إن أجهزة الكشف عن الإشعاع ذات التمرين العالي حاسمة في الرصد والسلامة في البيئات القصوى مثل المفاعلات النووية، والبعثات الفضائية، والعمليات الصناعية ذات التمرين العالي، ويجب أن تعمل هذه الأجهزة بصورة موثوقة في ظروف تتدهور أو تدمر أجهزة الاستشعار التقليدية، وقد وسعت الابتكارات الأخيرة في المواد والتصميم والتكنولوجيا بشكل كبير من قدرات هذه الأجهزة، مما أتاح قدرا أكبر من الدقة، وطول العمر، وتطبيقات جديدة.

والتحدي الأساسي في الكشف عن الإشعاعات العالية الحرارة هو الحفاظ على السلامة التشغيلية عندما تتجاوز درجات الحرارة عدة مئات من درجات مئوية، وتعاني أجهزة الاستشعار التقليدية القائمة على السليكون، مع محدودية نطاقها، من زيادة التسرب في التيار وضوضاء الإشارات في درجات الحرارة المرتفعة، مما يجعلها غير فعالة فوق 150 درجة مئوية.

التقدم في علوم المواد

وقد كان تطوير المواد شبه الموصلية ذات النطاق الواسع والسلوك الحراري العالي حجر الزاوية في التقدم في الكشف عن الإشعاع العالي التمرين، حيث تحتفظ هذه المواد بخواص كهربائية مستقرة تحت الحرارة القصوى، وتخفض تيارات التسرب، وتحسن نسب الإشارة إلى الضوضاء، ومن أبرزها بلورة السيليكون ونيتريد الغاليوم، التي تُظهر فيها مستويات عالية من الاستقرار الإشعاعي.

محررو سيليكون كاربيد (سي سي)

(أ) قد ظهرت كوادر رئيسية لكشف الإشعاعات ذات الحرارة العالية بسبب اتساع نطاقه البالغ 3.26 إي في، وسلوك حراري مرتفع (3.7 دبليو/سمكي)، ومقاومة إشعاعية أعلى، ويمكن لأجهزة الكشف عن المواد الكيميائية أن تعمل في درجات حرارة تتجاوز 1000 مئوية دون أن تبرد، وهي عملية غير قابلة للكشف عن التسارع التقليدي.

ومن بين الابتكارات الرئيسية استخدام الطبقات الوبائية للحد من العيوب الكريستالية وتطوير الاتصالات الأوقيانوغرافية التي تصمد أمام التدوير الحراري، إضافة إلى أن أجهزة الكشف التي تستخدمها شركة سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي تدمج في شبكات الاستشعار اللاسلكية للرصد عن بعد لتخزين الوقود النووي المستهلك، حيث يلزم القيام بالعمليات السلبية على درجات حرارة مرتفعة لسنوات، كما أن قوة المواد تقلل من وقت الصيانة، وهو عامل حاسم في الصناعات الجارية.

Gallium Nitride (GaN) Detectors

ويتيح نيتريد الغاليوم، الذي يبلغ عدده 3.4 من الطلقات الإلكترونية والتنقل الكهربائي العالي، مزايا للأجهزة التي تستلزم أوقات الاستجابة السريعة والحساسية العالية، كما أن أجهزة الكشف الإشعاعي القائمة على الغازات النووية مناسبة بشكل خاص لمجالات الإشعاع النقية، مثل تلك الموجودة في تجارب الإندماج التي تحركها الليزر أو مرافق العلاج بالجزئات، كما أن سرعة التشبع العالية تتيح جمع رسوم الإشعاع فوق البنفسج، مما يتيح قياسات ذات القدرة على إحداث الاحترار.

(ب) تشمل التطورات الأخيرة وجود محركات أشعة تحتية من طراز GaN-on-SiC، مما يقلل من حالات عدم الدقة ويحسن نوعية المواد، وقد أدى استخدام هياكل الغاز الإلكترونية الثنائية الأبعاد في أجهزة نقل الغاز ذات القدرة العالية على الحركة إلى الكشف عن النيتروز (HEMTs) إلى الكشف عن المحركات النيوترانية المنخفضة الطاقة والأشعة السينية ذات الأشعة المختلطة.

تصميمات مصممة مبتكرة

وبالإضافة إلى التقدم المادي، عززت هياكل الكشف الجديدة من حيث القوة والتقليل إلى أدنى حد والوظيفية في البيئات القصوى، وهي تحفز النظم الميكانيكية الدقيقة، والبصريات الألياف، والجيوميترات الثلاثية الأبعاد للتغلب على القيود المفروضة على الأجهزة التقليدية للنظم، وتركز على الحد من نقل الحرارة إلى المكونات الحساسة، وتمكين العمليات اللاسلكية، وتوفير الحصانة للتدخل الكهرومغناطيسي في المجالات النووية الحالية في كثير من الأحيان.

النظم الميكانيكية الدقيقة

كما أن تكنولوجيا نظام الرصد المتعدد المؤشرات تسمح بصنع أجهزة آلية صغيرة تغير خصائصها المادية عند التعرض للإشعاع، كما أن أجهزة الرصد المتعدد الوسائط أو المصانع التي تستخدم في رسم خرائط النسيج أو الماس توفر استقرارا حراريا استثنائيا، وعندما تتعرض هذه الهياكل للإشعاع المؤين، فإنها تشهد تحولات في الترددات الرجعية بسبب تراكم الشحنات أو الأضرار المستحثة، مما يمكن قياسه على نحو لاسلكي.

وقد تم تحسين أجهزة الاستشعار الحرارية الميكانيكية للأجهزة الميكانيكية التي تكشف عن التدفئة بفعل الإشعاع في أجهزة التذبذب المجهرية، وذلك من أجل بيئات الإشعاعات المطهرة حيث تكون معدلات الجرعات الفورية مرتفعة، وتستهلك هذه الأجهزة حدا أدنى من الطاقة (الزجاجات) ويمكن استجوابها عن طريق وصلات الترددات، مما يزيل الحاجة إلى التمويه عبر الجدران أو الغلاف الجوي.

أجهزة الاستشعار الضوئية

وتمنح أجهزة الكشف عن الإشعاع الذري عدة مزايا للبيئات المتطرفة: الحصانة من الطاقة الكهربائية، وقدرات الاستشعار الموزعة، ونقل إشارات التردد البعيدة دون تردي الإشارات، وتستعمل هذه أجهزة الاستشعار الألياف البصرية المبثوثة بمواد ملتوية مثل الكم المكعب من الرقائق أو أجهزة التحكم العضوية، وعندما يتفاعل الإشعاع مع جهاز القياس، يولد الضوء وينقل إلى جهاز تصويري ملتقط من بعد.

ومن بين الابتكارات استخدام أجهزة أشعة الليمونزونية المحتوية على الألياف الحساسة من الإشعاع، مما يتيح قياس درجة الحرارة والجرعة الإشعاعية في آن واحد، وهو أمر حاسم بالنسبة لفيزياء المفاعلات حيث يتباين المعالم، ويمكن أن يغطي جهاز استشعار الألياف الموزع مئات من المتر، ورصد جميع مراحيض الوقود أو مولدات البخار.

ثلاثة - ديمنسيات محفوظات

وتعاني أجهزة الكشف التقليدية عن المكوكات من انخفاض كفاءة جمع الشحنات عند ارتفاع درجات الحرارة بسبب زيادة مراكز التصفيق، حيث تخترق أجهزة الكشف عن ثلاثية الأبعاد، وتخترق الكهروديسات في المواد السائبة، وتقصر مسارات ناقلات الشحنات، وتخفض الخسائر في الشحنات، أما بالنسبة لعملية تحديد درجة الحرارة العالية، فقد اختُبرت أجهزة الكشف عن الأشعة السيكية 3D باستخدام كهرباءات العمودية التي أنشئت عن طريق حفر الليزر أو تركيب أجهزة استنشاقية عالية الترددات العالية.

التكنولوجيات الناشئة

وتتكون حدود الكشف عن الإشعاعات العالية الحرارة من مواد التكنولوجيا النانوية والكمية، كما أن النقاط الكمية والمواد النانوية وغيرها من الهياكل ذات الأبعاد المنخفضة توفر خصائص مادية فريدة يمكن تسخيرها للحساسية والانتقائية والتكامل، وهذه التكنولوجيات لا تزال في مرحلة البحث ولكنها تعد بتغيير أداء أجهزة الكشف في العقد القادم.

محررات من طراز Quantum Dot-Based

أما النقاط الكميّة التي تُجرى في المناطق المدارية (الأجهزة ذات الترددات العالية) فهي شبه موصلات نانوتريات ذات نطاق لا يمكن تحصينه، مما يتيح التحكم الدقيق في الاستجابة المستنقعات، ويمكن تصميم الأشعة الكثيفة التي تُظهر في إطارها أجهزة الكشف عن الإشعاعات، بحيث تُستجاب في إطار نظام الكبريتات المُحدّد، على نحو قابل للكشف عن كميات كبيرة من الطلاء أو الجسيمات.

ومن بين الابتكارات المحددة استخدام مواد صلبة من النعناع الكمي في أجهزة الكشف عن التصوير الضوئي، وعندما تتعرض أفلام الأشعة المخففة، تولد رسوماً متنقلة يمكن أن تتضخم في حالتها من خلال ولايات فخية، وقد أظهرت ورقة في Nature Photonics) جهازاً للكشف عن المواد الكيميائية ذات القدرة العالية على إحداث تأثير التسارع، يكشف عن 103 درجة مئوية، وهو ما يكفي من أجل إحداث تغيير التوقيت الحقيقي.

المواد المصنَّعة

(ب) المواد المجهزة بالأشعة، مثل النانووبات الكربونية، والغرافيني، وأكسيد المعادن النانووي، تقدم نسباً عالية من السطح إلى الحجم، وخواص إلكترونية غير قابلة للتحصين، وقد استخدمت غرامين، مع تنقلها الاستثنائي وسلوكها الحراري، في أجهزة الكشف عن الإشعاعات التي تحقق أوقات الاستجابة السريعة (الثانية الثانية) والمكاسب العالية.

(ب) إن أكسيد النيتروز، مثل أكسيد الزنك وأكسيد القصدير (سنو 2)، منصة واعدة أخرى، وتظهر هذه النانويات تغيرات في المقاومة عندما تتعرض للإشعاع المؤين، بسبب التفاعلات السطحية مع الناقلات المستحثة بالإشعاع.() وقد تبين أن أجهزة الكشف عن الأشعة النانوية تعمل في درجات حرارة تصل إلى 700 درجة مئوية من العمر المتوقع أن ترتفع فيها سرعة التعافي().

المواد ذات الصلة

وقد تم استكشاف محركات الهالد المزودة بأجهزة الكشف عن المواد ذات القدرة الفلكية الممتازة، وذلك بسبب ارتفاع مستوى القدرة على وقفها وتنقل الناقلات، وفي حين أن معظم أجهزة الكشف عن المسافات المشبع بالفلور قد تتدهور عند درجات حرارة متوسطة، فإن المزادات العضوية مثل CsPBr3 قد أظهرت استقراراً يصل إلى 300 درجة مئوية.

التطبيقات والأثر

وقد وسعت الابتكارات المجمعة في المواد والتصميم والتكنولوجيات الناشئة نطاق تطبيق أجهزة الكشف عن الإشعاع ذات الحرارة العالية، مما أثر على السلامة والكفاءة والاكتشاف العلمي عبر مجالات متعددة، ويهيئ كل قطاع ظروفا بيئية فريدة تدفع إلى تكييف نظم الكشف.

محطات الطاقة النووية

وفي المفاعلات النووية، تعتبر أجهزة الكشف عن الحرارة العالية أساسية للرصد الفوري لتدفقات النيوترونات، وإشعاع غاما، ودرجة الحرارة، وتُنشر أجهزة الكشف عن المواد الكيميائية في مفاعلات المياه المصحوبة بالضغط، وتُستخدم في تصميمات مفاعلات متقدمة مثل مفاعلات الملح المستنبط ومفاعلات الغاز المحتوية على درجة عالية من الحرارة.

وفي مرافق البحوث النووية مثل مختبر أوك ريدج الوطني، تستخدم أجهزة الكشف التابعة للسي سي سي سي سي سي كي في تجارب إشعال الوقود، وتوفر بيانات معزولة زمنياً عن إطلاق منتجات الإنشطار والنقل بالنيوترونات، وتخضع أجهزة الاستشعار اللاسلكية التابعة للأجهزة اللاسلكية المتعددة المؤشرات لفحص مجمعات الوقود المستهلك، حيث تحول درجات الحرارة العالية وميادين غاما دون النظم القائمة على الكابلات، وتقليص الحاجة إلى دخول البشر إلى مناطق الأمان، وتعزز هذه أجهزة الكشف العمليات.

استكشاف الفضاء

وتكشف البعثات الفضائية عن رواد الفضاء والالكترونيات لكل من درجات الحرارة العالية (مثلاً أثناء فترات الاصطدام الشمسي أو على سطح الكوكب) والإشعاع الكوني المكثف، ويجري إدماج أجهزة الكشف عن الغازات والسي سي سي سي سي سي سيك في نظم رصد الإشعاع لموائل الفضاء العميقة والمركبات الفضائية، وفي حالة حدوث ارتداد، تقوم أجهزة قياس المقاييس القائمة على السي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي على مستويات الإشعاع على المريخ، مما يساعد على تخطيط البعثات المأه.

وبالنسبة لمادة الفلك، يمكن للأجهزة الحاسبة الكميّة التي تستخدم النبضات أن توفر تعقباً شخصياً للتعرض أثناء الأنشطة الخارجة عن المناظير، وقدرة على اكتشاف النيوترونات والجسيمات الثقيلة المحملة أهمية حاسمة لفهم فعالية صيانة المركبات الفضائية، كما تستخدم أجهزة الاستشعار البصرية الفيبرية في محطة الفضاء الدولية لرصد الصحة الهيكلية، حيث تكتشف التغيرات الناجمة عن الإشعاع في ظفر الألياف.

العمليات الصناعية

وتستخدم أجهزة الكشف عن الإشعاع ذات درجة عالية من الحرارة في صناعات مثل تصنيع الزجاج، وصهر المعادن، والتنقية الكيميائية، حيث تعتمد مراقبة العمليات وضمان الجودة على قياس درجة الحرارة والكثافة والتدفق تحت الحرارة القصوى، وفي الصبغة المستمرة للمصاعد التي تستخدم أجهزة الكشف عن عوامل الارتداد، ترصد مستويات سميكة الرقبة ومستويات المعادن في درجات الحرارة عند ما يقرب من 1600 درجة مئوية، كما أن صناعات قياس الأشعة الضوئية، تخفض.

وبالنسبة لتهوية النفايات النووية، حيث تُغْرَف النويدات المشعة في الزجاج عند درجة حرارة أعلى من 1000 درجة مئوية، فإن الرصد المباشر للذوبان الزجاجي أمر أساسي، كما أن أجهزة الكشف المجهزة بالشبكة التي يمكن أن تعمل في هذه البيئة توفر تغذية مرتدة في الوقت الحقيقي بشأن متجانسة وقابلية شكل النفايات، بما يكفل الامتثال التنظيمي، وقد نشرت الوكالة الدولية للطاقة الذرية مبادئ توجيهية بشأن استخدام أجهزة الكشف عن المواد ذات التمرين العالي في مجال الضمانات.

البحث العلمي

وتحتاج تجارب الفيزياء الجسيمات، مثل تلك التي تجري في نظام CERN، إلى أجهزة كشف يمكن أن تعمل بالقرب من عناصر خط الأشعة حيث يزيد الإشعاع المتزامن درجة الحرارة، وتستخدم أجهزة الكشف عن الأشعة السيكية لرصد فقدان الشعاع وقياسات التشحيم، وفي الفيزياء الفلزية، تقوم أجهزة الكشف عن الغازات بمقياس الأشعة السينية الناعمة من تجارب الصمامات لدراسة درجات الحرارة الكهربائية.

الآفاق المستقبلية

وتهدف البحوث الجارية إلى زيادة تعزيز حدود الكشف عن الإشعاعات العالية الحرارة، وإدماج الاستخبارات الاصطناعية في تجهيز البيانات الذكية، وتطوير شبكات الاستشعار اللاسلكية، واستكشاف مواد جديدة مثل الماس والنايت الحديدي، ويعود تقارب هذه التكنولوجيات بنظم رصد مستقلة يمكن أن تتنبأ بالفشل وتكيف مع البيئات المتغيرة.

ويمكن أن تحلل أجهزة الاستطلاع والتعلم الآلي البيانات من صفائف أجهزة الكشف لتحديد الأنماط في الحقول الإشعاعية، مما يتيح الكشف المبكر عن الشذوذ، فعلى سبيل المثال، يمكن لنموذج التعلم العميق الذي تم تدريبه على بيانات التدفق العصبي في سي سي سي سي سي سي سي سي إي تونكس أن يتوقّع عمليات التصرّف المفاعلية، ويسمح الحساب الحاد بالتجهيز مباشرة على وحدة الكشف، ويقلل من التأخيرات في الاتصالات ذات القيمة الخاصة ببعثات الفضائية.

ويجري تطوير شبكات الاستشعار اللاسلكية اللاسلكية التي تستخدم أجهزة الكشف عن الحرارة العالية لرصدها الموزع في المناطق الخطرة، ويمكن لهذه الشبكات أن تصلح نفسها وتعيد تشكيلها عندما تفشل العواصم، وتزيد من موثوقية النظام عموما، ويمكن أن يُستشعر الطاقة من الخانات الحرارية باستخدام المولدات الكهربائية إلى أجل غير مسمى، وأن يزيل الاحتياجات من استبدال البطاريات، ويجري التصدي للتحديات في مجال أمن البيانات والتخفيف من التدخل من خلال التشفير وبروتوكولات القوية.

ويتواصل البحث المادي في أجهزة الكشف عن الماس التي توفر أعلى درجة من السلوك الحراري وصعوبة الإشعاع بين شبه الموصلات، وقد ثبت أن أجهزة الماس تعمل في درجات حرارة تزيد عن 800 درجة مئوية، وتسمح بجرعة تتجاوز 1016 جزيئات/سم2، غير أن تكلفة الماس الحاد الاصطناعي وحجمه المحدود هي قيود.

ويمكن أن يتيح إدماج أجهزة الكشف بالنظم الفلورية الصغيرة تحليل العينات في الملح المرطوبة أو السوائل الساخنة، وتوسيع نطاق تطبيقات الكيمياء المشعة والتنقيب الجيولوجي، ويتطلب دفعها نحو تقليص الوقت إلى السوق توحيد بروتوكولات الاختبار وإجراءات التصديق الخاصة بالكشف عن درجة الحرارة العالية، وستعجل الجهود التعاونية بين الأوساط الأكاديمية والصناعة والهيئات التنظيمية بالتبني، وستؤدي هذه الابتكارات دوراً رئيسياً في ضمان السلامة،