หัววัดนิวตรอนแบบใหม่ ฝีมือคนไทย

ปัจจุบันมีการประยุกต์ใช้อนุภาคนิวตรอนในงานด้านต่างๆ อย่างแพร่หลาย เช่น ใช้ในการฉายรังสีทางด้านการแพทย์และการเกษตร การตรวจวัดโครงสร้างวัสดุระดับอังสตรอม การตรวจวัดรังสีคอสมิกในชั้นบรรยากาศโลก รวมทั้งการใช้กับเครื่องเร่งอนุภาคหรือเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์

อนุภาคนิวตรอนได้จากการทำปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน (Nuclear Fission) ของธาตุพลูโตเนียม (Plutonium; Pu) และธาตุยูเรเนียม (Uranium ; U) แต่เนื่องจากนิวตรอนเป็นอนุภาคที่ไม่มีประจุ การตรวจวัดนิวตรอนเพื่อหาธาตุทั้งสองจึงต้องใช้เครื่องมือที่สามารถตรวจวัดอนุภาคนิวตรอนได้อย่างมีประสิทธิภาพ

หัววัดอนุภาคนิวตรอน นับเป็นเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ที่มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการนำอนุภาคนิวตรอนไปใช้ประโยชน์ ซึ่งในอดีต หัววัดนิวตรอนจะใช้ก๊าซฮีเลียม-3 (Helium-3 ; 3He) เป็นส่วนประกอบหลักของหัววัดนิวตรอน แต่ด้วยข้อจำกัดของการลดจำนวนอาวุธนิวเคลียร์ ส่งผลกระทบให้การผลิตฮีเลียม-3 ลดลง  จนกิดสภาวการณ์ขาดแคลน ขณะที่ความต้องการใช้หัววัดนิวตรอนซึ่งใช้ ฮีเลียม-3 เป็นส่วนประกอบหลัก เพื่อใช้ในการตรวจสอบหาและป้องกันการลักลอบขนย้ายวัตถุที่สามารถนำไปทำอาวุธนิวเคลียร์ของผู้ก่อการร้าย เพิ่มสูงขึ้นอย่างมาก  

ด้วยผลจากการลดจำนวนการผลิต ขณะที่ความต้องการที่เพิ่มขึ้นหลายเท่าตัวของฮีเลียม-3 จึงจำเป็นที่จะต้องมีการผลิตคิดค้นหัววัดนิวตรอนชนิดอื่นที่ปราศจากฮีเลียม-3 หรือไม่ใช้ ฮีเลียม-3 เป็นส่วนประกอบหลักในการตรวจวัด

ผศ.ดร.เกียรติศักดิ์ แสนบุญเรือง จากภาควิชารังสีประยุกต์และไอโซโทป คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ และศ.ดร.ถิรพัฒน์ วิลัยทอง จากศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ จึงได้ทำการศึกษาความเป็นไปได้ในการนำหัววัดอนุภาคทางรังสี (Gas Electron Multiplier ; GEM) มาประยุกต์ใช้ในการวัดอนุภาคนิวตรอนแทนการใช้หัววัดชนิดเดิมที่ใช้ ฮีเลียม-3 เป็นองค์ประกอบหลัก  เพื่อหาวัสดุที่มีราคาถูกว่าฮีเลียม-3 มาใช้เป็นเครื่องมือในการตรวจวัดนิวตรอน

แม้ว่าในอดีต หัววัด GEM จะถูกใช้ในการตรวจวัดอนุภาคทางรังสีที่มีประจุเป็นหลัก แต่ผู้วิจัยได้ทำการดัดแปลง หัววัด GEM ให้สามารถตรวจวัดนิวตรอนซึ่งเป็นอนุภาคที่ไม่มีประจุได้ โดยการใช้ตัวเปลี่ยนนิวตรอนชนิดก๊าซ (Gaseous Neutron Converters) เนื่องจากเห็นว่าการเปลี่ยนตัวเปลี่ยนนิวตรอนจากการใช้แผ่นฟิล์มซึ่งอยู่ในสถานะของแข็ง ให้อยู่ในสถานะก๊าซ จะช่วยเพิ่มโอกาสในการเกิดปฏิกิริยาของตัวเปลี่ยนนิวตรอนกับนิวตรอนได้ โดยเพิ่มระยะทางหรือเปลี่ยนโครงสร้างของหัววัด GEM ให้สามารถบรรจุก๊าซได้มากขึ้นโดยที่ยังคงรักษาไว้ซึ่งคุณสมบัติที่สำคัญของหัววัด GEM ไว้ นอกจากนี้ การใช้ก๊าซเป็นตัวเปลี่ยนนิวตรอน จะช่วยลดข้อจำกัดเรื่องระยะทางที่ต้องให้เกิดการเปลี่ยนนิวตรอนขึ้น เนื่องจากระยะทางที่อนุภาคแอลฟาหรือโปรตอนสามารถเคลื่อนที่ได้ในก๊าซจะเพิ่มขึ้นมากกว่าการใช้แผ่นฟิล์ม และการใช้ตัวเปลี่ยนนิวตรอนในสถานะก๊าซยังทำให้สามารถเกิดการเปลี่ยนนิวตรอนได้ในขั้นตอนของการขยายสัญญาณ (Amplification Stage) ซึ่งโดยปกติ การใช้ตัวเปลี่ยนนิวตรอนในสถานะของแข็ง การเปลี่ยนนิวตรอนจะถูกจำกัดให้อยู่แค่ในช่วงดริฟท์ (Drift Region) จึงได้ทำการวิจัยโดยการเปลี่ยนตัวเปลี่ยนนิวตรอนประเภทก๊าซ ให้มีความหลากหลาย โดยใช้ก๊าซชนิดต่างๆและที่อัตราส่วนต่างๆ เพื่อให้สามารถนำมาเปรียบเทียบและเลือกใช้ชนิดของตัวเปลี่ยนนิวตรอนประเภทก๊าซให้เกิดความเหมาะสมกับงานวิจัยอื่นๆ ด้วย นอกจากนั้นยังถือเป็นการริเริ่มงานวิจัยชนิดใหม่เพื่อสร้างเครื่องมือหัววัดนิวตรอนที่มีประสิทธิภาพที่ดีกว่าการใช้แผ่นฟิล์มเป็นตัวเปลี่ยนนิวตรอน และเป็นหัววัดที่ไม่ใช้ฮีเลี่ยม-3 ที่มีราคาแพง

ในการวิจัยครั้งนี้ได้ทำการศึกษาตัวเปลี่ยนนิวตรอนชนิดก๊าซ 3 ชนิด คือ ก๊าซผสมระหว่างฮีเลียม/คาร์บอนไดออกไซด์ (He/CO2) และก๊าซผสมระหว่างไอโซบิวเทน/ฮีเลียม/คาร์บอนไดออกไซด์ (C4H10/He/CO2) ในอัตราส่วนต่างๆ  ทำการศึกษาหาอัตราส่วนผสมของก๊าซทั้งสามชนิดที่เหมาะสม ศึกษาเปรียบเทียบถึงความสามารถในการนับวัดและขนาดของสัญญาณของก๊าซผสมทั้งสามชนิด ศึกษาถึงคุณสมบัติการวัดที่เปลี่ยนไปเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงระยะห่างระหว่างแผ่นดริฟท์ (Drift cathode) และแผ่น GEM (GEM foil)

ซึ่งผลการวิจัยพบว่าหัววัด GEM ที่มีการใช้ตัวเปลี่ยนนิวตรอนชนิดก๊าซทั้งสามชนิด สามารถทำการตรวจวัดนิวตรอนพลังงานสูง (Fast neutrons) ได้ โดยค่านับวัดและขนาดสัญญาณมีค่าสูงขึ้นเมื่อความต่างศักย์ไฟฟ้าที่ให้กับหัววัดมีค่าสูงขึ้น โดยก๊าซผสม He/CO2 อัตราส่วน 80:20 มีค่านับวัดและขนาดสัญญาณที่สูงกว่าก๊าซผสมชนิดอื่นๆ แต่ทั้งนี้ พบว่าก๊าซผสม He/CO2 อัตราส่วน 80:20 มีขนาดของสัญญาณพื้นหลัง (Background) ที่สูงกว่าก๊าซผสมชนิดอื่นๆ ประมาณ 20% ในขณะที่เมื่อมีการเปลี่ยนระยะห่างระหว่างแผ่นดริฟท์ (Drift cathode) และแผ่น GEM (GEM foil) พบว่าที่ระยะห่าง 5 มม. มีค่านับวัดและขนาดสัญญาณที่สูงกว่าระยะห่าง 3 มม.

เทคโนโลยีใหม่ของหัววัดนิวตรอน GEM ที่ไม่ใช้ฮีเลี่ยม 3 ที่มีราคาแพง โดยดัดแปลงใช้ตัวเปลี่ยนนิวตรอนประเภทก๊าซ ชนิดต่างๆและที่อัตราส่วนผสมต่างๆ ที่เหมาะสม นับเป็นองค์ความรู้ต่อการพัฒนาต่อยอดงานวิจัยอื่นๆที่ต้องอาศัยการตรวจวัดอนุภาคนิตรอน  รวมทั้งเป็นประโยชน์ต่อการประดิษฐ์เครื่องตรวจวัดวัสดุที่สามารถนำมาทำอาวุธนิวเคลียร์ และเครื่องมือทางการแพทย์ต่อไป

ขอขอบคุณที่ท่านเข้ามาอ่านบทความวิจัยนี้ และขอความกรุณาสละเวลาตอบแบบสอบถามการให้บริการข้อมูล เพื่อการปรับปรุงต่อไปด้วย จะขอบคุณยิ่ง  

คลิกที่นี่เพื่อตอบแบบสอบถาม—> https://goo.gl/forms/hcBXc1080pJmdUmF3

ผศ.ดร.เกียรติศักดิ์ แสนบุญเรือง

ที่มาข้อมูล :      โครงการวิจัยทุนอุดหนุนวิจัย มก. ผศ.ดร.เกียรติศักดิ์ แสนบุญเรือง ภาควิชารังสีประยุกต์และไอโซโทป คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ เรียบเรียง/สื่อเผยแพร่ :   วันเพ็ญ นภาทิวาอำนวย ฝ่ายเผยแพร่งานวิจัย สถาบันวิจัยและพัฒนาแห่ง มก. โทร. 02 561 1474 e-mail : rdiwan@ku.ac.th