Σεμινάριο Φυσικής

Πανδιάς Δημήτριος-Φίλιππος

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.

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.

Περιεκτικότητα /αναλογία

H C N O Cl C/O C/N Cl/O

ΕκρηκτικάΧαμηλή-μεσαία

Μεσαία Υψηλή Πολύ υψηλήΜεσαία-καθόλου

Χαμηλή <1

Χαμηλή <1

Χαμηλή-μεσαία

Ναρκωτικά Υψηλή Υψηλή Χαμηλή Χαμηλή Μεσαία Υψηλή

>3Υψηλή Πολύ υψηλή

ΠλαστικάΜεσαία-υψηλή

Υψηλή Υψηλή προς

χαμηλήΜεσαία

Μεσαία-καθόλου

Μεσαία Πολύ υψηλή -

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

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.

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.

Χρησιμοποιούμε μία γεννήτρια παλμών νετρονίων που αξιοποιεί την αντίδραση δευτερίου-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.

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 αυτήν την εφαρμογή χρησιμοποιούμε συχνότητα 10kHz.

Χρόνος 10μs 90μs καθυστερημέναΑντιδράσεις (n,n’γ),(n,pγ) (n,γ) (n,α),(n,p)Στοιχεία C,O H,S,Cl,Fe,N… O,Al,Si

Χρόνος (μs)

# n

PELANPulsed ELemental Analysis with Neutrons

- Από τη συσκευή PELANπου 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.

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.

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.

Προστασία του ανιχνευτήΟ 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.

Προστασία του ανιχνευτήΥπάρχει 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.

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.

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.

O δεύτερος ανιχνευτής ονομάζεται VETO detector. Στην παρακάτω φωτογραφία απεικονίζεται ο κύριος ανιχνευτής περιτριγυρισμένος από τον VETO detector.

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.

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.

C (cps) O (cps) H (cps) Si (cps) Fe (cps)

Μόνο χώμα 0,6 -0,4 -0,4 1,4 0,3

PMN-1 4,5 1,0 5,5 -2,6 Πολύ χαμηλή

TS-50 2,5 0,8 1,8 -2,0 Πολύ χαμηλή

Ξύλο 2,6 0,5 4,5 -4,5 Πολύ χαμηλή

Οβίδα όλμου 0,8 -0,5 -0,9 -3,9 1,8

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.

Εκρηκτικό

Θεωρητικά αναμενόμενος λόγος

Πειραματικά αναμενόμενος λόγος (πειραματικό

σφάλμα)

C/O N/O C/O N/O

C-4 0,71 1,00 0,74 (0,03) 1,00 (0,10)

TNT 1,20 0,50 1,11 (0,07) 0,50 (0,20)

RDX 0,53 1,00 0,56 (0,02) 1,20 (0,10)

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.

Πλαστικό κιβώτιο

5>N/O>=0,2 1,4>=Ν/Ο>=;

Ασφαλές

2>=C/O>=0,1Σίγουρα απειλή

Ασφαλές

Πιθανή απειλή

Σίγουρα απειλή

Με μπλε βέλη θετική απάντησηΜε κόκκινα βέλη αρνητική απάντηση

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

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

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

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