بخشی از مقاله
چکیده
فعالسازي نوترونی و آشکارسازي گاماهاي مشخصه خارج شده از هدف میتواند به عنوان روشی براي پی بردن به محتواي اهداف ناشناخته مورد استفاده قرار گیرد. این مقاله به دنبال پیدا کردن چیدمان بهینه آشکارسازهاي گاما در سامانه بازرسی کانتینرهاي دریایی به وسیله نوترون میباشد. با توجه به اینکه میزان گاماهاي مشخصه دریافت شده در هر آشکارساز باید بهینه گردد، مکان هر آشکارساز بر اساس میزان نسبت گاماهاي مشخصه به نویز - زمینه - تعیین خواهد شد.
شبیه سازیهاي مختلفی در کد MCNP-4C انجام گرفت تا در چیدمانهاي مختلف آشکارسازها میزان کارایی سامانه بازرسی معیین گردد. در انتها مشخص گردید چیدمان آشکارسازها به صورت معنیداري کارایی سامانه را تحت تاثیر قرار می دهد. از آنجایی که باید توانایی سامانه بازرسی در تشخیص اهداف داراي مواد منفجره و اهداف عادي مورد بررسی قرار گیرد، روش اسکن تابش بر پایه نشان استفاده گردید و نشان داد که این سامانه داراي قدرت تشخیص و حساسیت قابل قبول می باشد.
-1 مقدمه
در سالهاي اخیر آشکارسازي و شناسایی مواد خطرناك به یکی از مسائل مهم تبدیل شده است. در دهه اخیر بسیاري از تلافات رخداده به خاطر تروریست بوده است. بغیر از عواقب امنیتی و تلافت انسانی وقوع حملات تروریستی داراي عواقب اقتصادي نیز هست. - Ezcurra and Palacios, 2016 - . متاسفانه تروریسم و عبور و مرور قرص هاي غیر مجاز یک مسئله جدي در قرن 21 است. به همین دلیل در سالهاي اخیر آشکارسازي و شناسایی مواد خطرناك به یکی از مسائل مهم تبدیل شده است.
در بین روشهاي مورد استفاده براي آشکارسازي غیرمخرب مواد منفجره جاي خاصی براي روشهاي فیزیک هستهاي و نوترون وجود دارد. در 20 سال اخیر استفاده از نوترون به منظور بازرسی و شناسایی مواد منفجره مطرح گردیده است . - Brown et al., 2016 - اساس این روش بر این حقیقت استوار است که نوترونهاي پراکنده شده از هستهها اطلاعاتی را از هسته به همراه خود دارند. با آشکارسازي نوترونهاي پراکنده شده - الاستیک-غیر الاستیک - و اشعه گاماي خارج شده از سیستم که ناشی از فعالسازي نوترونی هستههاي هدف است میتوان به مقدار و حتی مکان این هستهها پی برد. مهمترین مزیت این روش نفوذ بالاي نوترون میباشد و میتواند مواد منفجره را که داراي عناصر هیدروژن، کربن، نیتروژن و اکسیژن در ترکیبات خود هستند، حتی اگر در عمق بالایی وجود داشته باشند شناسایی نماید.
به طور کلی به سه صورت نوترون مورد استفاده قرار میگیرد. یک روش فعالسازي هسته هدف با استفاده از نوترون حرارتی میباشد. در این پروسه نوترون در هسته هدف جذب شده و آنرا به یک هسته ناپایدار تبدیل میکند و هسته هدف بعد از تبدیل به هسته مرکب یک گاماي مشخصه ساطع میکند. به طور مثال براي آشکارسازي هسته نیتروژن به اندازگیري اشعه گاما با انرژي 10.829 MeV پرداخته میشود که از واکنش 14N - n,γ - 15N ناشی میشود .
این روش داراي این مزیت میباشد که گاما در حدود 11MeV در تابش زمینه وجود ندارد. روش دیگر بر اساس پراکندگی غیرالاستیک نوترون سریع از هسته هدف میباشد . - Gierlik et al. , 2016 - نوترون بعد از برخورد با هسته هدف انرژي خود را به نوکلئونهاي آن منتقل کرده و آنرا به تراز تحریکی می برد. بعد از بازگشت نوکلئون تحریک شده به تراز پایین یک فوتون مشخصه گسیل میشود - . - Sudac et al., 2008 مهمترین این فوتونها شامل فوتون 4.43 و 7.65 براي 12C، 6.13MeV و 6.91 و 7.1 براي 16O و فوتونهاي 3.67,2.52 و 5.11 براي 14N میباشند . - Buffler, 2004 -
با استفاده از محاسبه نسبت وجود عناصر کربن، نیتروژن و اکسیژن با استفاده از اندازگیري شدت گاماي ناشی از فعالسازي نوترونی، میتوان به وجود مواد غیر مجاز پیبرد . - Reijonen, 2007 - به منظور تولید نوترون از چشمههاي متنوعی مانند 252Cf، Pu-Be و Am-Be یا تولیدکنندههاي D-D یا D-T استفاده میگردد. تولیدکنندههاي نوترون بر اساس اندرکنشهاي همجوشی که در معادلات شماره 1 و2 آورده شده است نوترون تولید مینماید.
در مورد آشکارسازهاي نوترون و فوتون نیز تنوع بسیاري وجود دارد که قابلیت کاربرد در آشکارسازي مواد منفجره را دارا میباشد. آشکارسازهاي گامایی که میوانند مورد استفاده قرار گیرند شامل اکسید بیسموت-جرمانیوم BGO - - ، NaI و سوسوزن لانتانیوم برماید و همچنین HPGe میباشد - Whetstone & Kearfott, . - 2014 نوترون گسیل شده از منبع نوترون به اهداف نفوذ کرده و موجب وقوع اندرکنشهاي متفاوتی در هدف می-شود.
براي بررسی دقیق اینکه در مسیر حرکت نوترون چه اتفاقاتی رخ می دهد باید معادلات پخش را حل نمود. حل معادلات پخش جز در برخی موارد ساده امکانپذیر نیست. پس براي بدست آوردن شار نوترون که وابسته به انرژي نوترون در هر مکان است باید معادلات پیچیده پخش را با استفاده از روشهاي شبیه سازي حل نمود. یکی از مرسوم ترین روشهاي شبیه سازي روش مونت کارلو می باشد. در این روش تمامی معادلات حاکم بر سیستم به صورت احتمالی حل می شود.
با توجه به طبیعت کاتوره اي برهمکنشهاي هسته اي شبیه سازي مونت کارلو نسبت به دیگر انواع روشهاي محاسباتی بسیار واقعیتر میباشد زیرا احتمال هر اندرکنش که در واقعیت به عنوان سطح مقطع از آن یاد میشود و به صورت تجربی قابل حصول و اندازگیري میباشد را میتوان در محاسبات مونت کارلو وارد نمود. در این مقاله از کد محاسباتی MCNP استفاده گردیده است. مبناي محاسبات در این کد روش مونت کارلو می باشد. با تعریف صورت مسئله در این کد شامل هندسه و مواد تشکیل دهنده سامانه مورد بررسی و همچنین تعریف بازه انرژي مد نظر می-توان خروجی مد نظر از کد را بدست آورد.
خروجی کد می تواند جهت و انرژي پرتوهاي خروجی، میزان انرژي جذب شده در هدف باشد. در این مقاله گاماهاي مشخصه خروجی از هدف مورد بررسی قرار گرفتند. بعد از اناجم یک شبیه سازي از سامانه حاوي ماده منفجره طیف گاماي خروجی در کتابخانه به عنوان الگو ذخیره خواهد شد. با تکرار عمل بازرسی براي اهداف ناشناخته طیف خروجی آن که به عنوان نشان نامیده می شود با داده هاي کتابخانه مطابقت داده شده و میزان تطابق نشانگر محتواي کانتینر خواهد بود.
-2 روش تحقیق
-1-2 شبیه سازيهاي مونت کارلو
شبیه سازيهاي مونت کارلو با استفاده از کد مونت کارلو MCNP-4C انجام گرفت. این کد توانایی ترابرد همزمان نوترون، فوتون یا هردوي آنها را به صورت همزمان دارد. در این کد سطح مقطع به صورت پیوسته مورد استفاده قرار میگیرد. در اولین گام باید هندسه سامانه بازرسی را براي کد تعریف نمود. نه گاماي مشخصه باید شبیه سازي گردد که عباتند از: 2.22 براي پراکندگی غیرکشسان نوترون از هسته هیدروژن، 2.31، 4.91، 5.10 و 6.44 براي پراکندگی غیرکشسان نوترون از هسته نیتروژن، 4.43 براي پراکندگی غیرکشسان نوترون از هسته کربن و 6.12 و 6.91 براي پراکندگی غیرکشسان نوترون از هسته اکسیژن و گاماي با انرژي 10.82 براي جذب نوترون حرارتی توسط نیتروژن.
-1-1-2منبع نوترون و حفاظ
اولین قسمتی از سامانه بازرسی که باید شبیه سازي گردد چشمه نوترون و حفاظهاي مربوط به آن می باشد. پارامترهایی مانند اندازه، مکان، طیف نوترون خروجی و جهت نوترونهاي خروجی را می توان در کد تعریف نمود. به منظور تولید نوترون از چشمههاي متنوعی از قبیل 252Cf، Pu-Be و Am-Be یا تولیدکنندههاي D-D یا D-T استفاده میگردد. به منظور رعایت نمودن الزامات ایمنی و همچنین هم جهت نمودن نوترون ها باید از حفاظهاي مناسب استفاده نمود. این حفاظ همچنین از ورود مستقیم نوترون از چشمه به آشکارساز جلوگیري می نماید. در شکل شماره 1 چشمه نوتورن به همراه محافظ مناسب آورده شده است. محافظها به صورت استوانههاي هم محور چشمه نوترون را در بر گرفتهاند. جنس این استوانه ها از استیل و پلی اتیلن میباشد. ضخامت هر کدام از این پوستههاي استوانههاي 5cm میباشد.
