مولد النيوترونات

مولدات النيوترونات هي أجهزة مصدرة للنيوترونات تحتوي على مسرعات جسيمات خطية مدمجة ، وتنتج النيوترونات عن طريق دمج نظائر الهيدروجين معًا. تحدث تفاعلات الاندماج في هذه الأجهزة بتسريع الديوتيريوم أو التريتيوم أو خليط منهما في هدف من هيدريد معدني يحتوي أيضًا على الديوتيريوم أو التريتيوم أو خليط منهما . ينتج عن اندماج ذرات الديوتيريوم (D + D) أيون هيليوم-3 ونيوترون بطاقة حركية تبلغ حوالي 2.5 ميغا إلكترون فولت. وينتج عن اندماج ذرة ديوتيريوم مع ذرة تريتيوم (D + T) أيون هيليوم-4 ونيوترون بطاقة حركية تبلغ حوالي 14.1 ميغا إلكترون فولت. لمولدات النيوترونات تطبيقات في الطب والأمن وتحليل المواد. ^{[ 1 ]}  

طُوِّر المفهوم الأساسي لأول مرة على يد فريق إرنست رذرفورد في مختبر كافنديش في أوائل ثلاثينيات القرن العشرين. باستخدام مُسرِّع خطي يعمل بمولد كوكروفت-والتون ، قاد مارك أوليفانت تجربةً أطلق فيها أيونات الديوتيريوم على رقاقة معدنية مشبعة بالديوتيريوم، ولاحظ أن عددًا قليلًا من هذه الجسيمات انبعثت منه جسيمات ألفا . كان هذا أول برهان على الاندماج النووي، بالإضافة إلى أول اكتشاف للهيليوم-3 والتريتيوم، اللذين نتجا عن هذه التفاعلات. ومع ظهور مصادر طاقة جديدة، انخفض حجم هذه الأجهزة باستمرار، من جهاز أوليفانت الذي كان يشغل زاوية المختبر، إلى الأجهزة الحديثة سهلة النقل. وقد بُنيت آلاف من هذه الأنظمة الصغيرة وغير المكلفة نسبيًا منذ ستينيات القرن العشرين.

مع أن مولدات النيوترونات تُنتج تفاعلات اندماج نووي، إلا أن عدد الأيونات المُسرّعة التي تُسبب هذه التفاعلات قليل جدًا. ومن السهل إثبات أن الطاقة المنبعثة من هذه التفاعلات أقل بكثير من الطاقة اللازمة لتسريع الأيونات، لذا لا يُمكن استخدام هذه الأجهزة لإنتاج طاقة اندماج نووي صافية . ويحاول مفهوم ذو صلة، وهو اندماج الحزم المتصادمة ، معالجة هذه المشكلة باستخدام مُسرّعين يُطلقان شعاعيهما باتجاه بعضهما البعض.

تُعدّ مولدات النيوترونات الصغيرة التي تستخدم تفاعلات اندماج الديوتيريوم (D، الهيدروجين-2، ^2H ) والتريتيوم (T، الهيدروجين-3، ^3H ) أكثر مصادر النيوترونات شيوعًا في المسرعات (مقارنةً بالنظائر المشعة). في هذه الأنظمة، تُنتَج النيوترونات عن طريق تكوين أيونات من الديوتيريوم أو التريتيوم أو كليهما، ثم تسريعها نحو هدف هيدريد مُحمّل بالديوتيريوم أو كليهما. يُستخدم تفاعل DT أكثر من تفاعل DD نظرًا لأنّ إنتاجية تفاعل DT أعلى بمقدار 50 إلى 100 مرة من إنتاجية تفاعل DD.

D + T → n + ⁴ He  E _n = 14.1  MeV

D + D → n + ³ He  E _n = 2.5  MeV

تنبعث النيوترونات الناتجة عن تفاعلات الديوتيريوم-دايموند (DD) والديوتيريوم-دايموند (DT) بشكل غير متجانس من الهدف، مع انحراف طفيف في الاتجاه الأمامي (على محور حزمة الأيونات). ينشأ عدم تجانس انبعاث النيوترونات من تفاعلات DD وDT من كون التفاعلات متناحية في نظام إحداثيات مركز الزخم (COM)، إلا أن هذا التناظر يختفي عند التحويل من نظام إحداثيات مركز الزخم إلى الإطار المرجعي المختبري . في كلا الإطارين المرجعيين، ترتد نوى الهيليوم في الاتجاه المعاكس للنيوترون المنبعث، بما يتوافق مع قانون حفظ الزخم .

يتراوح ضغط الغاز في منطقة مصدر الأيونات لأنابيب النيوترونات عمومًا بين 0.1 و0.01 مم زئبق . يجب أن يكون متوسط ​​المسار الحر للإلكترونات أقصر من مساحة التفريغ لتحقيق التأين (الحد الأدنى للضغط)، مع ضرورة الحفاظ على الضغط منخفضًا بما يكفي لتجنب حدوث تفريغات عند تطبيق جهود استخلاص عالية بين الأقطاب الكهربائية. أما الضغط في منطقة التسريع، فيجب أن يكون أقل بكثير، حيث يجب أن يكون متوسط ​​المسار الحر للإلكترونات أطول لمنع حدوث تفريغ بين أقطاب الجهد العالي. ^{[ 2 ]}  

يتكون مسرع الأيونات عادةً من عدة أقطاب كهربائية ذات تناظر أسطواني، تعمل كعدسة أحادية . وبذلك، يمكن تركيز حزمة الأيونات في نقطة صغيرة على الهدف. تتطلب المسرعات عادةً مصادر طاقة تتراوح بين 100 و500 كيلوفولت. وعادةً ما تحتوي على عدة مراحل، بحيث لا يتجاوز الجهد بين المراحل 200  كيلوفولت لمنع الانبعاث الميداني . ^{[ 2 ]}

بالمقارنة مع مصادر النيوترونات المشعة، يمكن لأنابيب النيوترونات إنتاج تدفقات نيوترونية أعلى بكثير ، كما يمكن الحصول على أطياف طاقة نيوترونية متسقة (أحادية اللون). ويمكن أيضاً التحكم في معدل إنتاج النيوترونات. ^{[ 2 ]}

يُعدّ مُسرّع الجسيمات، الذي يُطلق عليه أحيانًا أنبوب النيوترونات، الجزء المركزي في مولد النيوترونات. يتكون أنبوب النيوترونات من عدة مكونات، تشمل مصدر أيونات، وعناصر بصرية أيونية، وهدف شعاعي؛ جميعها مُغلّفة داخل غلاف مُحكم الإغلاق. يتم توفير عزل الجهد العالي بين العناصر البصرية الأيونية للأنبوب بواسطة عوازل زجاجية و/أو خزفية. يُغلّف أنبوب النيوترونات بدوره في غلاف معدني، هو رأس المُسرّع، والذي يُملأ بمادة عازلة لعزل عناصر الجهد العالي للأنبوب عن منطقة التشغيل. يتم توفير الجهد العالي للمُسرّع ومصدر الأيونات بواسطة مصادر طاقة خارجية. تسمح وحدة التحكم للمُشغّل بضبط معايير تشغيل أنبوب النيوترونات. عادةً ما تقع مصادر الطاقة ومعدات التحكم على بُعد 3-10 أمتار (10-30 قدمًا) من رأس المُسرّع في الأجهزة المختبرية، ولكن قد تكون على بُعد عدة كيلومترات في أجهزة تسجيل الآبار . 

بالمقارنة مع سابقاتها، لا تتطلب أنابيب النيوترونات المغلقة مضخات تفريغ أو مصادر غاز للتشغيل. ولذلك فهي أكثر سهولة في النقل وأصغر حجماً، فضلاً عن كونها متينة وموثوقة. على سبيل المثال، حلت أنابيب النيوترونات المغلقة محل بادئات النيوترونات المُعدَّلة إشعاعياً، في تزويد قلب الأسلحة النووية الحديثة المنهار بنبضة من النيوترونات .

تعود أمثلة أفكار أنابيب النيوترونات إلى ثلاثينيات القرن العشرين، أي قبل عصر الأسلحة النووية، حيث قدم علماء ألمان براءة اختراع ألمانية عام 1938 (مارس 1938، رقم 261156) وحصلوا على براءة اختراع أمريكية (يوليو 1941، رقم 2251190). ومن الأمثلة على أحدث التقنيات في هذا المجال، جهاز النيوتريستور [ ^{3 ] ،} وهو جهاز ذو حالة صلبة في الغالب، يشبه شريحة الكمبيوتر، وقد تم اختراعه في مختبرات سانديا الوطنية في ألبوكيرك، نيو مكسيكو. ^{[ 4 ]} تُستخدم التصاميم المغلقة النموذجية في وضع النبضات ^{[ 5 ]} ويمكن تشغيلها بمستويات خرج مختلفة، اعتمادًا على عمر مصدر الأيونات والأهداف المحملة. ^{[ 6 ]}

ينبغي أن يوفر مصدر الأيونات الجيد حزمة أيونية قوية دون استهلاك كميات كبيرة من الغاز. بالنسبة لنظائر الهيدروجين، يُفضّل إنتاج الأيونات الذرية على الأيونات الجزيئية، نظرًا لارتفاع إنتاج النيوترونات من الأيونات الذرية عند التصادم. تُستخلص الأيونات المتولدة في مصدر الأيونات بواسطة مجال كهربائي إلى منطقة المُسرِّع، وتُسرَّع باتجاه الهدف. وينتج استهلاك الغاز بشكل رئيسي عن فرق الضغط بين منطقتي توليد الأيونات وتسريعها، والذي يجب الحفاظ عليه. ويمكن تحقيق تيارات أيونية تصل إلى 10  مللي أمبير عند استهلاك غاز يبلغ 40 ^سم³  / ساعة. ^{[ 2 ]}

بالنسبة لأنبوب النيوترونات المغلق، يجب أن يستخدم مصدر الأيونات المثالي ضغط غاز منخفض، وأن يوفر تيار أيوني عالي مع نسبة كبيرة من الأيونات الذرية، وأن يكون تنظيف الغاز فيه منخفضًا، وأن يستهلك طاقة منخفضة، وأن يتمتع بموثوقية عالية وعمر افتراضي طويل، وأن يكون تصميمه بسيطًا ومتينًا، وأن تكون متطلبات صيانته منخفضة. ^{[ 2 ]}

يمكن تخزين الغاز بكفاءة في جهاز إعادة التعبئة، وهو عبارة عن ملف من سلك الزركونيوم يتم تسخينه كهربائياً. وتحدد درجة حرارته معدل امتصاص/إطلاق الهيدروجين بواسطة المعدن، مما ينظم الضغط داخل الحاوية.

تُستخدم في مولدات النيوترونات أغشية رقيقة من معادن مثل التيتانيوم أو السكانديوم أو الزركونيوم ، تُرسّب على ركيزة من الفضة أو النحاس أو الموليبدينوم . يُشكّل التيتانيوم والسكانديوم والزركونيوم مركبات كيميائية مستقرة تُسمى هيدريدات المعادن عند دمجها مع الهيدروجين أو نظائره. تتكون هذه الهيدريدات من ذرتي هيدروجين (أو ديوتيريوم أو تريتيوم ) لكل ذرة معدن، مما يسمح للهدف بالحصول على كثافة عالية للغاية من الهيدروجين. يُعدّ هذا الأمر بالغ الأهمية لزيادة إنتاج النيوترونات في أنبوب النيوترونات إلى أقصى حد. كما يستخدم عنصر خزان الغاز هيدريدات المعادن، مثل هيدريد اليورانيوم ، كمادة فعّالة.

يُفضّل استخدام التيتانيوم على الزركونيوم لقدرته على تحمّل درجات حرارة أعلى (200  درجة مئوية)، ولأنه يُنتج كمية أكبر من النيوترونات لقدرته على امتصاص الديوترونات بكفاءة أعلى من الزركونيوم. وتُحدّد درجة الحرارة القصوى المسموح بها للهدف، والتي عندها تبدأ نظائر الهيدروجين بالانفصال والهروب من المادة، تيار الأيونات لكل وحدة مساحة من الهدف؛ ولذلك تُستخدم حزم أيونية متباعدة قليلاً. ويمكن  لحزمة أيونية بقوة 1 ميكروأمبير، مُسرّعة بجهد 200  كيلوفولت على هدف من التيتانيوم والتريتيوم، أن تُنتج ما يصل إلى 10⁸ ^{نيوترون} في الثانية. ويُحدّد جهد التسريع ومستوى تيار الأيونات كمية النيوترونات المُنتجة بشكل أساسي. ^{[ 2 ]}

ومن الأمثلة على أهداف التريتيوم المستخدمة  قرص فضي بسمك 0.2 مم  مغطى بطبقة من التيتانيوم بسمك 1 ميكرومتر على سطحه؛ ثم يتم تشبيع التيتانيوم بالتريتيوم. ^{[ 2 ]}

يمكن تحويل المعادن ذات الانتشار الهيدروجيني المنخفض إلى أهداف ديوتيريوم عن طريق قصفها بالديوترونات حتى تشبع المعدن. تُظهر أهداف الذهب في هذه الحالة كفاءة أعلى بأربع مرات من التيتانيوم. ويمكن تحقيق نتائج أفضل باستخدام أهداف مصنوعة من طبقة رقيقة من معدن ذي امتصاص وانتشار عاليين (مثل التيتانيوم) على ركيزة ذات انتشار هيدروجيني منخفض (مثل الفضة)، حيث يتركز الهيدروجين حينها في الطبقة العلوية ولا يمكنه الانتشار إلى داخل المادة. وباستخدام خليط غازي من الديوتيريوم والتريتيوم، يمكن تصنيع أهداف ديوتيريوم-تريتيوم ذاتية التجديد. يكون إنتاج النيوترونات من هذه الأهداف أقل من إنتاج النيوترونات من الأهداف المشبعة بالتريتيوم في حزم الديوترونات، لكن ميزتها تكمن في عمرها الأطول بكثير ومستوى إنتاج النيوترونات الثابت. كما تتحمل الأهداف ذاتية التجديد التسخين الحراري العالي للأنابيب ، حيث يتم تشبعها بنظائر الهيدروجين بعد التسخين الحراري وإحكام إغلاق الأنابيب. ^{[ 2 ]}

إحدى طرق توليد المجالات الكهربائية عالية الجهد اللازمة لتسريع الأيونات في أنبوب النيوترونات هي استخدام بلورة كهروحرارية . في أبريل 2005، أثبت باحثون في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس (UCLA) استخدام بلورة كهروحرارية مُعرَّضة لدورات حرارية لتوليد مجالات كهربائية عالية في تطبيق مولد النيوترونات. وفي فبراير 2006، أثبت باحثون في معهد رينسيلار للفنون التطبيقية استخدام بلورتين متعاكستي القطبية لهذا التطبيق. وباستخدام مصادر الطاقة البسيطة هذه، يُمكن توليد تدرج عالٍ كافٍ في المجال الكهربائي عبر فجوة التسريع لتسريع أيونات الديوتيريوم نحو هدف مُدَوتَر لإنتاج تفاعل الاندماج النووي D  +  D. تُشابه هذه الأجهزة في مبدأ عملها مولدات النيوترونات التقليدية ذات الأنابيب المغلقة، والتي تستخدم عادةً مصادر طاقة عالية الجهد من نوع كوكروفت-والتون . وتكمن حداثة هذه الطريقة في بساطة مصدر الجهد العالي. لسوء الحظ، فإن التيار المتسارع المنخفض نسبيًا الذي يمكن أن تولده البلورات الكهروحرارية، بالإضافة إلى ترددات النبض المتواضعة التي يمكن تحقيقها (بضع دورات في الدقيقة)، يحد من استخدامها على المدى القريب مقارنةً بالمنتجات التجارية الحالية (انظر أدناه). انظر أيضًا: الاندماج الكهروحراري . ^{[ 7 ]}

بالإضافة إلى تصميم مولد النيوترونات التقليدي الموصوف أعلاه، توجد عدة طرق أخرى لاستخدام الأنظمة الكهربائية لإنتاج النيوترونات.

تُستخدم مولدات النيوترونات على نطاق واسع كمصادر نيوترونية مدمجة في البحث العلمي والصناعة والهندسة النووية. ويُعدّ تحليل التنشيط النيوتروني التطبيق الأكثر شيوعًا لها، حيث يُستخدم لتحديد التركيب العنصري للمواد مثل المعادن والخامات والمنتجات الصناعية والعينات البيئية. كما تُستخدم أيضًا في مراقبة العمليات الصناعية، واستكشاف النفط والمعادن، والأمن والضمانات النووية، بالإضافة إلى علم الآثار ودراسات التراث الثقافي والبحوث الطبية. علاوة على ذلك، تُستخدم مولدات النيوترونات في علم المواد واختبار ومعايرة أنظمة الكشف عن النيوترونات. ^{[ 8 ]}

أدت التطورات الحديثة إلى توسيع نطاق استخدام مولدات النيوترونات في أنظمة الاستجواب النشطة لأغراض الأمن الداخلي، والضمانات النووية، ومنع الانتشار النووي، حيث تُستخدم للكشف عن المواد النووية الخاصة وغيرها من المواد المخفية وتحديد خصائصها. كما أتاحت التطورات في تكنولوجيا المسرعات المدمجة إمكانية استخدام مصادر نيوترونية محمولة للفحص الميداني والتقييم غير المتلف. ^{[ 9 ]}

• النيوترون السريع
• الانشطار النووي
• الاندماج النووي
• مصدر النيوترونات
• مُعدِّل النيوترونات
• الاضمحلال الإشعاعي
• النيوترون البطيء
• زيتاترون

• تشيتشيستر، دي إل؛ سيمبسون، جيه دي (2003). "مولدات النيوترونات المُسرّعة المدمجة" (ملف PDF) . الفيزيائي الصناعي . 9 (6): 22-25 . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 2013-09-08.
• إليزوندو-ديكانيني، جيه إم؛ شمال، دي؛ سيتش، إم؛ مارتينيز، إم؛ يونغمان، كيه؛ سينكو، إم؛ كيف، إس؛ ستيل، جيه؛ جويكي، آر؛ فروبليفسكي، بي؛ ديسكو، جيه؛ دراغت، إيه جيه (2012). "مولد نيوترونات سطحي جديد". معاملات IEEE في علوم البلازما . 40 (9): 2145-2150 . Bibcode : 2012ITPS...40.2145E . doi : 10.1109/TPS.2012.2204278 . S2CID 20593594 . 
• "مختبرات سانديا الوطنية" .