेदभाव के माध्यम से) और 2.) संवेदनशीलता द्वारा एक दूसरे से खुद को अलग करते हैं। न्यूट्रॉन और गामा के बीच अंतर करने की क्षमता नोबल गैस आधारित 4-He डिटेक्टरों में उनके कम इलेक्ट्रॉन घनत्व और उत्कृष्ट स्पंद आकार भेदभाव गुण के कारण उत्कृष्ट है। वास्तव में, जिंक सल्फाइड जैसे अकार्बनिक स्किंटिलेटर्स को प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉनों के लिए उनके क्षय समय में बड़े अंतर को प्रदर्शित करने के लिए दिखाया गया है; माइक्रो-लेयर्ड फास्ट-न्यूट्रॉन डिटेक्टर में एक न्यूट्रॉन कनवर्टर (जैसे पॉलीमेथाइल मेथैक्रिलेट) के साथ अकार्बनिक क्रिस्टल के संयोजन द्वारा एक सुविधा का शोषण किया गया है।[66] इस तरह की पहचान प्रणालियां मिश्रित न्यूट्रॉन-गामा विकिरण क्षेत्र में चुनिंदा रूप से केवल तेज न्यूट्रॉन का पता लगाने में सक्षम हैं, बिना किसी अतिरिक्त भेदभाव तकनीक जैसे पल्स आकार भेदभाव की आवश्यकता के।[67] तेज न्यूट्रॉन का पता लगाने से कई तरह की विशेष समस्याएं पैदा होती हैं। प्लास्टिक स्किंटिलेटर सामग्री के अलग-अलग विमानों में कई प्रोटॉन रिकॉइल का उपयोग करके एक दिशात्मक फास्ट-न्यूट्रॉन डिटेक्टर विकसित किया गया है। न्यूट्रॉन टक्कर द्वारा बनाए गए रिकॉइल नाभिक के पथ रिकॉर्ड किए जाते हैं; दो रिकॉइल नाभिकों की ऊर्जा और संवेग का निर्धारण यात्रा की दिशा और न्यूट्रॉन की ऊर्जा की गणना करने की अनुमति देता है जो उनके साथ प्रत्यास्थ प्रकीर्णन से गुजरता है।[68]

अनुप्रयोग

न्यूट्रॉन का पता लगाने का उपयोग अलग-अलग उद्देश्यों के लिए किया जाता है। पहचान प्रणाली के लिए प्रत्येक एप्लिकेशन की अलग-अलग आवश्यकताएं होती हैं।

  • रिएक्टर यंत्रीकरण: चूंकि रिएक्टर शक्ति अनिवार्य रूप से न्यूट्रॉन प्रवाह के लिए रैखिक रूप से आनुपातिक है, न्यूट्रॉन डिटेक्टर परमाणु ऊर्जा और अनुसंधान रिएक्टरों में शक्ति का एक महत्वपूर्ण माप प्रदान करते हैं। उबलते पानी के रिएक्टरों में दर्जनों न्यूट्रॉन डिटेक्टर हो सकते हैं, प्रति ईंधन असेंबली में एक। थर्मल-स्पेक्ट्रम परमाणु रिएक्टरों में उपयोग किए जाने वाले अधिकांश न्यूट्रॉन डिटेक्टर थर्मल न्यूट्रॉन का पता लगाने के लिए अनुकूलित होते हैं।
  • प्लाज्मा भौतिकी: संयुक्त यूरोपीय टोरस जैसे संलयन प्लाज्मा भौतिकी प्रयोगों में न्यूट्रॉन का पता लगाने का उपयोग किया जाता है।[69] उदाहरण के लिए, प्लाज्मा से ज्ञात न्यूट्रॉन दर आयन तापमान के बारे में जानकारी दे सकती है।[70]
  • कण भौतिकी: न्यूट्रिनो डिटेक्टर को बढ़ाने की एक विधि के रूप में न्यूट्रॉन का पता लगाने का प्रस्ताव दिया गया है।[71]
  • पदार्थ विज्ञान: प्रत्यास्थ और अप्रत्यास्थ न्यूट्रॉन प्रकीर्णन प्रयोगकर्ताओं को एंगस्ट्रॉम्स से लेकर लगभग एक माइक्रोमीटर तक के पैमाने से सामग्रियों की आकारिकी को चित्रित करने में सक्षम बनाता है।
  • विकिरण सुरक्षा: न्यूट्रॉन विकिरण न्यूट्रॉन स्रोतों, अंतरिक्ष यात्रा, कण त्वरक और परमाणु रिएक्टर से जुड़ा एक खतरा है। विकिरण सुरक्षा के लिए उपयोग किए जाने वाले न्यूट्रॉन डिटेक्टरों को सापेक्ष जैविक प्रभावशीलता को ध्यान में रखना चाहिए (यानी, जिस तरह से न्यूट्रॉन से होने वाली क्षति ऊर्जा के साथ भिन्न होती है)।
  • ब्रह्मांडीय किरण का पता लगाना: द्वितीयक न्यूट्रॉन ब्रह्मांडीय किरणों द्वारा पृथ्वी के वायुमंडल में उत्पन्न होने वाले कण वर्षा का एक घटक हैं। समर्पित जमीनी स्तर के न्यूट्रॉन डिटेक्टर, अर्थात् न्यूट्रॉन मॉनिटर, ब्रह्मांडीय किरण प्रवाह में भिन्नता की निगरानी के लिए कार्यरत हैं।
  • विशेष परमाणु सामग्री का पता लगाना: विशेष परमाणु सामग्री (एसएनएम) जैसे कि यूरेनियम-233 -233 और प्लूटोनियम -239 सहज विखंडन, उपज न्यूट्रॉन द्वारा क्षय। वाणिज्य में एसएनएम के लिए मॉनिटर के लिए न्यूट्रॉन डिटेक्टरों का उपयोग किया जा सकता है।

प्रायोगिक न्यूट्रॉन का पता लगाने

इस विज्ञान का उपयोग करने वाले प्रयोगों में प्रकीर्णन प्रयोग सम्मिलित हैं जिसमें न्यूट्रॉन को निर्देशित किया जाता है और फिर एक नमूने से बिखरे हुए का पता लगाया जाता है। सुविधाओं में रदरफोर्ड एपलटन प्रयोगशाला में आईएसआईएस न्यूट्रॉन स्रोत, ओक रिज राष्ट्रीय प्रयोगशाला में स्पैलेशन न्यूट्रॉन स्रोत, और पॉल शेरर संस्थान में पॉल शेरेर इंस्टीट्यूट # स्पेलेशन न्यूट्रॉन स्रोत (एसआईएनक्यू) सम्मिलित हैं। स्पेलेशन न्यूट्रॉन स्रोत (एसआईएनक्यू), जिसमें न्यूट्रॉन स्पेलेशन प्रतिक्रिया द्वारा उत्पन्न होते हैं, और पारंपरिक अनुसंधान रिएक्टर सुविधाएं जिनमें यूरेनियम समस्थानिकों के विखंडन के दौरान न्यूट्रॉन उत्पन्न होते हैं। विभिन्न न्यूट्रॉन खोज प्रयोगों में उल्लेखनीय यूरोपीय म्यूऑन सहयोग का ट्रेडमार्क प्रयोग है, जिसे पहले सीईआरएन में प्रदर्शित किया गया था और अब इसे ईएमसी प्रयोग कहा जाता है। मूल ईएमसी प्रभाव से संबंधित अधिक निश्चित परिणाम प्राप्त करने के लिए आज भी यही प्रयोग अधिक परिष्कृत उपकरणों के साथ किया जाता है।

प्रायोगिक वातावरण में न्यूट्रॉन का पता लगाने में चुनौतियां

प्रायोगिक वातावरण में न्यूट्रॉन का पता लगाना कोई आसान विज्ञान नहीं है। आधुनिक समय के न्यूट्रॉन का पता लगाने में प्रमुख चुनौतियों में पृष्ठभूमि शोर, उच्च पहचान दर, न्यूट्रॉन तटस्थता और कम न्यूट्रॉन ऊर्जा सम्मिलित हैं।

पृष्ठभूमि शोर

न्यूट्रॉन का पता लगाने में पृष्ठभूमि शोर के मुख्य घटक उच्च-ऊर्जा फोटॉन हैं, जो भौतिक बाधाओं से आसानी से समाप्त नहीं होते हैं। शोर के अन्य स्रोत, जैसे कि अल्फा कण और बीटा कण, विभिन्न परिरक्षण सामग्री, जैसे सीसा, प्लास्टिक, थर्मो-कोयला आदि द्वारा समाप्त किए जा सकते हैं। इस प्रकार, फोटॉन न्यूट्रॉन का पता लगाने में प्रमुख हस्तक्षेप करते हैं, क्योंकि यह अनिश्चित है कि न्यूट्रॉन हैं या नहीं। या न्यूट्रॉन डिटेक्टर द्वारा फोटॉन का पता लगाया जा रहा है। लक्ष्य या परिवेश प्रकाश से डिटेक्टर में बिखरने के बाद दोनों समान ऊर्जा दर्ज करते हैं, और इस प्रकार अंतर करना कठिन होता है। संयोग सर्किट का पता लगाने का उपयोग फोटॉन और अन्य विकिरण से वास्तविक न्यूट्रॉन घटनाओं में भेदभाव करने के लिए भी किया जा सकता है।

उच्च पता लगाने की दर

यदि डिटेक्टर उच्च बीम गतिविधि के क्षेत्र में स्थित है, तो यह अत्यधिक उच्च दरों पर न्यूट्रॉन और पृष्ठभूमि शोर से लगातार प्रभावित होता है। यह एकत्र किए गए डेटा को अस्पष्ट करता है, क्योंकि माप में अत्यधिक ओवरलैप होता है, और अलग-अलग घटनाओं को आसानी से एक दूसरे से अलग नहीं किया जाता है। इस प्रकार, चुनौती का एक हिस्सा पता लगाने की दरों को यथासंभव कम रखने और एक डिटेक्टर को डिजाइन करने में निहित है जो सुसंगत डेटा उत्पन्न करने के लिए उच्च दरों को बनाए रख सकता है।

न्यूट्रॉन की तटस्थता

न्यूट्रॉन तटस्थ होते हैं और इस प्रकार विद्युत क्षेत्रों पर प्रतिक्रिया नहीं करते हैं। इससे पता लगाने की सुविधा के लिए एक डिटेक्टर की ओर अपने पाठ्यक्रम को निर्देशित करना कठिन हो जाता है। सीधी भिड़ंत के अलावा न्यूट्रॉन भी परमाणुओं को आयनित नहीं करते हैं, इसलिए गैसीय आयनीकरण डिटेक्टर अप्रभावी होते हैं।

ऊर्जा के साथ बदलता व्यवहार

न्यूट्रॉन अवशोषण पर निर्भर डिटेक्टर सामान्यतः कम-ऊर्जा थर्मल न्यूट्रॉन के प्रति अधिक संवेदनशील होते हैं, और उच्च-ऊर्जा न्यूट्रॉन के प्रति कम संवेदनशील होते हैं। दूसरी ओर, स्किंटिलेशन डिटेक्टर को कम ऊर्जा वाले न्यूट्रॉन के प्रभावों को दर्ज करने में परेशानी होती है।

प्रायोगिक सेटअप और विधि

चित्रा 1: प्रयोगात्मक सेटअप

चित्रा 1 न्यूट्रॉन डिटेक्शन यूनिट की स्थापना के विशिष्ट मुख्य घटकों को दिखाता है। सिद्धांत रूप में, आरेख सेटअप को दिखाता है क्योंकि यह किसी भी आधुनिक कण भौतिकी प्रयोगशाला में होगा, लेकिन विशिष्टताएं थॉमस जेफरसन राष्ट्रीय त्वरक सुविधा (न्यूपोर्ट न्यूज, वर्जीनिया) में सेटअप का वर्णन करती हैं।

इस सेटअप में, आने वाले कण, जिसमें न्यूट्रॉन और फोटॉन सम्मिलित हैं, न्यूट्रॉन डिटेक्टर पर हमला करते हैं; यह विशिष्ट रूप से एक जगमगाहट संसूचक है जिसमें प्रस्फुरण सामग्री, एक वेवगाइड, और एक फोटोमल्टीप्लायर ट्यूब (पीएमटी) सम्मिलित है, और पता लगाने के विवरण दर्ज करने के लिए डेटा अधिग्रहण (डीएक्यू) प्रणाली से जुड़ा होगा।

न्यूट्रॉन डिटेक्टर से डिटेक्शन सिग्नल स्केलर यूनिट, गेटेड डिले यूनिट, ट्रिगर यूनिट और ऑसिलोस्कोप से जुड़ा होता है। स्केलर इकाई का उपयोग केवल आने वाले कणों या घटनाओं की संख्या को गिनने के लिए किया जाता है। ऐसा वह हर बार अपने कणों की संख्या बढ़ाकर करता है, जब वह शून्य-बिंदु से डिटेक्टर सिग्नल में वृद्धि का पता लगाता है। इस इकाई में बहुत कम सिग्नल के निष्क्रिय रहने का अंतराल होता है, जिसका अर्थ है कि कण चाहे कितनी भी तेजी से अंदर क्यों न आ रहे हों, इस इकाई के किसी घटना (जैसे आने वाले कण) की गणना करने में विफल होने की संभावना बहुत कम है। कम मृत समय इस इकाई में परिष्कृत इलेक्ट्रॉनिक्स के कारण होता है, जो हर बार एक घटना होने पर तार्किक उच्च दर्ज करने के अपेक्षाकृत आसान कार्य से ठीक होने में थोड़ा समय लेता है। ट्रिगर यूनिट सिस्टम के सभी इलेक्ट्रॉनिक्स का समन्वय करती है और इन इकाइयों को एक तार्किक उच्च देती है जब पूरा सेटअप एक इवेंट रन रिकॉर्ड करने के लिए तैयार होता है।

आस्टसीलस्कप हर घटना के साथ एक वर्तमान नाड़ी दर्ज करता है। पल्स केवल समय के खिलाफ प्लॉट किए गए इस घटना के कारण डिटेक्टर में आयनीकरण की धारा है। पीएमटी के अंत में जमा कुल चार्ज प्राप्त करने के लिए समय के संबंध में इस वर्तमान पल्स को एकीकृत करके घटना कण की कुल ऊर्जा पाई जा सकती है। यह एकीकरण एनॉलॉग से डिजिटल परिवर्तित करने वाला उपकरण एनालॉग-डिजिटल कनवर्टर (एडीसी) में किया जाता है। कुल जमा आवेश न्यूट्रॉन डिटेक्टर में प्रवेश करने वाले आयनीकरण कण (न्यूट्रॉन या फोटॉन) की ऊर्जा का प्रत्यक्ष माप है। यह संकेत एकीकरण तकनीक परमाणु भौतिकी में डिटेक्टर में आयनीकरण को मापने के लिए एक स्थापित पद्धति है।[72] एडीसी के पास ऑसिलोस्कोप की तुलना में अधिक मृत समय होता है, जिसमें सीमित स्मृति होती है और एडीसी को घटनाओं को जल्दी से स्थानांतरित करने की आवश्यकता होती है। इस प्रकार, एडीसी विश्लेषण के लिए ऑसिलोस्कोप से प्रत्येक 30 घटनाओं में से लगभग एक का नमूना लेता है। चूंकि विशिष्ट घटना दर लगभग 10 है6 प्रति सेकंड न्यूट्रॉन,[73] यह नमूना अभी भी हर सेकेंड हजारों घटनाओं को एकत्रित करेगा।

फोटॉन से न्यूट्रॉन को अलग करना

एडीसी अपने डेटा को एक डीएक्यू इकाई को भेजता है जो डेटा को विश्लेषण के लिए प्रस्तुत करने योग्य रूप में सॉर्ट करता है। आगे के विश्लेषण की कुंजी फोटॉन आयनीकरण-वर्तमान नाड़ी और न्यूट्रॉन के आकार के बीच के अंतर में निहित है। फोटॉन पल्स सिरों (या पूंछ) पर लंबा होता है जबकि न्यूट्रॉन पल्स अच्छी तरह से केंद्रित होता है।[73] इस तथ्य का उपयोग आने वाले न्यूट्रॉन की पहचान करने और आने वाले न्यूट्रॉन की कुल दर की गणना करने के लिए किया जा सकता है। इस पृथक्करण की ओर ले जाने वाले कदम (वे जो सामान्यतः प्रमुख राष्ट्रीय प्रयोगशालाओं में किए जाते हैं, जेफरसन लैब विशेष रूप से उनमें से हैं) गेटेड पल्स एक्सट्रैक्शन और प्लॉटिंग-द-डिफरेंस हैं।

गेटेड पल्स निष्कर्षण

Ionization वर्तमान संकेत बीच में एक स्थानीय शिखर के साथ सभी दालें हैं। निरंतर समय में एक तार्किक और गेट का उपयोग करना (एक इनपुट के रूप में 1 और 0 दालों की धारा और दूसरे के रूप में वर्तमान संकेत), प्रत्येक वर्तमान पल्स सिग्नल का पूंछ भाग निकाला जाता है। इस गेटेड भेदभाव पद्धति का उपयोग नियमित रूप से तरल सिंटिलेटर पर किया जाता है।[74] गेटेड विलंब इकाई ठीक इसी छोर पर है, और मूल सिग्नल की विलंबित प्रति इस तरह से बनाती है कि इसका टेल सेक्शन ऑसिलोस्कोप स्क्रीन पर इसके मुख्य सेक्शन के साथ देखा जाता है।

पूंछ निकालने के बाद, पूंछ अनुभाग और पूर्ण सिग्नल दोनों पर सामान्य वर्तमान एकीकरण किया जाता है। यह प्रत्येक घटना के लिए दो आयनीकरण मान उत्पन्न करता है, जो डीएक्यू प्रणाली में घटना तालिका में संग्रहीत होते हैं।

अंतर की योजना

चित्रा 2: सभी घटना ऊर्जाओं के लिए प्लॉट किए गए पूर्ण स्पंद में ऊर्जा के खिलाफ पूंछ ऊर्जा की अपेक्षित साजिश। डॉट्स घटनाओं की संख्या घनत्व का प्रतिनिधित्व करते हैं।

इस चरण में विश्लेषण का महत्वपूर्ण बिंदु है: निकाले गए आयनीकरण मान प्लॉट किए जाते हैं। विशेष रूप से, ग्राफ़ न्यूट्रॉन ऊर्जा की एक श्रृंखला के लिए पूरे सिग्नल में ऊर्जा जमाव के विरुद्ध पूंछ में ऊर्जा जमाव को प्लॉट करता है। विशेष रूप से, किसी दी गई ऊर्जा के लिए, समान पूंछ-ऊर्जा मूल्यों के साथ कई घटनाएं होती हैं। इस मामले में, प्लॉट किए गए बिंदुओं को द्वि-आयामी प्लॉट पर अधिक ओवरलैपिंग डॉट्स के साथ बस सघन बनाया जाता है, और इस प्रकार प्रत्येक ऊर्जा जमाव के अनुरूप घटनाओं की संख्या को नेत्रगोलक करने के लिए उपयोग किया जा सकता है। ग्राफ पर सभी घटनाओं का एक काफी यादृच्छिक अंश (1/30) प्लॉट किया गया है।

यदि निकाली गई पूंछ का आकार कुल स्पंदन का एक निश्चित अनुपात है, तो भूखंड पर अलग-अलग ढलान वाली दो लाइनें होंगी। एक उच्च ढलान वाली रेखा फोटॉन घटनाओं के अनुरूप होगी और कम ढलान वाली एक रेखा न्यूट्रॉन घटनाओं के अनुरूप होगी। यह सटीक है क्योंकि फोटॉन ऊर्जा जमाव वर्तमान, समय के विरुद्ध प्लॉट किया गया, न्यूट्रॉन जमाव प्लॉट की तुलना में एक लंबी पूंछ छोड़ देता है, जिससे फोटॉन पूंछ न्यूट्रॉन पूंछ की तुलना में कुल ऊर्जा का अधिक अनुपात देती है।

किसी भी पहचान विश्लेषण की प्रभावशीलता का अंदाजा इसकी सटीक गणना और न्यूट्रॉन और फोटॉनों की संख्या को अलग करने की क्षमता से लगाया जा सकता है जो डिटेक्टर पर प्रहार करते हैं। साथ ही, दूसरे और तीसरे चरण की प्रभावशीलता से पता चलता है कि प्रयोग में घटना दर प्रबंधनीय है या नहीं। यदि उपरोक्त चरणों में स्पष्ट भूखंड प्राप्त किए जा सकते हैं, आसान न्यूट्रॉन-फोटॉन पृथक्करण की अनुमति देते हैं, तो पता लगाने को प्रभावी और प्रबंधनीय दरों के रूप में कहा जा सकता है। दूसरी ओर, डेटा बिंदुओं की अस्पष्टता और अविभाज्यता घटनाओं के आसान पृथक्करण की अनुमति नहीं देगी।

दर नियंत्रण

पता लगाने की दरों को कई तरीकों से कम रखा जा सकता है। घटनाओं के नमूने का उपयोग विश्लेषण के लिए केवल कुछ घटनाओं का चयन करने के लिए किया जा सकता है। यदि दरें इतनी अधिक हैं कि एक घटना को दूसरे से अलग नहीं किया जा सकता है, तो भौतिक प्रयोगात्मक पैरामीटर (परिरक्षण, डिटेक्टर-लक्ष्य दूरी, ठोस कोण इत्यादि) सबसे कम संभावित दर देने के लिए समायोजित किया जाना चाहिए और इस प्रकार अलग-अलग घटनाओं में हेरफेर किया जा सकता है।

महीन पहचान बिंदु

यहां उन चरों का ठीक-ठीक निरीक्षण करना महत्वपूर्ण है, जो मायने रखते हैं, क्योंकि रास्ते में गलत संकेतक हो सकते हैं। उदाहरण के लिए, आयनीकरण धाराओं में समय-समय पर उच्च वृद्धि हो सकती है, जो उच्च दर का संकेत नहीं देती है, लेकिन आवारा घटनाओं के लिए सिर्फ उच्च ऊर्जा जमाव। इन उछालों को सारणीबद्ध किया जाएगा और अनुचित होने पर निंदक के साथ देखा जाएगा, विशेष रूप से तब जब सेटअप में बहुत ज्यादा बैकग्राउंड नॉइज़ हो।

कोई पूछ सकता है कि कैसे प्रयोगकर्ता यह सुनिश्चित कर सकते हैं कि ऑसिलोस्कोप में प्रत्येक वर्तमान नाड़ी ठीक एक घटना से मेल खाती है। यह सच है क्योंकि स्पंद लगभग 50 नैनोसेकंड तक रहता है, जो अधिकतम की अनुमति देता है 2×107 घटनाएँ प्रति सेकंड। यह संख्या वास्तविक विशिष्ट दर से बहुत अधिक है, जो सामान्यतः परिमाण का एक क्रम है, जैसा कि ऊपर बताया गया है।[73] इसका मतलब यह है कि क्या एक करंट पल्स पैदा करने वाले दो कणों के होने की संभावना बहुत कम है। वर्तमान स्पंद प्रत्येक 50 एनएस तक रहता है, और पिछली घटना से एक अंतराल के बाद अगली घटना दर्ज करना प्रारम्भ करता है।

हालांकि कभी-कभी उच्च आने वाली न्यूट्रॉन ऊर्जा द्वारा सुविधा प्रदान की जाती है, न्यूट्रॉन का पता लगाना सामान्यतः एक कठिन कार्य होता है, जो पहले बताए गए सभी कारणों से होता है। इस प्रकार, बेहतर स्किंटिलेटर डिजाइन भी अग्रभूमि में है और स्किन्टिलेशन डिटेक्टरों के आविष्कार के बाद से ही यह खोज का विषय रहा है। 1903 में क्रुक्स द्वारा सिंटिलेशन डिटेक्टरों का आविष्कार किया गया था, लेकिन 1944 में कर्रन और बेकर द्वारा पीएमटी (फोटोमल्टीप्लायर ट्यूब) विकसित किए जाने तक बहुत कुशल नहीं थे।[72] पीएमटी पता लगाने का एक विश्वसनीय और कुशल तरीका प्रदान करता है क्योंकि यह पीएमटी के चेहरे पर लाखों बार हिट करने वाले एकल सिंटिलेशन फोटॉन के प्रारंभिक संकेत को मापने योग्य विद्युत पल्स में गुणा कर सकता है। फिर भी, सिंटिलेटर डिटेक्टर डिजाइन में सुधार की गुंजाइश है क्योंकि न्यूट्रॉन का पता लगाने के लिए अन्य विकल्पों के अलावा सिंटिलेशन भी है।

यह भी देखें

संदर्भ

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