Development and Performance Study of a Capillary Liquid Scintillator Neutron Detector
यह अध्ययन EJ-309 लिक्विड स्किंटिलेटर से भरे एक हेक्सागोनल कैपिलरी एरे न्यूट्रॉन डिटेक्टर के विकास और प्रदर्शन मूल्यांकन को प्रस्तुत करता है, जो प्रभावी पार्श्व प्रकाश दमन (lateral light suppression), 12.8 μm रेडियल पॉइंट स्प्रेड फंक्शन और उच्च-रिज़ॉल्यूशन न्यूट्रॉन इमेजिंग अनुप्रयोगों के लिए लगभग 10% की अंतर्निहित पहचान दक्षता प्रदर्शित करता है।
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तारों के जन्म को समझने और उनकी शक्ति का उपयोग करने के तरीके की खोज में, वैज्ञानिक अक्सर प्रयोगशाला में होने वाली सबसे हिंसक घटनाओं की ओर देखते हैं: फ्यूजन प्रयोगों में छोटे ईंधन पेलेट्स का ढहना (इम्प्लोशन)। जब ये पेलेट्स ढहते हैं, तो वे उच्च-ऊर्जा वाले न्यूट्रॉन का एक सैलाब छोड़ते हैं जो विस्फोट के आकार और समरूपता (सिमेट्री) के गुप्त मानचित्र को दर्शाते हैं। इस मानचित्र को पढ़ने के लिए, शोधकर्ताओं को ऐसे डिटेक्टरों की आवश्यकता होती है जो इन अदृश्य कणों को अत्यधिक तीक्ष्णता के साथ देख सकें, और उन विवरणों को अलग कर सकें जो एक मिलीमीटर के कुछ अंश मात्र की दूरी पर हों। चुनौती इन न्यूट्रॉनों द्वारा उत्पन्न होने वाली हल्की सी चमक को पकड़ने की है, ताकि वह प्रकाश एक धुंधले धब्बे में न बदल जाए, जिससे वह सूक्ष्म विवरण नष्ट हो जाएं जो फ्यूजन प्रक्रिया को समझने के लिए आवश्यक हैं।
चीन में शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नए प्रकार का न्यूट्रॉन डिटेक्टर बनाकर और उसका परीक्षण करके इस समस्या को हल करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। ठोस ब्लॉकों या रेशों (फाइबर्स) का उपयोग करने के बजाय, उन्होंने एक ऐसा उपकरण बनाया जो हजारों छोटे, खोखले कांच के ट्यूबों से बना है जो एक मधुमक्खी के छत्ते की तरह एक साथ रखे गए हैं। प्रत्येक ट्यूब, या कैपिलरी, एक विशेष तरल से भरी होती है जो न्यूट्रॉन के टकराने पर चमकती है। लक्ष्य यह देखना था कि क्या यह संरचना प्रकाश को प्रत्येक व्यक्तिगत ट्यूब के भीतर ही सीमित रख सकती है, जिससे डिटेक्टर को यह सटीक रूप से पता लगाने में मदद मिले कि कण कहाँ टकराया था। हालांकि पिछले कंप्यूटर मॉडलों ने सुझाव दिया था कि यह काम करेगा, लेकिन वास्तविक दुनिया में जटिलताएं आती हैं, जैसे कि एक ट्यूब से प्रकाश का दूसरे पड़ोसी ट्यूब में रिसना, जो छवि को धुंधला कर सकता है और डेटा को भ्रमित कर सकता है।
अपने डिज़ाइन का परीक्षण करने के लिए, टीम ने क्वार्ट्ज ग्लास कैपिलरीज़ का एक हेक्सागोनल सरणी (एरे) उपयोग करके एक डिटेक्टर बनाया, जिसमें प्रत्येक का आंतरिक व्यास लगभग 50 माइक्रोमीटर था। उन्होंने इन ट्यूबों को EJ-309 नामक एक लिक्विड सिंटिलेटर से भरा, जो न्यूट्रॉन ऊर्जा को दृश्य प्रकाश में बदलने की अपनी क्षमता के लिए जाना जाता है। चूंकि इस तरल का ऑप्टिकल घनत्व कांच की दीवारों से थोड़ा भिन्न होता है, इसलिए प्रकाश ट्यूबों के अंदर उछलता रहता है, ठीक वैसे ही जैसे एक फाइबर ऑप्टिक केबल सिग्नल का मार्गदर्शन करती है। हालांकि, शोधकर्ता जानते थे कि एक वास्तविक उपकरण में, कुछ प्रकाश अनिवार्य रूपв रूप से बाहर निकलेगा और बगल के ट्यूबों में फैल जाएगा। इसे रोकने के लिए, उन्होंने कांच की ट्यूबों के बाहरी हिस्से को एक गहरे, प्रकाश-अवशोषक पदार्थ से लेपित किया, जो अनिवार्य रूप से मधुमक्खी के छत्ते के बाहरी हिस्से को पेंट करने जैसा था ताकि किसी भी भटकते हुए फोटॉन को आगे बढ़ने से पहले ही पकड़ लिया जा सके।
टीम ने एक हरे लेजर का उपयोग करके अवधारणा का परीक्षण किया ताकि प्रकाश के एक बिंदु (पॉइंट ऑफ लाइट) को ट्यूबों में प्रवेश करते हुए सिम्युलेट किया जा सके। बिना डार्क कोटिंग के, प्रकाश व्यापक रूप से फैल गया, जिससे एक धुंधला धब्बा बन गया जो लगभग 260 माइक्रोमीटर के क्षेत्र में फैला हुआ था। जब उन्होंने लेपित ट्यूबों का उपयोग किया, तो प्रकाश मजबूती से सीमित रहा, जिससे धब्बा सिकुड़कर केवल 90 माइक्रोमीटर रह गया। यह सरल लेकिन प्रभावी संशोधन साबित कर गया कि कोटिंग प्रकाश के पार्श्व प्रसार (लेटरल स्प्रेड) को सफलतापूर्वक दबा सकती है, जिससे सिग्नल तीक्ष्ण बना रहता है।
इसके बाद, वे अपने वास्तविक परीक्षण की ओर बढ़े: डिटेक्टर को अमेरिकियम-बेरिलियम स्रोत से निकलने वाले न्यूट्रॉनों के संपर्क में लाना। उन्होंने डेटा के हजारों फ्रेम रिकॉर्ड किए, और वास्तविक न्यूट्रॉन घटनाओं की पहचान करने के लिए बैकग्राउंड शोर को सावधानीपूर्वक फ़िल्टर किया। परिणाम उत्साहजनक थे। डिटेक्टर ने व्यक्तिगत न्यूट्रॉनों की सफलतापूर्वक पहचान की और उनकी ऊर्जा को उच्च सटीकता के साथ मापा। शोधकर्ताओं ने पाया कि डिटेक्टर ने अपनी सतह से टकराने वाले लगभग 10% न्यूट्रॉनों को पकड़ा, और जब केवल सक्रिय तरल के क्षेत्र के आधार पर गणना की गई (कांच की दीवारों को छोड़कर), तो यह आंकड़ा बढ़कर लगभग 13.5% हो गया। इस आकार और जटिलता के उपकरण के लिए यह दक्षता स्तर काफी मजबूत माना जाता है।
शायद सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि टीम ने यह विश्लेषण किया कि डिटेक्टर एक एकल ट्यूब में एक न्यूट्रॉन के टकराने और पास के ट्यूबों में एक साथ कई न्यूट्रॉनों के टकराने के बीच कितनी अच्छी तरह अंतर कर सकता है। एक या दो ट्यूबों वाली घटनाओं के लिए, डिटेक्टर की प्रतिक्रिया लगभग पूरी तरह से रैखिक (लीनियर) थी, जिसका अर्थ है कि एक ट्यूब की तुलना में दो ट्यूबों के टकराने पर सिग्नल की ताकत दोगुनी हो गई। हालांकि, तीन या अधिक ट्यूबों के शामिल होने पर, सिग्नल थोड़ा विकृत हो गया। ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि केंद्रीय ट्यूबों से निकलने वाला प्रकाश पड़ोसी ट्यूबों में फैल गया, और सिग्नल को मापने के लिए उपयोग किए गए बड़े क्षेत्र ने अनजाने में इस अतिरिक्त, बिखरे हुए प्रकाश को भी पकड़ लिया। हालांकि इसने जटिल, ओवरलैपिंग घटनाओं को संभालने की डिटेक्टर की क्षमता में एक सीमा को उजागर किया, लेकिन इसने प्रकाश कैसे व्यवहार करता है, इसकी एक स्पष्ट भौतिक समझ भी प्रदान की, जिससे भविष्य के डिजाइनों को इस प्रभाव को ध्यान में रखने में मदद मिलेगी।
अध्ययन ने न्यूट्रॉन के स्थान का पता लगाने की क्षमता को भी मापा। प्रकाश के धब्बों के आकार का विश्लेषण करके, शोधकर्ताओं ने निर्धारित किया कि सिग्नल का केंद्र अविश्वसनीय रूप से तीक्ष्ण था, जिसकी चौड़ाई लगभग 12.7 माइक्रोमीटर थी। इसने उन्हें लगभग 5.5 माइक्रोमीटर की सटीकता के साथ प्रकाश के धब्बे के केंद्र की गणना करने की अनुमति दी। हालांकि, दो अलग-अलग न्यूट्रॉनों के बीच की न्यूनतम दूरी, जिसे अभी भी दो अलग बिंदुओं के रूप में देखा जा सके, ट्यूबों की भौतिक दूरी द्वारा निर्धारित की गई थी, जो लगभग 54 माइक्रोमीटर थी। इसका मतलब है कि जबकि इलेक्ट्रॉनिक्स एक धब्बे के केंद्र को बहुत सटीकता से ढूंढ सकते हैं, डिटेक्टर दो न्यूट्रॉनों के बीच अंतर नहीं कर सकता यदि वे बहुत करीब स्थित ट्यूबों में गिरते हैं।
ये निष्कर्ष भविष्य के फ्यूजन अनुसंधान के लिए बेहतर न्यूट्रॉन इमेजर बनाने के लिए एक व्यावहारिक रोडमैप प्रदान करते हैं। यह कार्य पुष्टि करता है कि कैपिलरीज़ के बाहरी हिस्से को लेपित करना छवि को धुंधला होने से रोकने का एक व्यवहार्य तरीका है, और यह डिटेक्टर की शक्तियों और सीमाओं की एक स्पष्ट तस्वीर भी प्रदान करता है। यह समझने के बाद कि प्रकाश कैसे फैलता है और रिज़ॉल्यूशन की सीमाएं कहां हैं, इंजीनियर अब और भी अधिक तीक्ष्ण, अगली पीढ़ी के डिटेक्टरों को डिजाइन कर सकते हैं, जो संभावित रूप से फ्यूजन प्रक्रिया का एक स्पष्ट दृश्य खोल सकते हैं और हमें स्वच्छ, असीमित ऊर्जा के लक्ष्य के करीब ला सकते हैं।
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