آشکارساز RED-۱۰۰

به نام خدا

مقدمه:

آشکارساز RED-100 یک پروژه پیشرفته در حوزه فیزیک ذرات است که توسط دانشمندان روسی در دانشگاه ملی مطالعات هستهای روسیه (NRNU MEPhI) با حمایت شرکت دولتی "روس اتم" توسعه یافته است. این آشکارساز برای نظارت بر راکتورهای هستهای از طریق تحلیل تابش نوترینوها طراحی شده و هدف اصلی آن افزایش ایمنی و شفافیت در صنعت انرژی هستهای است.

پراکندگی کشسان منسجم نوترینو-هسته CEνNS) )که در سال ۲۰۱۷ کشف شد، بهدلیل سطح مقطع تعامل بسیار بالاتر نسبت به روشهای قدیمی، انقلابی در ساخت آشکارسازهای نوترینو ایجاد کرد.

چالش اصلی، تشخیص سیگنالهای یونیزاسیون ضعیف (حتی تکالکترونی) در آشکارسازهای پرجرم است. راه حل RED-100 استفاده از فناوری آشکارسازهای دوفازی گسیلی است.

1)پراکندگی کشسان منسجم نوترینو-هسته (CEνNS) در راکتورهای هستهای چیست؟

پراکندگی کشسان منسجم نوترینو-هسته (Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering) (CEνNS) یک پدیده فیزیکی است که در آن نوترینوها بهصورت کشسان با کل هسته اتم برهمکنش میکنند. این برهمکنش بهدلیل جرم بالای هسته، بهصورت منسجم (هماهنگ) رخ میدهد، به این معنی که نوترینو با تمام نوکلئونهای هسته (پروتونها و نوترونها) همزمان تعامل میکند. این ویژگی باعث میشود سطح مقطع برهمکنش (احتمال وقوع) تا ۱۰۰۰ برابر روشهای قدیمی مانند واپاشی بتای معکوس افزایش یابد.

راکتورهای هستهای یکی از قویترین منابع تولید پادنوترینوها Anti-Neutrinos) )هستند که از واپاشی بتای سوخت هستهای (مثل اورانیوم-۲۳۵) نشئت میگیرند.

a)نمایش سه بعدی دتکتور RED-100: ۱) مخزن تیتانیوم خارجی۲) مخزن تیتانیوم داخلی۳) آرایه PMT ) لوله تکثیرکننده نوری) بالایی

۴) قفس دریفت با بازتابندههای PTFE

۵) آرایه PMT پایینی
b)دتکتور RED-100 در دانشگاه ملی پژوهشهای هستهای روسیه (NRNU MEPhI) در حین اجرای فنی

2)مبانی علمی و فناوری:

اثر پراکندگی منسجم نوترینو: عملکرد RED-100 مبتنی بر پدیده پراکندگی منسجم نوترینو است که اولین بار در سال ۲۰۱۷ در آزمایشهای شتابدهنده تایید شد. این اثر امکان شناسایی تغییرات در ترکیب ایزوتوپی هسته راکتورها را فراهم میکند و به کشف تولید پلوتونیوم تسلیحاتی( pu 239 ) کمک مینماید .

استفاده از گازهای نجیب: این آشکارساز از گازهای نجیب مانند آرگون به جای زنون استفاده میکند که هزینه ساخت را کاهش میدهد و امکان ساخت دستگاههای کوچکتر و متحرک را ممکن میسازد

3)ویژگیهای فنی:

حساسیت بالا: RED-100 حدود ۱۰۰۰ برابر حساستر از آشکارسازهای نوترینوی موجود است. این افزایش حساسیت، نظارت دقیقتر بر راکتورها را بدون نیاز به دخالت فیزیکی امکانپذیر میکند

ابعاد کوچک و قابلیت جابجایی: برخلاف آشکارسازهای سنتی که ساختارهای چندتنی و بزرگ دارند، RED-100 یک دستگاه متحرک و جمعوجور است که استفاده از آن در محیطهای عملیاتی را تسهیل میکند

4)کاربردهای اصلی:

پیشگیری از سرقت سوخت هستهای: با تحلیل تابش نوترینوها، ترکیب ایزوتوپی سوخت راکتورها از راه دور بررسی میشود تا از تولید غیرقانونی سلاحهای هستهای جلوگیری گردد .

کاربردهای علمی: این آشکارساز قادر است تابش نوترینوهای خورشیدی و ابرنواخترها را نیز تحلیل کند، که به درک فرآیندهای درونی ستارگان و تحولات کیهانی کمک میکند

چالشها:تشخیص سیگنالهای تکالکترونی.کاهش نویز ناشی از تابش زمینه (مثلا میونهای کیهانی).

5)ساختار آزمایشی RED-100 در KNPP:

آشکارساز در یک محفظه مسی و آبی با جرم کلی ~۱۵ تن در سالن فنی زیر راکتور نصب شد.

سیستم خنک کننده مبتنی بر ترموسیفون و گاز نیتروژن مایع (LN₂) است.از زنون مایع (LXe) به عنوان محیط آشکارسازی استفاده میشود و قابلیت تشخیص سیگنالهای تکالکترونی را دارد.سیستمهای الکترونیکی و جمعآوری دادهها شامل تقویتکنندهها، مبدلهای آنالوگ به دیجیتال (ADC)، و سیستمهای پردازش سیگنال پیشرفته هستند.

اولین آزمایش در مقیاس صنعتی: RED-100 اولین آشکارساز پرجرم زنون مایع است که در نیروگاه هستهای عملیاتی نصب شده است.

شکل ۱. نمودار بلوکی (بالا) و نمای کلی (پایین) از سیستم RED-100 در نیروگاه هستهای کالینین (KNPP):
۱ – کمپرسور هوا 2 – کمپرسور هلیوم He)) ۳ – دوار نیتروژن مایع با هد سردکنند 4 – خط هوای فشرده۵ – جداساز غشایی نیتروژن-اکسیژن۶ – خط خالص نیتروژن۷ – خطوط فشار بالای هلیوم He ))۸ – قفسه کنترل ترموسیفون۹ – خط سرد نیتروژن مایع (LN₂)۱۰ – خط کابلهای کنترل دما۱۱ – خطوط لوله تغذیه نیتروژن ترموسیفون۱۲ – کریواستات سیستم سرمایش ترموسیفون۱۳ – بادزن با لولههای ترموسیفون۱۴ – لولههای کالیبراسیون۱۵ – محافظ مسی۱۶ – مخزن آب۱۷ – دتکتور RED-100 ۱۸ – کانالهای بادبزن۱۹ – واحد رابط۲۰ – خطوط ورودی و خروجی زنون (Xe)۲۱ – سیستم پالایش گاز با پنل کنترل۲۲ – سیستم ذخیرهسازی زنون۲۳ – ترازوها۲۴ – کابلهای سیگنال۲۵ – کابلهای ولتاژ بالا۲۶ – قفسه سیستم الکترونیک و اکتساب داده.

6)طبقهبندی آزمایشهای مطالعه برهمکنش نوترینو در کشورهای مختلف:

۱. روسیه

آزمایش RED-100

مکان: نیروگاه هستهای کالینین (KNPP) هدف: آشکارسازی و مطالعه برهمکنش کشسان همدوس نوترینو-هسته (CEvNS) در نزدیکی قلب رآکتور.ویژگیها:استفاده از ردیاب دو فازی گاز نجیب (Xe مایع) با جرم حساس ~۱۰۰ کیلوگرم.مجهز به ۳۸ فتومالتیپلایر Hamamatsu.سیستم خنک کننده مبتنی بر ترموسیفون (نیتروژن مایع).همکاریها:مشارکت موسسات روسی مانند NRNU MEPhI، موسسه کورتچاتف، و دانشگاه تومسک.حمایت مالی توسط بنیاد علوم روسیه (RSF و Rosatom. )

۲. ایالات متحده آمریکا

آزمایش COHERENT

مکان: تاسیسات ملی اوک ریج (Oak Ridge National Laboratory).هدف: اولین مشاهده CEvNS در )CsI ۲۰۱۷) و )LAr ۲۰۲۱).ویژگیها:استفاده از بلورهای یدید سزیم (CsI) و آرگون مایع LAr). )

آزمایش CCM مخفف: (Coherent CAPTAIN-Mills)

مکان: لوس آلاموس (Los Alamos National Laboratory).هدف: مطالعه CEvNS با استفاده از ردیابهای LAr و سیستمهای آشکارساز پیشرفته.

۳. آلمان

آزمایش RICOCHET

هدف: مطالعه CEvNS با استفاده از ردیابهای ژرمانیوم و سیلیکون در رآکتورهای تحقیقاتی.ویژگیها:تمرکز بر کاهش نویز پسزمینه و بهبود حساسیت در انرژیهای پایین.

4. سوئیس

آزمایش ν-cleus

مکان: آزمایشگاه فیزیک ذرات CERN.هدف: استفاده از ردیابهای CCD سیلیکونی برای آشکارسازی CEvNS.

5. ژاپن

آزمایش TEXONO

مکان: رآکتور تحقیقاتی در تایوان (همکاری ژاپن و تایوان).هدف: مطالعه نوترینوهای رآکتور با ردیابهای ژرمانیوم.

6. فرانسه

آزمایش R&D Noble Liquid Detectorsهدف: توسعه ردیابهای دو فازی Xenon و Argon برای کاربرد در CEvNS و جستجوی ماده تاریک.

7)مشخصات فنی آشکارساز RED-100:

نوع آشکارساز: دو فازی (گاز نجیب) با ۲۰۰ کیلوگرم زنون مایع (LXe)، ۱۰۰ کیلوگرم در حجم حساس (FV).

اجزای کلیدی:

۳8 فتومالتیپلایر Hamamatsu R11410-20 (19عدد در هر آرایه).سیستم خنککننده مبتنی بر ترموسیفون با نیتروژن مایع (LN₂).کریوستات تیتانیومی با الکترودها و حلقههای شکلدهنده میدان.

سیستمهای جانبی:

ذخیرهسازی زنون، سیستم تصفیه گاز، کنترل ترموسیفون.

مزایا فناوری آشکارساز دو فازی

امکان تقویت متناسب یا الکترولومینسانس (EL).قابلیت تعیین موقعیت سهبعدی (XYZ).جرم بالا برای افزایش احتمال برهمکنش.

8)مراحل توسعه و آزمایش:

تایید نظری: دانشمندان دادههای حاصل از آزمایشهای مبتنی بر آرگون را تحلیل کرده و مدل نظری اثر پراکندگی منسجم را اصلاح نمودهاند .

آزمایشهای آتی: قرار است اولین آزمایشهای عملیاتی RED-100 در نیروگاه اتمی کالینین در سال آینده انجام شود( 2021-2022 )

9)حمایتهای بین المللی:

آژانس بینالمللی انرژی اتمی (IAEA): این پروژه توجه IAEA را جلب کرده، زیرا استفاده از آن نظارت بر راکتورها را شفافتر و ایمنتر میکند حامیان مالی: بنیاد علمی روسیه و شرکت "نائوکا ای اینوواتسیا" (وابسته به روس اتم) از ساخت این آشکارساز حمایت مالی کردهاند

10)تفاوت با سایر پروژههای نوترینو:

در حالی که پروژههایی مانند JUNO در چین یا آیسکیوب در قطب جنوب بر مطالعه نوترینوهای کیهانی تمرکز دارند ، RED-100 به طور خاص برای کاربردهای عملی در نیروگاههای هستهای طراحی شده است.

پایان

منابع:

[1] Akimov, D.Yu., I.S. Alexandrov, R.R. Alyev, V.A. Belov, A.I. Bolozdynya, A.V. Etenko, A.V. Galavanov, و همکاران. “The RED-100 Experiment.” Journal of Instrumentation 17, ش 11 (1 نوامبر 2022): T11011. https://doi.org/10.1088/1748-0221/17/11/T11011.

[2] Akimov, D Yu, A K Berdnikova, V A Belov, A I Bolozdynya, A A Burenkov, Yu V Efremenko, Yu V Gusakov, و همکاران. “RED-100 Detector for the First Observation of the Elastic Coherent Neutrino Scattering off Xenon Nuclei.” Journal of Physics: Conference Series 675, ش 1 (5 فوریه 2016): 012016. https://doi.org/10.1088/1742-6596/675/1/012016.

[3] ایران, اسپوتنیک. “طرح تحول ساز جدید فیزیک دانان روس برای تامین امنیت نیروگاه های اتمی.” اسپوتنیک ایران, 20200910T1557 430بعد از میلاد. 

[4] Rudik, D. G. (2021, October 6–8). Status of the RED-100 experiment [Conference presentation]. Magnificent CEvNS 2021, Cyberspace.

دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته شاهین جلیل پور