Development and Performance Study of a Capillary Liquid Scintillator Neutron Detector

في سعيها لفهم كيفية ولادة النجوم وكيف يمكننا تسخير طاقتها، غالبًا ما يتطلع العلماء إلى أكثر الأحداث عنفًا في المختبر: وهو انفجار كرات الوقود الصغيرة في تجارب الاندماج. فعندما تنهار هذه الكرات، تطلق فيضًا من النيوترونات عالية الطاقة التي تحمل خريطة سرية لشكل الانفجار وتماثله. وللقراءة هذه الخريطة، يحتاج الباحثون إلى كواشف يمكنها رؤية هذه الجسيمات غير المرئية بحدة فائقة، لتمييز التفاصيل التي لا يفصل بينها سوى أجزاء ضئيلة من المليمتر. ويكمكم التحدي في التقاط الومضة الخافتة للضوء التي تنتجها هذه النيوترونات دون أن يتحول ذلك الضوء إلى بقعة ضبابية، مما قد يدمر التفاصيل الدقيقة اللازمة لفهم عملية الاندماج.

لقد اتخذ فريق من الباحثين في الصين خطوة مهمة نحو حل هذه المشكلة عبر بناء واختبار نوع جديد من كاشفات النيوترونات. فبدلاً من استخدام كتل صلبة أو ألياف، قاموا ببناء جهاز مكون من آلاف الأنابيب الزجاجية الصغيرة والمجوفة المتراصة معًا مثل خلية النحل. وقد مُلئت كل أنبوبة، أو شعيرة، بسائل خاص يتوهج عندما يصطدم به نيوترون. وكان الهدف هو معرفة ما إذا كان هذا الهيكل يمكنه إبقاء الضوء الناتج عن كل نيوترون محصورًا داخل أنبوبته الخاصة، مما يسمح للكاشف بتحديد مكان اصطدام الجسيم بدقة متناهة. وبينما أشارت النماذج الحاسوبية السابقة إلى أن هذا سيعمل، فإن الواقع غالبًا ما يفرض تعقيدات، مثل تسرب الضوء من أنبوبة إلى جارتها، مما قد يؤدي إلى تشويش الصورة وإرباك البيانات.

ولاختبار تصميمهم، أنشأ الفريق كاشفًا باستخدام مصفوفة سداسية من الشعيرات الزجاجية من الكوارتز، حيث يبلغ القطر الداخلي لكل منها حوالي 50 ميكرومترًا. وملؤوا هذه الأنابيب بسائل وميضي يُعرف باسم EJ-309، وهو مادة معروفة بقدرتها على تحويل طاقة النيوترون إلى ضوء مرئي. وبما أن السائل له كثافة بصرية تختلف قليلاً عن الجدران الزجاجية، فإن الضوء يميل إلى الارتداد داخل الأنابيب، تمامًا كما توجه الألياف البصرية إشارة ما. ومع ذلك، أدرك الباحثون أنه في جهاز حقيقي، سيتسرب بعض الضوء حتمًا إلى الأنابيب المجاورة. ولإيقاف ذلك، قاموا بطلاء الأنابيب الزเสีย الخارجية بمادة داكنة ممتصة للضوء، مما يعني عمليًا طلاء الجزء الخارجي من خلية النحل لالتقاط أي فوتونات شاردة قبل أن تنتقل بعيدًا.

اختبر الفريق المفهوم أولاً باستخدام ليزر أخضر لمحاكاة نقطة ضوء تدخل الأنابيب. فبدون الطلاء الداكن، انتشر الضوء على نطاق واسع، مما خلق بقعة ضبابية غطت مساحة تبلغ حوالي 260 ميكرومترًا. وعندما استخدموا الأنابيب المطلية، ظل الضوء محصورًا بإحكام، مما قلص البقعة إلى 90 ميكرومترًا فقط. وقد أثبت هذا التعديل البسيط والفعال أن الطلاء يمكنه بنجاح كبح الانتشار الجانبي للضو، مما يحافظ على حدة الإشارة.

بعد ذلك، انتقلوا إلى الاختبار الحقيقي: تعريض الكاشف لنيوترونات من مصدر "الأمريسيوم-بيريليوم". وسجلوا آلاف الإطارات من البيانات، مع تصفية الضوضاء الخلفية بعناية لتحديد أحداث النيوترونات الحقيقية. وكانت النتائج واعدة؛ فقد نجح الكاشف في تحديد النيوترونات الفردية وقياس طاقتها بدرجة عالية من الدقة. ووجد الباحثون أن الكاشف رصد حوالي 10% من النيوترونات التي تصطدم بسطحه، وهي نسبة ارتفعت إلى حوالي 13.5% عند حسابها بناءً على المساحة التي يشغلها السائل النشط فقط، باستثناء الجدران الزجاجية. وتعتبر هذه الكفاءة قوية بالنسبة لجهاز بهذا الحجم والتعقيد.

ولعل الأمر الأكثر أهمية هو أن الفريق حلل مدى قدرة الكاشف على التمييز بين اصطدام نيوترون واحد بأنبوبة واحدة واصطدام عدة نيوترونات بأنابيب متجاورة في وقت واحد. فبالنسب بالنسبة للأحداث التي تتضمن أنبوبًا أو اثنين، كانت استجابة الكاشف خطية تقريبًا، مما يعني أن قوة الإشارة تضاعفت عند إصابة أنبوبين مقارنة بواحد. ومع ذلك، عندما شملت الأحداث ثلاثة أنابيب أو أكثر، أصبح الإرسال مشوهًا قليلاً. حدث هذا لأن الضوء من الأنابيب المركزية انتشر في الأنابيب المجاورة، ولأن المساحة الأكبر المستخدمة لقياس الإشارة التقطت بالخطأ بعض هذا الضوء المتشتت الإضافي. ورغم أن هذا كشف عن حد في قدرة الكاشف على التعامل مع الأحداث المعقدة والمتداخلة، إلا أنه قدم أيضًا فهمًا فيزيائيًا واضحًا لكيفية سلوك الضوء، مما يسمح للتصاميم المستقبلية بمراعاة هذا التأثير.

كما قاس الفريق قدرة الكاشف على تحديد موقع النيوترون. ومن خلال تحليل شكل بقع الضوء، حدد الباحثون أن قلب الإشارة كان حادًا للغاية، بعرض يبلغ حوالي 12.7 ميكرومترًا. وقد سمح لهم ذلك بحساب مركز بقعة الضوء بدقة تبلغ حوالي 5.5 ميكرومترًا. ومع ذلك، فإن الحد النهائي لمدى قرب نيوترونين منفصلين عن بعضهما بحيث يظل كل منهما مرئيًا كنقطتين متميزتين، كان محددًا بالتباعد الفيزيائي للأنابيب نفسها، والذي يبلغ حوالي 54 ميكرومترًا. وهذا يعني أنه بينما يمكن للإلكترونيات العثور على مركز البقعة بدقة شديدة، فإن الكاشف لا يمكنه التمييز بين نيوترونين إذا وقعا في أنابيب قريبة جدًا من بعضهما البعض.

تقدم هذه النتائج خارطة طريق عملية لبناء مصورات نيوترونات أفضل لأبحاث الاندماج المستقبلية. إذ يؤكد العمل أن طلاء الجزء الخارجي من الشعيرات طريقة قابلة للتطبيق للحفاظ على عدم ضبابية الصورة، ويوفر صورة واضحة لنقاط قوة الكاشف وحدوده. ومن خلال فهم كيفية انتشار الضوء بالضبط وأين تكمن حدود الدقة، يمكن للمهندسين الآن تصميم أجهزة كشف من الجيل التالي تكون أكثر حدة، مما قد يفتح المجال لرؤية أوضح لعملية الاندماج ويقربنا أكثر من هدف الحصول على طاقة نظيفة وغير محدودة.