تفنگ نوترونی

تفنگ نوترونی که به عنوان منبع نوترون یا مولد نوترون نیز شناخته می شود، وسیله ای است که نوترون های آزاد تولید می کند. این نوترون‌ها سپس برای اهداف مختلفی مانند تحقیقات علمی، تجزیه و تحلیل مواد، درمان‌های پزشکی و حتی در برخی از طرح‌های تسلیحات هسته‌ای استفاده می‌شوند. برخلاف الکترون‌ها یا پروتون‌ها، نوترون‌ها از نظر الکتریکی خنثی هستند و شتاب و دستکاری آن‌ها را به چالش می‌کشد. بنابراین، تفنگ‌های نوترونی معمولاً از واکنش‌های هسته‌ای برای آزاد کردن نوترون‌ها استفاده می‌کنند و سپس گاهی از تکنیک‌هایی برای تعدیل یا متمرکز کردن پرتو نوترون استفاده می‌کنند.

در اینجا خلاصه ای از نحوه عملکرد انواع مختلف تفنگ های نوترونی آورده شده است:

1. منابع نوترونی مبتنی بر راکتور هسته ای:

• پایه و اساس: راکتورهای هسته ای منبع قوی نوترون هستند زیرا در یک واکنش زنجیره ای خودپایدار نوترون تولید می کنند. سپس این نوترون ها را می توان از هسته راکتور استخراج کرد.
• فرآیند:
1. شکافت: یک ماده شکافت پذیر (به عنوان مثال، اورانیوم-235) تحت شکافت قرار می گیرد و چندین نوترون پر انرژی آزاد می کند.

¹n + ²³⁵U → ¹⁴¹Ba + ⁹²Kr + 3¹n + energy

در اینجا، یک نوترون (¹n) توسط اورانیوم-235 (²³⁵U) گرفته می شود که به باریم-141 (¹⁴¹Ba) و کریپتون-92 (⁹²Kr), شکافت می شود و سه نوترون (3¹n) و مقدار قابل توجهی انرژی آزاد می کند.  نوترون های آزاد شده سپس می توانند واکنش های شکافت بیشتری را ایجاد کنند که منجر به یک واکنش زنجیره ای می شود، همانطور که در راکتورهای هسته ای و بمب های اتمی استفاده می شود.  منبع اولیه این نوترون ها خود فرآیند شکافت است.

2. معتدل سازی: سرعت این نوترون‌های توسط موادی مانند آب، آب سنگین یا گرافیت کاهش می‌یابند (تعدیل می‌شوند) و به انرژی‌های حرارتی (حدود 0.025 الکترون ولت) می‌رسند، جایی که می‌توانند به راحتی با مواد دیگر واکنش بدهند.
3. استخراج: نوترون های حرارتی از طریق کانال هایی در محفظه راکتور هدایت می شوند تا یک پرتو نوترونی ایجاد کنند.
• مزایا: شار نوترون بالا (تعداد نوترون در واحد سطح در واحد زمان)، تولید مداوم.
• معایب: به تاسیسات راکتور هسته ای بزرگ و پیچیده نیاز دارد. می تواند گران باشد و به راحتی در دسترس نباشد.

2. منابع نوترونی رادیوایزوتوپ:

• پایه و اساس: این منابع از واپاشی رادیواکتیو یک ایزوتوپ خاص برای تولید ذرات آلفا استفاده می کنند که سپس با عناصر سبک واکنش داده و نوترون تولید می کنند.
• فرآیند:
1. واپاشی رادیواکتیو: یک ایزوتوپ رادیواکتیو (به عنوان مثال، آمریکنیم-241، پلوتونیوم-238، کالیفرنیم-252) ذرات آلفا را منتشر می کند.
2. واکنش آلفا نوترون(α,n) : این ذرات آلفا به یک ماده هدف (معمولا بریلیم) برخورد می کنند و باعث واکنش هسته ای می شوند که نوترون ها را آزاد می کند.
* مثال: ⁹Be (α, n) ¹²C (بریلیم یک ذره آلفا را جذب می کند، یک نوترون گسیل می کند و کربن تشکیل می دهد).

⁴He + ⁹Be → ¹²C + ¹n

این روش در برخی از منابع نوترونی قابل حمل استفاده می شود. مخلوطی از تابشگر آلفا (به عنوان مثال، آمریکیوم-241) و یک عنصر با عدد اتمی کم مانند بریلیم می تواند یک منبع نوترونی کوچک و پیوسته ایجاد کند.
3. انتشار نوترون: نوترون ها در جهات مختلف و با انرژی های مختلف منتشر می شوند.
4. تعدیل (اختیاری): در صورت نیاز، از مواد تعدیل کننده مانند پلی اتیلن برای کاهش سرعت نوترون های سریع گسیل شده استفاده می شود.
• مزایا: جمع و جور، قابل حمل، استفاده نسبتاً ساده، می تواند در اندازه های نسبتاً کوچک ایجاد شود.
• معایب: شار نوترون کمتر در مقایسه با راکتورها، انتشار مداوم نوترون (نمی توان آن را خاموش کرد)، ممکن است پرتوهای گاما تولید کند که نیاز به محافظ دارند و طول عمر محدودی به دلیل واپاشی منبع رادیواکتیو دارد.

3. منابع نوترونی مبتنی بر شتاب دهنده:

• پایه و اساس: شتاب دهنده ها از میدان های الکتریکی و مغناطیسی برای شتاب دادن ذرات باردار (پروتون، دوترون، الکترون) به انرژی های بالا استفاده می کنند. سپس این ذرات برای برخورد با مواد هدف ساخته می شوند و از طریق واکنش های هسته ای نوترون تولید می کنند.
• فرآیند (مثال استفاده از واکنش دوتریوم-تریتیوم):
1. منبع یون: یون های دوتریوم یا تریتیوم از یک گاز تولید می شوند.
2. شتاب: این یون ها توسط یک شتاب دهنده خطی یا دایره ای به سرعت های بالا شتاب می گیرند.
3. واکنش هدف: یون های پرانرژی به مواد هدف مانند تریتیوم یا دوتریوم برخورد می کنند و باعث واکنش های هسته ای می شوند که نوترون تولید می کنند.
* مثال: ²H (d, n) ³He (دوتریوم یک دوترون با انرژی بالا را جذب می کند، یک نوترون گسیل می کند و هلیم-3 را تشکیل می دهد) (این اساس یک مولد نوترون دوتریوم-دوتریوم (D-D) است).
* مثال: ³H (d, n) ⁴He (تریتیوم یک دوترون با انرژی بالا را جذب می کند، یک نوترون گسیل می کند و هلیم-4 را تشکیل می دهد) (این اساس یک مولد نوترون دوتریوم-تریتیوم (D-T) است).

²H + ³H → ⁴He + ¹n + energy

4. انتشار نوترون: نوترون ها با طیف انرژی مشخصه از هدف گسیل می شوند.
5. تعدیل و شکل دهی: برخی از شتاب دهنده ها شامل راه هایی برای کاهش سرعت نوترون ها و شکل دادن به پرتو هستند.
• مزایا: می توان برای تولید شارهای نوترونی بالا و پرتوهای نوترونی پالسی طراحی کرد، انرژی نوترون را می توان برای کاربردهای خاص طراحی کرد.
• معایب: به تجهیزات پیچیده و پرهزینه نیاز دارد، می تواند امکانات بزرگ باشد.

4. منابع فوتونترون (γ,n):

• پایه و اساس: پرتوهای گامای پرانرژی برای جابجایی نوترون ها از هسته هدف استفاده می شوند.
• فرآیند:
1. فوتون های انرژی بالا: فوتون های پر انرژی با استفاده از یک شتاب دهنده الکترونی یا منبع رادیواکتیو ایجاد می شوند.
2. برهمکنش با هسته ها: این فوتون های پر انرژی با انواع خاصی از هسته ها که به این نوع واکنش ها حساس هستند، برهم کنش می کنند.
3. آزادسازی نوترون: هسته ها نوترون گسیل می کنند.

γ + ²H → ¹H + ¹n

مزایا: می تواند انفجارهای شدید نوترون ها را تولید کند.
• معایب: به یک مرکز بزرگ با منابع شدید فوتون نیاز دارد و فقط با هسته های خاص کار می کند.

ویژگی های کلیدی تفنگ نوترونی:

• شار نوترونی: تعداد نوترون های گسیل شده در واحد سطح در واحد زمان یک پارامتر حیاتی است.
• انرژی نوترونی: انرژی نوترونی اغلب در قالب نوترون های سریع، نوترون های حرارتی یا نوترون های سرد توصیف می شود و به منبع و نحوه تعدیل آن بستگی دارد.

سرچشمه ها:

https://www.semanticscholar.org/