Neutronisäteilyä lähettävien aineiden havaitseminen ja tunnistaminen

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Neutronisäteilyä lähettävien aineiden havaitseminen ja tunnistaminen"

Auvo Väänänen
7 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Neutronisäteilyä lähettävien aineiden havaitseminen ja tunnistaminen Harri Toivonen, Kari Peräjärvi, Ari-Pekka Sihvonen, Philip Holm, Teemu Siiskonen MATINEn myöntämä rahoitus projektille MATINE TUTKIMUSSEMINAARI

2 Sisältö Johdanto - periaate Setup Simulaaatiot Mittaukset Johtopäätökset

3 JOHDANTO Rajavalvonnassa meneillään laaja STUKin ja Tullin yhteinen RADARprojekti (10 M ); tarvitaan suuri määrä neutroni-ilmaisimia. On kehitettävä uudenlaisia ilmaisimia: maailmanlaajuinen He-3 pula ydinasetuotannon loppumisen takia; US DHS ostaa kaiken materiaalin. STUK aloitti esitutkimukset 2008 ja sai MATINE-rahoituksen Tarkoituksena on kehittää olemassa oleviin NaI-gammaspektrometreihin neutroni-ilmaisukyky. NaI ilmaisimet ovat laajassa käytössä ja ne ovat halpoja.

4 Periaate neutronien epäelastinen sironta (tai kaappaus) 1. Neutronit osuvat väliaineeseen. ja virittävät ytimet suurille energiatiloille. 2. Energiatilat laukeavat heti lähettämällä kovaa gammasäteilyä: 3 8 MeV. 3. NaI-ilmaisin on erityisen hyvä neutronien havainnointiin, koska natriumilla ja jodilla on suuri vaikutusala neutroneille.

5 1. Gamma rays emitted directly by the neutron source n γ n n γ γ γ n γ 2. Neutron-capture gamma rays from the source shield 3. Neutron-capture gamma rays from the detector 4. Neutron-capture gamma rays from the converter 5. Neutron-capture gamma rays from the environment

6 Energia-alue MeV sopii neutronimittauksiin erittäin hyvin 2614 kev, 208 Tl

7 Setup Ilmaisimen ympärille suunnitellaan moderaattori/konvertteri ( booster ). Ilmaisimen etuosa jätetään vapaaksi tavanomaista spektrometriaa varten.

8 5 x4 NaI ilmaisin moderoituna parafiinilla ( 5 cm) 4 x4 x16 NaI portttimonitori moderoituna polyetetyleenillä (20 cm PE)

9 Kokeet Lähteet: Cf spontaani fissio AmBe - (α,n)-reaktio Spektrometriset mittaukset (3.5-8 MeV) Ilmaisinta ympäröivien materiaalien testaukset - Etsitään optimaalinen moderaattori ja konvertteri Moderaattori: Nopeat neutronit hidastetaan epitermisiksi tai termisiksi, jotta reaktiotodennäköisyys saadaan suureksi: (H,C), muovia Konvertteri: Materiaalia, jossa tapahtuu paljon (n,γ) -reaktioita

10 GEANT4 simulations Monte Carlo simulations with GEANT4* The aim of the simulations was to test several converters and geometries and track the origin of the detected signal The simulations agreed well with the measurements, gave insight to the reactions and told us where the neutron is captured. *Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 506 (2003) IEEE Transactions on Nuclear Science 53 No. 1 (2006)

11 GEANT4 simulations The geometry was modeled with ad hoc assumptions of what would be the most important parts The yellow dots indicate neutron capture reactions

12 Moderator simulations The density and overall amount of the moderator is the key factor for increasing the sensitivity. Major part of the counts in the region of interest are from the detector itself. Measurement

13 Moderaattori 1. Moderaattori parantaa havaitsemisherkkyyttä merkittävästi. 2. Suurentunut pulssitaajuus johtuu (n, γ)-reaktioista ilmaisimen sisällä. 3. Vety on absorbaattori; niinpä konvertterin paksuudella on jokin optimi.

14 Moderator measurements 1,8 4 x4 x16 NaI portal monitor surrounded by polyethylene, 4.15MBq 1,6 1,4 normalized count rate 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Shield thickness [cm]

15 Konvertterimittaukset Konvertterilla oli hyvin vähän merkitystä, silloin kun moderaattoria käytettiin pieniä määriä Konvertteri parantaa mittausherkkyyttä selvästi suuressa geometriassa, jossa on myös moderaattori.

16 Converter measurements 3 4 x4 x16 NaI portal monitor surrounded by moderator/converter shields, 4.15MBq 2,5 Normalized count rate 2 1,5 1 PE PVC/PE sandwich 0, Shield thickness [cm]

17 Comparison with a He-3 tube, Cf-252@2m Active cross sectional area Sensitivity= count rate/nominal neutron flux He-3 tube 399 cm2 413 cm2 235 cm2 174 cm2 Intrinsic efficiency * 59% 42% Signal to noise ratio 561 ~80 Characterization of sources No * Calculated with active cross sectional area NaI portal monitor (best results) so far) Yes

18 NaI spektrejä AmBe-lähteestä (tunnistus mahdollista) 9 Be(α,n+γ) 12 C Na & I peaks Fe peak

19 NaI-spektrejä californium-252 -lähteestä

20 NaI-ilmaisimen aktivoituminen neutronivuossa 23 N(n,γ) 24 Na, T ½ = 15 h)

21 Johtopäätökset NaI-ilmaisin sopii hyvin turvallisuussovelluksiin (security), erityisesti rajavalvontaan ja erikoistilanteiden hallintaan. Lisäkustannukset ovat minimaalisia; säästöt valtakunnan tasolla >> 1 M verrattuna erillisten neutroni-ilmaisimien hankintaan. NaI-ilmaisin säilyttää paljon paremmin herkkyytensä kuin 3 Heilmaisin peittävissä skenaarioissa (ydinmateriaalin vuoraus neutroniabsorbaattorilla). Tulokset erittäin rohkaisevia. Tutkimus avaa mahdollisuuden erottaa termisten neutronien vaste muista neutronireaktioista.

22 THE END This project was supported by the Scientific Advisory Board for Defence H.To ivon en

Samankaltaiset tiedostot

CBRNE-aineiden havaitseminen neutroniherätteen avulla

CBRNE-aineiden havaitseminen neutroniherätteen avulla 18.11.2015 Harri Toivonen, projektin johtaja* Kari Peräjärvi, projektipäällikkö Philip Holm, tutkija Ari Leppänen, tutkija Jussi Huikari, tutkija Hanke