นักวิจัยประสบความสำเร็จในการสร้างเครื่องตรวจวัดนิวตรอนชนิดใหม่

          การพัฒนาการตรวจวัดรังสีมีวิวัฒนาการควบคู่มากับการที่มนุษย์ค้นพบรังสีและนำรังสีมาใช้ประโยชน์ รังสีโดยทั่วไปสามารถแบ่งประเภทได้เป็น รังสีแกมมา เบต้า แอลฟา และนิวตรอน และการตรวจวัดรังสีแต่ละประเภทนั้นใช้เทคโนโลยีที่แตกต่างกันไป การพัฒนาการตรวจวัดรังสีนำไปสู่การค้นพบทางวิทยาศาสตร์ใหม่ๆ และการประยุกต์ใช้ที่หลากหลายในวงการต่างๆ มากมาย เช่น ด้านความปลอดภัย อุตสาหกรรม การแพทย์ ฟิสิกส์ ดาราศาสตร์ รวมไปถึงด้านความมั่นคงของประเทศเช่น การใช้เครื่องเอกซเรย์ในสนามบิน และการตรวจค้นเพื่อป้องกันการลักลอบนำเข้าหรือส่งออกวัสดุนิวเคลียร์


          หลักการโดยทั่วไปของการตรวจวัดรังสีคือ รังสีจะทำอันตรกิริยาทางไฟฟ้ากับสสารที่ใช้ทำเครื่องตรวจวัด เราจึงสามารถวัดการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณทางไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในสสารนั้นซึ่งบ่งบอกถึงการมีอยู่ของรังสีได้ โดยสสารที่นำมาใช้ในการทำหัววัดนั้นสามารถใช้เป็นตัวแบ่งประเภทของเครื่องตรวจวัดได้ 3 ประเภทคือ เครื่องตรวจวัดชนิดแก๊ส เครื่องตรวจวัดชนิดตัวเปล่งแสงวับ (scintillator) และเครื่องตรวจวัดชนิดเซมิคอนดักเตอร์  โดยทั่วไปแล้วเครื่องตรวจวัดชนิดเซมิคอนดักเตอร์มีข้อดีกว่าเครื่องตรวจวัดอีกสองชนิดตรงที่มีความเสถียรของสัญญาณไฟฟ้าสูงกว่าและมีประสิทธิภาพดีกว่า และสามารถทำให้เครื่องตรวจวัดมีขนาดเล็กกะทัดรัดได้ ทำให้สามารถประยุกต์ใช้งานได้หลากหลายทั้งในงานภาคสนามหรือแม้แต่งานที่ต้องการความแม่นยำสูงก็สามารถนำวัสดุมาประกอบเป็นโครงข่าย (arrays) ที่มีขนาดใหญ่ได้ เป็นต้น


          การตรวจวัดรังสีนิวตรอนนั้นมีความยุ่งยากกว่าการตรวจวัดรังสีชนิดอื่นๆ เนื่องจากโดยธรรมชาติของนิวตรอนจะไม่ทำอันตรกิริยาทางไฟฟ้ากับสสารใดๆ การตรวจวัดจึงต้องใช้วิธีการทางอ้อมโดยให้นิวตรอนทำปฏิกิริยาการชนหรือการดูดกลืน (absorption) กับสารอื่นก่อนจากนั้นจึงวัดรังสีแอลฟาที่เกิดจากปฏิกิริยาดูดกลืนนี้ ซึ่งวิธีการก็คือผสมสารที่มีความไวในการทำปฏิกิริยาดูดกลืน (neutron reactive material) เช่น ³He ⁶Li หรือ ¹⁰B เข้ากับวัสดุที่ใช้ในการทำเครื่องวัดตามปกติ ซึ่งเทคโนโลยีในปัจจุบันสามารถทำเช่นนี้ได้กับเครื่องตรวดวัดชนิดแก๊ส และชนิดตัวเปล่งแสงวับเท่านั้น ส่วนเครื่องตรวจวัดชนิดเซมิคอนดักเตอร์ยังไม่สามารถสร้างวัสดุที่มีส่วนผสมของสารดูดกลืนได้ ทำได้เพียงใช้วิธีการฉาบวัสดุดูดกลืนไว้ที่ผิวหน้าของเครื่องตรวดวัด (indirect-conversion detector) ซึ่งทำให้ประสิทธิภาพของการตรวดวัดลดลงเป็นอย่างมากเมื่อเทียบกับการผสมสารดูดกลืนกับวัสดุหัววัดโดยตรง (direct-conversion detector)


          จนกระทั่งเมื่อเดือนมกราคมที่ผ่านมา นิตยาสาร Nature ได้ตีพิมพ์ผลงานของกลุ่มนักวิจัยแห่งมหาวิยาลัยนอร์ทเวสเทิร์น (Northwestern University) และ สถาบันวิจัยอาร์กอน (Argonne National Laboratory) ประเทศสหรัฐอเมริกา ซึ่งได้ทำการสร้างวัสดุชนิดใหม่ซึ่งเป็นสารประกอบชนิดเซมิคอนดักเตอร์ที่มีส่วนผสมของสารดูดกลืนนิวตรอนได้สำเร็จ การค้นพบนี้เป็นการเปิดประตูไปสู่การประยุกต์ใช้เครื่องตรวจวัดนิวตรอนชนิดเซมิคอนดักเตอร์ได้เป็นครั้งแรก 


          Mercouri Kanatzidis ศาสตราจารย์ด้านเคมีแห่งมหาวิยาลัยนอร์ทเวสเทิร์น ซึ่งเป็นผู้นำกลุ่มนักวิจัยนี้ กล่าวว่า “ผู้คนได้จินตการถึงเครื่องตรวจวัดนิวตรอนชนิดเซมิคอนดักเตอร์มาเป็นเวลานานแล้ว ความคิดนี้มีมาเนิ่นนาน แต่ไม่มีใครมีวัสดุที่เหมาะสมที่จะสร้างมัน” เครื่องตรวจวัดนิวตรอนนั้นมีการศึกษาพัฒนามาเนิ่นนานตั้งแต่ยุค 1950s และเป็นที่รู้กันว่าวัสดุดูดซับที่ดีคือลิเทียม (lithium-6, ⁶Li) แต่การผสมลิเทียมเข้ากับเซมิคอนดักเตอร์เพื่อนำไปสู่การใช้งานได้จริงนั้นเป็นเรื่องยากมาก เนื่องจากลิเทียมมีความไม่เสถียรสูง ในการศึกษานี้ทางกลุ่มวิจัยสามารถหาส่วนผสมที่ลงตัวที่สามารถทำให้วัสดุมีความเสถียรได้  วัสดุชนิดใหม่นี้คือ lithium-indium-phosphorous-selenium (⁶LiInP₂Se₆) โดยธาตุลิเทียมที่ใช้นั้นถูกเพิ่มความเข้มข้นของไอโซโทปลิเทียม-6 (lithium-6 enriched) โดยโครงสร้างของสารประกอบ (crystal structure) จะมีความพิเศษคือธาตุลิเทียมจะถูกประกบด้วยชั้นของอะตอมของธาตุอื่นซึ่งทำให้ถูกป้องกันจากการทำปฏิกิริยากับสารอื่นเช่นน้ำ ทำให้สารมีความเสถียรอยู่ได้


          วัสดุนี้สามารถนำไปสร้างเครื่องตรวจวัดนิวตรอน โดยตัววัสดุเซมิคอนดักเตอร์สามารถดูดซับนิวตรอนได้โดยตรงและสร้างสัญญาณไฟฟ้าที่สามารถถูกตรวจวัดได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้สามารถตรวจวัดนิวตรอนได้ในสถานการณ์ที่มีรังสีในระดับต่ำ วัสดุนี้ยังให้สัญญาณไฟฟ้าที่รวดเร็ว สามารถวิเคราะห์แยกความต่างของสัญญาณจากรังสีแกมมาได้ดี และการที่วัสดุมีส่วนผสมของลิเทียมอยู่มาก ทำให้สามารถวัดนิวตรอนได้มีประสิทธิภาพเทียบเท่ากับเครื่องวัดรังสีแบบอื่นแม้จะใช้วัสดุขนาดเล็กกว่ามาก ทำให้สามารถประยุกต์สร้างเครื่องตรวจวัดนิวตรอนที่มีขนาดกะทัดรัดเล็กเท่ากับฝ่ามือเของเราได้            เทคโนโลยีการตรวจวัดนิวตรอนนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งยวด โดยเฉพาะหน่วยงานด้านความมั่นคง ที่ใช้เพื่อป้องการการลักลอบนำเข้าหรือส่งออกวัสดุนิวเคลียร์ แม้ว่าวัสดุนิวเคลียร์ส่วนมากจะปล่อยรังสีออกมาหลายชนิด แต่รังสีเหล่านี้สามารถถูกกำบังรังสีได้ง่ายโดยใช้โลหะตะกั่วหนาเพียงไม่กี่เซนติเมตร ยกเว้นรังสีนิวตรอนทีมีอำนาจทะลุทะลวงสูง ไม่สามารถถูกกำบังได้ การมีเครื่องตรวจวัดนิวตรอนที่มีประสิทธิภาพใช้งานได้จริงในภาคสนามในทุกสถานการณ์จึงเป็นสิ่งที่จำเป็นอย่างยิ่ง และจากงานวิจัยนี้คาดว่าในอีกไม่นาน เราก็จะได้มีเครื่องตรวจวัดนิวตรอนชนิดใหม่ให้สามารถได้เลือกใช้ เพื่อให้งานการตรวจวัดรังสีมีประสิทธิภาพและเกิดความปลอดภัยกับประชาชนมากยิ่งขึ้นต่อไป

 

แหล่งอ้างอิง

• [1] https://www.nature.com/articles/s41586-019-1886-8
• [2] https://news.northwestern.edu/stories/2020/01/new-neutron-detector-can-fit-in-your-pocket/
• [3] https://www.theengineer.co.uk/lithium-neutron-detectors/
• [4] https://www.msn.com/en-us/news/technology/who-wouldnt-want-a-pocket-sized-neutron-detector/ar-BBZ1Wxk