Modeling and design of a buried explosive detector based on neutron scattering
Nötron saçılması temelli bir gömülü patlayıcı dedektörünün modellenmesi ve tasarımı
- Tez No: 516561
- Danışmanlar: PROF. DR. CENAP ŞAHABETTİN ÖZBEN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fizik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 134
Özet
Bu çalışmanın amacı nötron saçılması temelli bir gömülü patlayıcı dedektörünün tasarımı ve geliştirilmesidir. Son yıllarda yüksek miktarda patlayıcıların yol kenarlarına gömülmesi ile yapılan saldırıların arttığı gözlenmiştir. Genellikle araştırma safhasında kalan nötron saçılması temelli yöntemler, yüksek miktarda patlayıcı kullanımlarında patlayıcı tespitinin daha verimli çalışabilmesine olanak sağlayabilir. Bu çalışmada gömülü patlayıcı dedektörünün tasarımı ve optimizasyonu Monte Carlo metotları kullanılarak yapılmıştır. Ayrıca fizik simülasyonları için Geant4 fizik simülasyonu paketi kullanılmıştır. Patlayıcıların tespiti için bu tezde izlenilen ana metot, patlayıcı içindeki hidrojenin iz elementi olarak kullanılmasıdır. Patlayıcıdan saçılan ve termalize olmuş nötronların dedektörde tespit edilmesi amaçlanmıştır. Nötron kaynağı olarak ise piyasada döteryum - trityum veya döteryum - döteryum nötron jeneratörleri olarak geçen ticari bir nötron jeneratörünün kullanılması hedeflenmiştir. Bu çalışma için simülasyonu yapılan döteryum - trityum nötron jeneratörleri 14 MeV nötron enerjisi ve 10 8 n/s üretim hızı sağlayabilmektedir. Bu da hızlı deteksiyon ve toprak içinde derin tarama demektir. Nötron jeneratörü ve toprak gama ardalanı yaratacağından, dedektör elektroniğinin korunması amaçlı gama soğurucu bir malzemeye dedektör sisteminde yer verilecektir. Nötronlar toprak altındaki patlayıcıya ulaştıklarında, patlayıcı içindeki hidrojen tarafından termalize edilirler. Bu nötronlar eğer tekrar yüzeye doğru saçılırlarsa uygun bir nötron dedektörü ile tespit edilebilirler. Bu amaçla dedektörde hızlı ölçüm sağlayan ve maliyetleri düşük olan Si-PIN fotodiyotlar kullanılmıştır. Deteksiyon verimini arttırmak için birden fazla fotodiyot birlikte okunarak daha büyük alanlı bir dedektör oluşturulabilir. Fakat tek sorun, Si-PIN fotodiyotların diğer pek çok dedektör gibi nötronlara karşı hassas olmamasıdır. Bu yapı yüklü parçacıklara karşı hassas olduğundan nötron-yüklü parçacık çeviricileri olarak adlandırılan malzemeler Si-PIN fotodiyot üzerine kaplanarak kullanılabilirler. Bu amaç için olası çeviriciler incelenmiş ve 6 LiF, 10 B ve polietilen malzemelerinde karar kılınmıştır. 6 Li ve 10 B izotop oldukları için bulunması daha zor ve pahalıdır. Politetilen ise bir çok plastiğin temel yapısında olan bir malzeme olup daha kolay temin edilebilir. Kaplama kalınlıklarının belirlenmesi için farklı kalınlıklardaki çeviricilerin yüklü parçacık üretme hızları ile üretilen bu parçacıkların çevirici içindeki soğurulma hızlarının birbirlerine yakın olduğu değer tespit edilmiştir. Bu çalışmalarda en uygun parametreler Geant4 simülasyonlarının yardımı ile tayin edilmiştir. Çalışmalarda ilk olarak nötronun toprak içerisinde aldığı yol incelenmiştir. Bunun için Geant4 simülasyonunda yol izleme metodu kullanılmıştır. Bu çalışmalar sonucu nötronun patlayıcıya girdikten sonra ilk 20 cm içerisinde termalize olduğu görülmüş, derinliğe göre nötron enerjisinin profilleri çıkarılmıştır. Kartezyen koordinatlarda nötronların ortalama izleri çizilmiştir. Analizler sonucu termalize olan nötronlar ve sonrasında dedektöre ulaşabilen nötronların enerji spektrumları incelenmiştir. Saf toprak ve toprak içerisinde gömülü patlayıcıların olduğu durumlarda hızlı nötron spektrumlarına bakıldığında göz ile görülebilen bir fark tespit edilmiştir. Patlayıcının hızlı nötronları termalize etmesi nedeniyle toprakta gömülü patlayıcı olduğu durumlarda nötron sayımının düştüğü gözlenmiştir. Saçılan termal nötron spektrumuna bakıldığında ise gömülü patlayıcının olduğu durumlarda daha çok termal nötron olduğu ve bu farkın tespiti uygun bir nötron dedektörü ile mümkün olabileceği sonucuna varılmıştır. Gömülü patlayıcı tespiti için farklı birçok simülasyon hazırlanmıştır ve bu simülasy- onlarda amonyum nitrat bazlı patlayıcılar ile anti tank mayınlarına önem verilmiştir. Simülasyonlarda Si-PIN dedektörde oluşan sinyal; farklı çeviriciler, kütleler, gömü derinlikleri, patlayıcılar ve toprak çeşitleri için belirlenmiştir. dedektörde oluşan sinyal enerjilerini silikonda kaybeden yüklü parçacıklar nedeniyle oluşmaktadır. 6 LiF çevirici kullanıldığında 6 Li(n, α) 3 H reaksiyonu gerçekleşir ve bu reaksiyon sonucu 2.1 MeV enerjisine sahip bir α parçacığı ile 2.7 MeV enerjisine sahip bir triton birbirlerine zıt yönlerde yaratılırlar. Dolayısıyla bu parçacıklardan biri silikon yüzeyine nüfus edebilirse güçlü bir sinyal oluşur. 10 B çevirici kullanıldığında ise 10 B(n, α) 7 Li reaksiyonu gerçekleşir ve bu reaksiyon sonucu 1.8 MeV enerjisine sahip bir α ile 1 MeV enerjisine sahip bir 7 Li üretilir. Bu parçacıların iyonizasyonu sonucu dedektörde bir sinyal meydana gelir. Öte yandan 10 B reaksiyonu düşük bir olasılıkla uyarılmış bir 7 Li ∗ iyonu da oluşturabilir. Bu durumda enerjinin bir kısmı gama ışıması ile kaybolacaktır. Polietilen çeviricide ise yöntem tamamen farklı olmakla birlikte enerji kaybetme mekanizması elastik - inelastik saçılmalara dayanır. Hızlı nötronlar polietilendeki çekirdeklere çarparak kinetik enerjilerinin bir kısmını kaybederler. Kinetik enerji kazanmış bir protonun veya iyonun silikon yüzeyine girmesi ile iyonizasyon gerçekleşir. Bu durumda oluşan sinyal diğer çeviricilere göre daha yüksek olacaktır. Üç çeviricinin de kendine has avantajları ve dezavantajları vardır. 10 B, 6 LiF ile karşılaştırıldığında daha yüksek bir tesir kesitine sahiptir. Aynı zamanda 10 B'un bolluğu 6 Li ile karşılaştırıldığında daha yüksektir. Öte yandan reaksiyonların Q değerleri karşılaştırıldığında, 6 Li izotopunun daha yüksek bir enerji ortaya çıkardığı bilinmektedir. Gama ardalanı 1 MeV altında baskın olduğu için yüksek Q değeri topraktan ve nötron jeneratöründen gelen gamalardan daha kolay bir ayrışım yapılmasını sağlar. Enerji düştükçe nötron sinyallerinin gamalardan ayrışması zorlaşacaktır. Öte yandan polietilen çevirici daha yüksek enerjide sinyal verecektir. Yinede yüklü parçacık üretme hızı diğer çeviriciler kadar kuvvetli değildir. Polietilen çevirici ile patlayıcı tespiti, hızlı nötronların sayılarındaki azalma ile mümkün olabilir. Farklı çeviricilerin aynı deteksiyon aralığında çalışmaları mümkün olmadığından detaylı analizler yapılarak her çevirici için hangi enerji aralığının incelenmesi gerektiği hesaplanmıştır. Başarılı bir gömülü patlayıcı tespiti yapabilmek için patlayıcı sinyalinin toprak ardalanından ayrıştırılabilmesi gerekmektedir. Dolayısıyla, bu ayrışmanın kalitesi, z ile ifade edilen ve iki sinyal arasındaki farkı, standart sapma cinsinden veren parametre ile ifade edilecektir. Yapılan bütün simülasyonların sonucunda patlayıcı ve toprak sinyalleri birbirleri ile karşılaştırılmıştır. Analizler sonucu ayrışma kalitesi her farklı durum için belirlenmiştir. Sonuçlara göre 6 LiF çevirici kullanılan dedektör 500 kg kütleli amonyum nitrat bazlı bir patlayıcıyı 30 cm derinliğe kadar tespit edebilmektedir. Öte yandan 6 LiF çevirici ile 15 kg bir anti tank mayını 20 cm derinliğe kadar dedekte edilebilir. 10 B çeviricili dedektörde ise 500 kg kütleli amonyum nitrat bazlı bir patlayıcı 10 cm derinliğe kadar tespit edilebilmektedir. 15 kg ağırlındaki bir anti tank mayını ise 10 cm'ye kadar tespit edilebilir. Aynı çalışmalar polietilen çevirici içinde yapılmış ancak patlayıcı tespiti için güvenilir bir ölçüme ulaşılamamıştır. Temel denemelerin haricinde, gömülü patlayıcı tespitini etkileyebilecek ekstra faktörler de incelenmiştir. İlk olarak dedektörün bir araca monte edilmesi ile hareket halinde patlayıcı tayini yapılıp yapılamayacağı araştırılmıştır. Bu çalışma 500 kg kütleli amonyum nitrat patlayıcı için gerçekleştirilmiş ve sonuç alarak 30 cm derinlikteki bir patlayıcı 20 km/saat hızla giden bir araç tarafından tespit edilebilmiştir. Diğer bir çalışmada ise toprak içerisindeki nemin deteksiyon verimine etkisi incelenmiştir. dedektörün çalışma prensibi patlayıcı içindeki hidrojene bağlı olduğu için, topraktaki ekstra nem deteksiyon verimini düşürecektir. Farklı nemlerdeki toprakların içine 500 kg kütleli amonyum nitrat bazlı patlayıcı yerleştirilmiş ve deteksiyon limitleri belirlenmiştir. Bu çalışmanın sonucuna göre, toprak içerisindeki hidrojen oranı patlayıcı içerisindeki hidrojen oranına yakın olduğunda patlayıcı tespiti yapmak güçleşmektedir. Öte yandan toprakta patlayıcıda olduğundan daha fazla hidrojen olduğunda, patlayıcı sinyali ile toprak sinyali arasında önemli bir fark oluşur. Patlayıcı bu durumda daha az termalizasyon yaptığı için, sinyal saf toprak sinyalinden daha az olur. Sayımlardaki bu negatif yöndeki fark kullanılarak patlayıcı tespitinin yapılabileceği gözlemlenmiştir. Buna göre 10 cm derinlikte %20 neme kadar ölçüm yapılabilmiş ve son olarak da toprak yol yerine asfalt yolda kabul edilebilir bir sonuç elde edilip edilemeyeceğine bakılmıştır. Asfalt içerdiği yüksek hidrojen miktarı sebebi ile sinyal ayrımını güçleştirmektedir. Simülasyon sonuçları asfaltın olduğu durumlarda gömülü patlayıcı tespitinin oldukça zor olduğunu göstermiştir. Mayın tespiti için yapılan değişik simülasyonlarda kütleleri 5 ila 15 kg arasında değişen anti tank mayınları hedeflenmiştir. Farklı mayın üreticileri farklı patlayıcı malzemeler kullandıkları için, değişik anti tank mayını kompozisyonları için de çalışmalar tekrarlanmıştır. Bu çalışmanın sonuncunda farklı anti tank mayınları arasında belirgin bir fark görülmemiştir. Bir mayın içeriği olarak kullanılmayan ama saldırılarda benzer şekilde kullanılan triaseton peroksit, yüksek hidrojen içeriği sebebi ile anti tank mayınlarından daha güçlü bir sinyal üretmiştir. Farklı mayın kütleleri için yapılan çalışmalarda birbirinden çok farklı sonuçlar vermemekle birlikte sonuç olarak Si-PIN dedektör ile mayın tespiti yapılabilmiştir. Son olarak bütün simülasyon sonuçları ve elde edilen deteksiyon limitleri tablolar halinde özetlenmiştir. Si-PIN fotodiyot kullanılan nötron saçılması temelli gömülü patlayıcı dedektörü başarılı sonuçlar ortaya koymuş, bu sistemde kullanılacak en iyi nötron - yüklü parçacık çeviricisi 6 LiF olarak bulunmuştur. 10 B çeviricisinin ise alternatif malzeme olarak kullanılabileceği sonucuna varılmıştır. Öte yandan polietilenden umut verici bir sonuç alınamamıştır. Çalışmanın son kısmında mevcut metodu tamamlayıcı iyileştirmelere değinilmiş, geniş yüzeyli silikon pad dedektörler ve yüksek çözünürlüklü gama dedektörleri kullanılarak yapılabilecek olası bir termal nötron aktivasyon analizinden bahsedilmiştir.
Özet (Çeviri)
Main goal of this thesis was to design a buried explosive detector based on the neutron scattering method. Detection of land mines and massive ammonium nitrate based explosives were targeted. In this work, the trace element is the hydrogen present in buried explosives. Detection method aims to detect the scattered thermal neutrons from the explosive. Design of the detector includes an array of Si-PIN photodiodes, a 14 MeV neutron generator and a shielding material to protect detector electronics. Monte Carlo simulations have been made to determine the optimal design parameters and the detection limits. Geant4 physics simulation package has been used for this purpose. Si-PIN photodiode is the detection element of the detector. On its own, Si-PIN photodiodes are not sensitive to neutrons. They are rather sensitive to charged particles. To be able to detect neutrons, a neutron to charged particle converter should be applied to Si-PIN photodiode surface. Possible converters were investigated and 6 LiF, 10 B and polyethylene were selected as the potential candidates. Simulations have been made to determine optimal coating thicknesses for these materials. Neutrons path through the soil is recorded via tracking implementation in Geant4. Neutron thermalization in the explosive and scattered neutron spectrum have been analysed. A significant difference has been found in the thermal neutron spectrum between the case with only soil and the case where an explosive was buried in soil. Further simulations have been prepared on this basis for landmines and ammonium nitrate based explosives. Simulations were made for different converters, explosive masses, bury depths, explosives and soil types. Signals detected at Si-PIN detector have been compared to each other. Detection efficiency were calculated in terms of separation quality z, which describes the difference between explosive and soil signal in terms of number of standard deviations. Additional studies have been made to investigate the performance of the detector when it is mounted on a vehicle. To understand the effect of humidity in the soil and the effect of asphalt, additional simulations were performed and detection efficiencies in each case were determined. Between the three candidate converter materials, 6 LiF outperformed other converters. Sensitivity of 6 LiF coated Si-PIN photodiode was high enough to detect a 500 kg ammonium nitrate based explosive down to 30 cm depth and a 15 kg anti tank mine down to 20 cm bury depth. For the same explosives, 10 B coating managed to detect ammonium nitrate based explosives down to 10 cm and anti tank mines to 15 cm. Polyethylene converter did not manage to offer a reliable detection. Possible upgrades like large area silicon pad detectors or gamma detectors have been discussed.
Benzer Tezler
- Mayın ve el yapımı patlayıcı maddelerin zırh plakalarına etkilerinin sayısal modelleme kullanılarak araştırılması
Investigation of the effects of mines and improvised explosive devices on armor plates using numerical modeling
HAYDAR FATİH ADIGÜZEL
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Savunma ve Savunma TeknolojileriMilli Savunma ÜniversitesiKBRN-P Savunma Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ AYHAN AYTAÇ
- Toprak kaynaklı ısı pompası ve tprak ısı değiştiricilerinin optimizasyonu ve geliştirilmesi
Ground source heat pump optimization and development of ground heat exchangers
HAKAN DEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2006
Makine MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GALİP TEMİR
- Sürekli yanma odalarında alev cephesinin dinamik yapısına ait bir çalışma
A Study on the dynamic structure of flame front in continuous combustion chambers
ALİ SÜRMEN
- Sığ kuyu toprak kaynaklı ısı değiştiricilerin tasarımında mevsimlere bağlı atmosferik koşulların etkisi
Effects of seasonal atmospheric conditions on the design of shallow ground-source heat exchangers
FERHAT CAN KOÇAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SEVAN KARABETOĞLU