ΠυρηνιΚΕς μΕθοδοι στην ανΙχνευση εκρηκτικΩν ουσιΩν

1. ΠυρηνιΚΕςμΕθοδοι στην ανΙχνευσηεκρηκτικΩνουσιΩν Σεμινάριο Φυσικής Πανδιάς Δημήτριος-Φίλιππος

2. Εισαγωγή • Όλοι οι πόλεμοι των περασμένων ετών έχουν αφήσει τα υπολείμματά τους διάσπαρτα σε ολόκληρο τον κόσμο: ναρκοπέδια που δεν έχουν καθαριστεί, θραύσματα οβίδων που είναι ακόμα επικίνδυνα και άλλα. • Η μέθοδος που θα περιγράψω είναι η μέθοδος της νετρονικής ενεργοποίησης PFTNA (Pulsed Fast/Thermal Neutron Analysis). Σε αυτήν την μέθοδο χρησιμοποιούνται νετρόνια για τον καθορισμό της σύστασης του προς ανίχνευση αντικειμένου και του καθορισμού της επικινδυνότητάς του. Αυτή η μέθοδος δεν χρησιμοποιείται μόνο για την ανίχνευση εκρηκτικών, αλλά και για την ανίχνευση ναρκωτικών ουσιών.

3. Εισαγωγή Η μέθοδος PFTNA χρησιμοποιείται για ανίχνευση πολλών ουσιών. Για τον προσδιορισμό των ουσιών αυτών μετράται η αναλογία των χημικών στοιχείων που περιέχει το άγνωστο αντικείμενο, μία αναλογία που είναι μοναδική για το κάθε υλικό.

4. Που στηρίζεται η μέθοδος PFTNA; Κάθε πυρήνας στοιχείου, όταν διεγείρεται (και αποδιεγείρεται) εκπέμπει μία χαρακτηριστική ακτίνα γ. Υπάρχουν δύο αντιδράσεις με νετρόνια που διεγείρουν πυρήνες με αποτέλεσμα την εκπομπή χαρακτηριστικών ακτίνων γ: • Σύλληψη νετρονίου από πυρήνα • Σκέδαση νετρονίου από πυρήνα

5. Σύλληψη νετρονίου από πυρήνα Ένα αργό νετρόνιο προσκρούει σε έναν πυρήνα με αποτέλεσμα την απορρόφησή του από αυτόν και εκπομπή μία ακτίνας γ. Το νετρόνιο πρέπει να έχει ενέργεια της τάξης των 0,025eV.

6. Σκέδαση νετρονίου από πυρήνα Ένα γρήγορο νετρόνιο προσκρούει σε έναν πυρήνα και σκεδάζεται από αυτόν, και έχουμε εκπομπή, από τον διεγερμένο πυρήνα, μίας ακτίνας γ. Η ενέργεια του νετρονίου πρέπει να είναι της τάξεως των μερικών MeV.

7. Πώς παράγουμε νετρόνια με ενέργειες 0,025eV και μερικά MeV; Χρησιμοποιούμε μία γεννήτρια παλμών νετρονίων που αξιοποιεί την αντίδραση δευτερίου-τριτίου.

8. Η αντίδραση δευτερίου και τριτίου d + t -> 4He + n + 17,6 MeV Από αυτήν την αντίδραση παράγονται νετρόνια με ενέργεια ~14MeV. Η αντίδραση αυτή γίνεται μόνο όταν δίνουμε στην γεννήτρια τάση από το αντίστοιχο τροφοδοτικό. Τα γρήγορα νετρόνια που βγαίνουν από την γεννήτρια κάνουν αντιδράσεις σκέδασης, και αφού αυτά χάσουν ενέργεια, γίνονται αργά νετρόνια και κάνουν αντιδράσεις σύλληψης.

9. Γεννήτρια παλμών νετρονίων Μέσω ηλεκτρικής εκκένωσης παράγεται πλάσμα, το οποίο αποτελείται από 50% δευτέριο και 50% τρίτιο. Τα ιόντα αυτά στη συνέχεια προσκρούουν σε ένα στόχο με τιτάνιο που έχει εμπλουτιστεί με τρίτιο. Πάνω στον στόχο γίνεται η πιο πάνω αντίδραση και έχουμε την δημιουργία των νετρονίων. Αυξομειώνοντας την συχνότητας της ηλεκτρικής εκκένωσης, αυξομειώνουμε και την συχνότητα παραγωγής των νετρονίων. Σε αυτήντην εφαρμογή χρησιμοποιούμε συχνότητα 10kHz.

10. Γεννήτρια παλμών νετρονίων # n Χρόνος 10μs90μs καθυστερημένα Αντιδράσεις (n,n’γ),(n,pγ) (n,γ) (n,α),(n,p) Στοιχεία C,OH,S,Cl,Fe,N…O,Al,Si Χρόνος (μs)

11. Εφαρμογή της μεθόδου PFTNA PELAN Pulsed ELemental Analysis with Neutrons

12. PELANΑπό τι αποτελείται; • Από τη συσκευή PELAN που έχει - την γεννήτρια των νετρονίων - τoν ανιχνευτή Βισμουθίου-Γερμανίου (BGO) - την απαραίτητη θωράκιση • Από έναν υπολογιστή τσέπης • Από το τροφοδοτικό Η συσκευή PELAN ζυγίζει περίπου 15Kg, ενώ όλο το σύστημα ζυγίζει 45Kg.

13. Ανιχνευτής Βισμουθίου-Γερμανίου (BGO) Ο ανιχνευτής Γερμανίου είναι ένας πολύ ευαίσθητος ανιχνευτής ακτίνων γ. Επηρεάζεται από αλλαγές στην θερμοκρασία. Χαρακτηριστικά η απόδοσή του μειώνεται 1% για κάθε 1 βαθμό κελσίου σε θερμοκρασία δωματίου. Όταν το ενεργό υλικό αυτού του ανιχνευτή (κρύσταλλος Bi4Ge3O12) δεχτεί μία ακτίνα γ, εκπέμπει φωτόνια με μήκος κύματος 375-650 nm. Τα φωτόνια αυτά ανιχνεύονται με τη σειρά τους από έναν φωτοανιχνευτή (αφού περάσουν από φωτοπολλαπλασιάστες).Παράγει περίπου 8500 φωτόνια/MeV, έχει υψηλή απόδοση ανίχνευσης, πολύ καλή διακριτική ικανότητα μεταξύ 5-20MeV, που είναι περίπου και το εύρος που χρειαζόμαστε για αυτήν την εφαρμογή, καθώς όλες οι αντιδράσεις που χρησιμοποιούμε παράγουν ακτίνες γ μερικών MeV.

14. Ανιχνευτής Βισμουθίου-Γερμανίου(BGO) Τα δεδομένα που λαμβάνει ο ανιχνευτής δεν αφορούν όλα το προς μέτρηση αντικείμενο. Συνήθως μόνο ένα ποσοστό από τα δεδομένα που λαμβάνει ο ανιχνευτής μας αφορούν. Τα υπόλοιπα είναι θόρυβος που προκαλείται κυρίως από την γεννήτρια νετρονίων (τα νετρόνια αντιδρούν με τα τοιχώματα της γεννήτριας και παράγουν ακτίνες γ), αλλά και από το υπέδαφος στο σημείο στο οποίο πραγματοποιείται η μέτρηση. Για να αποφύγουμε τα λανθασμένα αποτελέσματα απαιτείται προστασία του ανιχνευτή.

15. Ανιχνευτής Βισμουθίου-Γερμανίου(BGO) Προστασία του ανιχνευτή Ο πιο συνηθισμένος τρόπος για προστασία του ανιχνευτή είναι η θωράκισή του με κάποιο βαρύ μέταλλο, όπως ο μόλυβδος. Όμως προκύπτουν δύο βασικά προβλήματα από αυτήν την μέθοδο: • Η θωράκιση με μέταλλο αυξάνει το βάρος της συσκευής, καθιστώντας δύσκολη την μεταφορά της. • Μέταλλα όπως ο μόλυβδος προκαλούν και αυτά θόρυβο.

16. Ανιχνευτής Βισμουθίου-Γερμανίου(BGO) Προστασία του ανιχνευτή Υπάρχει και η μέθοδος του ενεργού φιλτραρίσματος για την αποτελεσματικότερη λήψη δεδομένων. Αυτή η μέθοδος στηρίζεται σε έναν δεύτερο ανιχνευτή που βρίσκεται γύρω από τον βασικό ανιχνευτή Βισμουθίου-Γερμανίου. Οι ενεργότερες ακτίνες γ που περνάνε από τον πρώτο ανιχνευτή, ανιχνεύονται από τον δεύτερο. Στη συνέχεια οι μετρήσεις που παίρνει ο δεύτερος ανιχνευτής δεν λαμβάνονται υπόψη στις συνολικές μετρήσεις του συστήματος. Οι ακτίνες αυτές είναι κυρίως ακτίνες γ από Ο και Η και δεν λαμβάνονται υπόψη καθώς αυτά τα δύο στοιχεία υπάρχουν σε αφθονία στον αέρα ανάμεσα στον ανιχνευτή και το προς ανίχνευση αντικείμενο.

17. Ανιχνευτής Βισμουθίου-Γερμανίου(BGO)Προστασία του ανιχνευτή Στο σχήμα Α έχουμε μόνο τον ανιχνευτή Βισμουθίου-Γερμανίου. Παρατηρούμε ότι κάποιες ακτίνες γ έχουν αρκετή ενέργεια για βγουν μετά από την ανίχνευσή τους έξω από τον ανιχνευτή. Στο σχήμα Β γύρω από ανιχνευτή Βισμουθίου-Γερμανίου, έχει τοποθετηθεί και ο δεύτερος ανιχνευτής, που ανιχνεύει μόνο τις ακτίνες γ που έχουν αρκετή ενέργεια για να περάσουν τον πρώτο ανιχνευτή.

18. Ανιχνευτής Βισμουθίου-Γερμανίου(BGO)Προστασία του ανιχνευτή Η λεπτή καμπύλη αφορά την μέτρηση μόνο με τον ανιχνευτή Βισμουθίου-Γερμανίου. Η πιο χοντρή καμπύλη αφορά την μέτρηση που έγινε με την μέθοδο του ενεργού φιλτραρίσματος. Παρατηρούμε ότι στην δεύτερη μέτρηση, οι κορυφές φαίνονται πιο καθαρά, κάνοντας πιο εύκολη την ταυτοποίηση το στοιχείου.

19. Ανιχνευτής Βισμουθίου-Γερμανίου(BGO) Προστασία του ανιχνευτή O δεύτερος ανιχνευτής ονομάζεται VETO detector. Στην παρακάτω φωτογραφία απεικονίζεται ο κύριος ανιχνευτής περιτριγυρισμένος από τον VETO detector.

20. Βαθμονόμηση του συστήματος Το σύστημα πρέπει να βαθμονομηθεί, έτσι ώστε να μπορεί να ξεχωρίζει τα διάφορα εκρηκτικά. Έχουν γίνει πειράματα που δείχνουν την αναλογία των χημικών στοιχείων που έχουν διάφορα εκρηκτικά που βρίσκονται θαμμένα στο έδαφος σε βάθος 2 εκατοστών, που είναι το συνηθισμένο για θραύσματα και νάρκες.

21. Βαθμονόμηση του συστήματος Τα εκρηκτικά που χρησιμοποιήθηκαν για την βαθμονόμηση είναι μία ρωσική νάρκη (PMN-1), μία ιταλική νάρκη (TS-50), ένα κομμάτι ξύλου με διαστάσεις 5cm x10cm x17cm, και μία άδεια οβίδα όλμου. Το κομμάτι ξύλου χρησιμοποιήθηκε για να προσομοιώσει τη δυνατότητα του ανιχνευτή να ξεχωρίζει μεταξύ εκρηκτικών και λοιπών στοιχείων με υψηλή περιεκτικότητα σε C. Η άδεια οβίδα προσομοιάζει τα θραύσματα πολέμου που μπορεί να υπάρχουν διάσπαρτα σε ολόκληρο τον κόσμο. Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται οι μετρήσεις.

22. Βαθμονόμηση του ανιχνευτή Υπάρχουν και θεωρητικές προβλέψεις για τις αναλογίες των διαφόρων χημικών στοιχείων που υπάρχουν σε κάθε εκρηκτικό. Στο παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται οι θεωρητικές προβλέψεις σε αντιπαράθεση με τις πειραματικά μετρήσιμες.

23. Υπολογιστής τσέπης

24. Υπολογιστής τσέπης Ο υπολογιστής τσέπης χρησιμοποιεί ένα δέντρο επιλογών για να αποφανθεί εάν το προς μελέτη αντικείμενο είναι επικίνδυνο ή όχι. Το δέντρο αυτό βασίζεται στα παραπάνω δεδομένα. 5>N/O>=0,2 1,4>=Ν/Ο>=; Πιθανή απειλή Πλαστικό κιβώτιο Ασφαλές Σίγουρα απειλή Σίγουρα απειλή 2>=C/O>=0,1 Με μπλε βέλη θετική απάντηση Με κόκκινα βέλη αρνητική απάντηση Ασφαλές

25. Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα του συστήματος PELAN Πλεονεκτηματα μειονεκτηματα • Γρήγορα και ασφαλή αποτελέσματα • Μη καταστροφικός έλεγχος • Χαμηλό κόστος χρήσης, περίπου 3 με 30 $ η νάρκη. • Ευκολία στην χρήση • Μικρό βάρος της συσκευής • Δεν χρησιμοποιεί ενεργές πηγές, άρα δεν εκπέμπει νετρόνια, εάν δεν του εφαρμοστεί τάση • Μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε σχετικά μεγάλη απόσταση από τον στόχο, περίπου 15 μέτρα • Χρειάζεται υψηλή τάση (100kV) • Υψηλό κόστος κατασκευής • Σχετικά μεγάλο βάρος του τροφοδοτικού της πηγής, που σημαίνει πρόβλημα στην μεταφορά όλης της συσκευής • Χρειάζεται θερμική μόνωση του ανιχνευτή Βισμουθίου-Γερμανίου

26. Εφαρμογές της μεθόδου Ανίχνευση εκρηκτικών σε οχήματα, πχ σε τελωνεία. Το ύψος της συσκευής προσαρμόζεται για μπορεί να ανιχνεύει σε οποιοδήποτε τύπο οχήματος.

27. Εφαρμογές της μεθόδου Πιο μικρή συσκευή για ανίχνευση σε κοντέινερ. Μεταφέρεται με περονοφόρο όχημα στο σημείο της ανίχνευσης και μπορεί να το χειριστή οποιοσδήποτε.

28. Βιβλιογραφία • Current status of the PELAN explosives detection system, των Phillip C. Womble, George Vourvopoulos, Ivan Novikov, Jon Pascal • Pulsed Fast/Thermal Neutron Analysis: A Technique for Explosives Detection των Phillip C. Womble, George Vourvopoulos • Advances in neutron based bulk explosive detection των Tsahi Gozami, Dan Strellis • Google • Wikipedia