The Quantum Edge in Nuclear Instrumentation

وقد اعتمد الصك النووي التقليدي منذ وقت طويل على المبادئ المادية الراسخة: جمع أزواج الشحنات المؤينة في الأنابيب المحملة بالغاز أو مناطق نضوب الموصلات شبه الموصلات، أو عد الصور التجميلية التي تنتج عن التفاعلات الحثيثة، وهذه الأساليب التقليدية للكشف قد قدمت خدماتها إلى الصناعة، وأوساط البحث، والميدان الطبي لقرن، ولكنها الآن تقترب من الحدود المادية الأساسية في مجالات الحساسية، وحل الطاقة، والتمييز المكاني.

وتتجاوز تكنولوجيات الاستشعار الكمي هذه القيود الكلاسيكية بجعلها قابلة للرصد المادي إلى دول كمية متماسكة، مثل الدول التي تدور أو مراحل التحلل السطحي أو الروابط المتشابكة، وتسمح هذه التقنيات للباحثين بالكشف عن الحقول المغناطيسية الدقيقة، وتغيرات الحرارة، والتفاعلات بين الجسيمات التي لم تكن قابلة للاحتمال في السابق في بيئة عملية(22).

المبادئ الأساسية للاستشعار الكمي

ويستغل جهاز الاستشعار الكمي خصائص محددة من الميكانيكيات الكمية، وهي أساساً التصويب والتشابك والتماسك، لقياس الكميات المادية التي تقل كثيراً عن الحد الأدنى للضوضاء الكلاسيكي، وفي الممارسة العملية، يعمل جهاز الاستشعار الكمي عن طريق إعداد نظام كمي في دولة أولية معروفة، مما يتيح له التفاعل مع الكمية المستهدفة، ثم قراءة الحالة النهائية، وكثيراً ما تكون الحساسية محدودة بنسب الضوضاء إلى نظام.

مراكز صناعة النيتروجين في الماس

إن مركز غسيل النيتروجين هو أحد أكثر أجهزة الاستشعار الكمي التي تستخدم في الغرف جذابة، حيث أن هذه المواد هي عبارة عن ذرة للنيتروجين الناطقين بالأشعة تحت الأرض، ومحتوية على مواد ذات نطاق مغناطيسي متداخلة على مواد الأشعة فوق البنفسجية، وهي تحتوي على حالة ميكانيكية ذات مقياس للجاذبية الصغرية يمكن أن تكون مذابة وشبه مرئية.

أجهزة الاستشعار المؤثرة

وينتج هذا الجهاز من أجهزة الاستشعار الكمي، مثل أجهزة الاستشعار العالي الترددي، وأجهزة الاستشعار ذات الأشعة السينية ذات الصبغة العالية، وأجهزة الاستشعار ذات الأشعة السينية ذات المقياس العالي، وأجهزة القياس الحرارية التي تستخدم في كثير من الأحيان، وأجهزة القياس المغناطيسي ذات الصبغة الحساسية العالية، وأجهزة القياس المغناطيسي التي تعمل على إحداث أشعة مصغرة، والتي تُستخدم في حالة تسارع الأشعة السيكسيدات الأشعة السيك.

المسافات المتقطعة

تستخدم أجهزة الإيقاع الذري ذرات مصممة بالليزر، وهي عادة تعمل بالفركيوم أو السيزيوم، كتلة اختبارية في مسافات قياسية متماثلة مع مقياس الأشعة الضوئية للأشعة المكاوية والزندرائية، حيث إن التسلسل من قسائم الليزر المظلمة، يُقسم اختلال الموجات الذرية، ويُظهر ويعاد تركيبها، وتُتَتَتَعَدَ مرحلة التداخل الناتجة عن ذلك

القفل الضوئي للذرية

وفي حين أن ساعات الذرة البصرية لا تصنف دائماً كمجسّسات، فإنها تمثل القياس الدقيق النهائي للوقت والتواتر، وقد يؤدي أحدث جيل من ساعات التكرير الضوئي إلى حدوث حالات عدم يقين من الترددات الرجعية عند مستوى المطياف الضوئية المستقرة في 10 ، وهو 18() وقد يؤدي هذا المقياس إلى تزامن جغرافي مع التركيزات (اللازمة عبر فترات زمنية طويلة).

تطبيقات التحول في النظم النووية

ويمضي إدماج أجهزة الاستشعار الكمي في الأجهزة النووية على امتداد عدة مسارات متوازية، كل منها يحركها حاجة تشغيلية محددة لا يمكن للتكنولوجيا الكلاسيكية أن تلبيها على نحو كاف.

الدقة Gamma-Ray و Neutron Spectroscopy

كما أن أجهزة الكشف عن الأشعة فوق البنفسجية العالية النسيج (HPGe) قد ظلت منذ فترة طويلة المعيار الذهبي لتصوير الأشعة المكتومة في الضمانات النووية، والرصد البيئي، والبحوث، غير أن أجهزة الكشف عن الغازات العالية السلسلة (HPG) التي توفر مطيافاً للنيتروجين الميكانيكي، وهي مادة متداخلة نسبياً، وتعاني من أضرار الإشعاع على مر الزمن.

الضمانات والمساءلة المادية

وتعتمد المحاسبة على قياس الكتلة والتكوينات المتجانسة للمواد النووية الخاصة مثل البلوتونيوم واليورانيوم العالي التخصيب، وتشمل الممارسة الحالية مزيجا من المطياف الشعاعي الغامض، وحساب المصادفة، والمقياس الحاسبي، والتحليل الكيميائي، ويمكن للمستشعرات الكهرمائية أن تبسط هذه العملية بتقديم بيانات عن كمية أكبر من حزمة الكشف عن المجاز (Tramall).

الرصد البيئي والتحقق من المعاهدات

وتعتمد معاهدة الحظر الشامل للتجارب النووية على نظام رصد دولي يشمل أجهزة الاستنشاق بالأشعة دون الحمراء، وأجهزة الاستشعار ذات الأشعة دون الحمراء، وأجهزة الاستشعار ذات الأشعة دون المزودة بمقياس للجاذبية العالية، وأجهزة الرصد التي تستخدمها أجهزة التزود بالأشعة دون الأشعة، والتي تشكل انتهاكاً لظاهرة التفجيرات الجوفية، حيث أنها تكشف عن وجود نظائر مشعة (Xe-131m, Xe-133mors).

التصوير الطبي للنظائر الطبية والعلاج

ويمكن أن يؤدي الطب النووي إلى تحسين القدرة على معالجة الأشعة بواسطة الأشعة (PET, SPECT) والعلاج بالأشعة النويدية المستهدفة، حيث يمكن أن تؤدي أجهزة الاستشعار الكهرمائية إلى تحسين الحساسية ورصد العلاج، أما بالنسبة للأشعة المتطورة التي يتم اكتشافها، فإن هذا النوع من العلاج يمكن أن يؤدي إلى إحداث تغيرات في التوقيتات الشعاعية (TTOF) فهو نموذج أداء حرج يحدد نسبة الإصابة بالسرطانات الأشعة إلى 400.

المادة المظلمة وفيزياء نيوترينو

إن المادة المظلمة غير السامة والخواص النيوترينو هي من أكثر المسائل إلحاحا في الفيزياء النووية والجسيمية الأساسية، حيث يمكن أجهزة الاستشعار الكهرمائية أن تُحدث جيلاً جديداً من التجارب المصممة لكشف المواد المظلمة المنخفضة الحجم (مثلاً، مؤشرات قياسات الترددات المتوسطة، والصور المظلمة) والترددات الفوقية المتجانسة

التحليل المقارن: كشف الكينتوم

(ب) إنَّ أجهزة الكشف عن المواد الخطرة (الإنجابية) التي تُستخدم في إطار نظام " الأشعة السينية " (الإنجليزي) (الإنكليزية) (الإنكليزية) (الروسية) (الإنكليزية) (الروسية) (الإنكليزية)

التغلب على تحديات التكامل

وعلى الرغم من مزايا الأداء الجبارة، فإن نشر أجهزة استشعار كمية في البيئات النووية في العالم الحقيقي يشكل تحديات هندسية كبيرة، فالمجال النووي يتسم بارتفاع مستويات الإشعاع المؤين، والميادين المغناطيسية والكهربية القوية، والاهتزاز، ودرجة الحرارة القصوى، والقيود المفروضة على الوصول المادي، وكثيرا ما تكون أجهزة الاستشعار الكهرمائية، بحكم طبيعتها، حساسة لهذه الاضطرابات البيئية التي تنجم في المستقبل.

المتطلبات الكيمائية والنظم الخالية من الكريسو

ومعظم أجهزة الاستشعار الكمي ذات الأداء العالي، بما في ذلك أجهزة القياس الجزئي للأجهزة التكييفية، وأجهزة الاستنشاق بالترددات العالية، وأجهزة الاستنشاق بالموجات الدقيقة (MKID)، تحتاج إلى درجة حرارة أقل من غرفة واحدة من درجة الحرارة المتواضعة (Nellnch) و100 مضخم كهربائي مثبتة، وأجهزة حرق مبردة للدمغ (ADRsung) إلى درجة حرارية

صعوبة الإشعاع وطول المدة

كما أن الإشعاع المؤين يمكن أن يخلق عيوب في البطاطا، ورسوما محصورة، وواجهة بينية تضعف أداء أجهزة الاستشعار الكمي، أما بالنسبة لأجهزة الكشف عن المصابيح، فإن الإشعاع المؤين يمكن أن يكسر مؤقتا أزواج كوبر، ويخلق انفجارات شبه جزائية تنتج إشارة زائفة أو وقتا مميتا، ويحقق الباحثون بنشاط في المواد المحتوية على الإشعاع واستراتيجيات التحفيز.

اقتناء البيانات والقراءة القابلة للتكرار

ويمكن أن يولد جهاز الاستشعار الكمي الوحيد من مجرى البيانات ذي الترددات العالية، كما أن مجموعة من أجهزة الاستشعار بالأشعة المصغرة من مادة TES أو MKID ستنتج مجموعة بيانات ذات صلة بالرقمية من النوع الثاني لا يمكن أن تعالجها نظم اقتناء البيانات التقليدية، ومن أجل تحقيق الاستقرار في أجهزة الاستشعار الكبليية التي تستخدم في إطار نظام متعدد المؤشرات.

التسويق والطريق إلى النشر

والانتقال من مقياس إثبات المعمل إلى الأجهزة المتاحة تجارياً، والمؤهلة هو أهم مرحلة للاستشعار الكمي في التطبيقات النووية، وهناك شركات عديدة ومختبرات وطنية تتابع هذا التحول، وتعرض شركات مثل شركة Qnami وSBQuantum أجهزة قياس كمية من المواد لتحديد خصائصها، وتوفر شركة Q-CTRL برمجيات قياس كمي للأجهزة التي تثبّت كمياً من أجهزة الاستشعار ضد الضوضاء البيئي.

وستمول معاهد العلوم الكهرمائية في الولايات المتحدة الأمريكية (S.S.) و(LT:0) و(QIS) برنامج علوم المعلومات الكمي () و(FLT: 1) و(LT) و(LT) و(L.8217؛ و(S(NANSA) عمليات الاستشعار من خلال عمليات الاستنشاق في مجال الطاقة النووية تمويلا نشطا لتطوير أجهزة الاستشعار الكمي للأمن النووي.

الاستنتاج: الشطب المحدد في نماذج الكشف

إن استخدام أجهزة الاستشعار الكمي في الجيل القادم من الأجهزة النووية يمثل تحولاً واضحاً في ما يمكن تحقيقه تقنياً في الكشف عن الإشعاع، والوصف المادي، والرصد الميداني، كما أن مزايا الحساسية الأساسية التي توفرها الدول المتشابكة، وفترات التناسق الطويلة، وأجهزة الكشف عن المواد المسببة للبرد في الطاقة لا تؤدي إلى زيادة في القيمة " 8211 " ، وهي تمثل كشفاً للضوضاء النووي.

إن الحواجز التي تحول دون الاعتماد الواسع النطاق لا تزال كبيرة ولكن يمكن التغلب عليها، فالتقارب بين الباحثين المتعددي التخصصات الذين يتقنون الميكانيكيات الكمية وكشف الإشعاعات، والقدرة على التصعيد، واختبارات التأهيل، هي كلها مجالات نشطة في البحوث الهندسية، حيث أن تقارب علوم المعلومات الكمي مع الهندسة النووية سينتج الآن جيلا جديدا من الباحثين المتعددي التخصصات الذين يجيدون الميكانيكي الكمي والكشف عن الإشعاعات، ومع تطور نظم الاستشعار الكميائية التجارية، فإنها ستتحول ستكون عنصرا قياسيا من عناصر أدوات البحثية.