Skip to main content
SUPERVISOR
مجید جلالی حاجی آبادی (استاد مشاور) احمد شیرانی بیدابادی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Seyede hamideh Kanani
سیده حمیده کنعانی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده فیزیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389

TITLE

Designing an optimum shield for Am-Be neutron source for detection of explosive materials by PGNAA
Prompt gamma neutron activation analysis (PGNAA) is a nondestructive nuclear method for detection of various elements present in a material sample. In this method the sample is irradiated by neutrons. The neutrons are absorbed by the target nuclei with different proabilities and compound nucleus is formed. The conpound nucleus then emits prompt gamma-ray. These prompt gamma rays are characteristic of the elements present in the sample. So by detecting and analysing these gamma rays, we can determine the type and amount of the elements present in the sample. Instruments needed for this analysis are neutron source, sample, gamma detector, gamma and neutron sheilds. The purpose of this thesis is desiging a proper shield and a proper moderator with optimum thicknesses and materials for the Am-Be neutron source to detect prompt gamma rays emitted from nitrogen present in explosive materials. The Am-Be source emits a 4.43 MeV gamma ray resulted from the decay of exited carbon and the mean energy of neutrons emitted from this source is 4.4 MeV. The optimum sheild for this source increases the PGNAA efficiancy by decreasing the pile up due to source gamma and increasing the thermal nutron flux in the sample. So at first step we assumumed a cylinder lead shield around the source and calculated the optimum thickness for the shield by simulation. The optimum thickness was found to be 5cm which decreases source gamma ray by %90, but due to lab facilities limitations we could use a cylinder lead shield with a thickness of 3.5cm which attenuates the source gamma ray to about %70. Explosive materials contain nitrogen. Nitrogen absorbs thermal neutrons with 0.75 barn of crossection and emits a 10.83 MeV prompt gamma ray. For increasing the thermal neutron in the sample, three types of moderators; water, polyethelen and graphite with different thicknesses were simulated and for each type optimum thickness was found. The optimum thickness of water and polyethelen is 3cm and for graphit is 15cm. After that we used a graphite refelector around the source for increasing the neutron flux in the sample. Finally for verifing the simulations, two experiments were done. The lab conditions were simulated and the optimum thickness of water was determined 2cm with polyethylene container. So experiments were done for optimum thickness, and for 5cm thickness for examining the more water thickness. The experimental result is compatible with simulation result. So we can say that the designed system in terms of shield and moderator of source has optimum condition in order to detect explosive materials. Keywords: 1-Prompt gamma neutron activation analysi 2-PGNAA 3- Explosive detectio 4- Am-Be neutron source
تحلیل گامای آنی حاصل از فعال سازی نوترونی (PGNAA) یک روش غیر مخرب هسته ای در تشخیص عناصر موجود در مواد است. در این روشنمونه تحت تابش نوترون قرار می گیرد. نوترون ها با احتمال های مختلف جذب هسته های هدف شده و هسته مرکب را تشکیل می دهند. هسته مرکب تشکیل شده، انرژی بستگی نوترون جذب شده را به صورت یک گامای آنی آزاد می کند. انرژی این گاما از مشخصه های عنصری است که آن را آزاد کرده، بنابراین با آشکارسازی و تجزیه و تحلیل این گاما می توان به نوع عناصر موجود در نمونه پی برد. ابزار مورد نیاز برای آنالیز نوترونی چشمه نوترون، نمونه مورد بررسی، آشکارساز و حفاظ های مناسب گاما و نوترون است. هدف در این پایان نامه طراحی حفاظ و کند کننده با جنس و ضخامت مناسب برای چشمه نوترون Am-Be در آشکارسازی نیتروژن موجود در مواد منفجره به روش PGNAAاست. چشمه Am-Beدارای یک گامای با انرژیMeV43/4 حاصل از واپاشی کربن برانگیخته استو میانگین انرژی نوترون های این چشمه MeV4/4 می باشد. حفاظ بهینه برای این چشمه، حفاظی است که که با کاهش اثر انباشت ناشی از گاماهای چشمه و افزایش شار نوترون های حرارتی در نمونه، بازده PGNAAرا افزایش دهد. به این منظور ابتدا با شبیه سازی استوانه های سربی با ضخامت های مختلف در اطراف چشمه، ضخامت مناسب برای تضعیف گامای چشمه تا 90% را، 5 سانتی متر تخمین زدیم ولی در مراحل بعدی به دلیل امکانات آزمایشگاهی استوانه مورد استفاده دارای ضخامت 5/3 سانتی متر است که شدت گامای چشمه را 70% تضعیف می کند. مواد منفجره حاوی ترکیبات نیتروژن هستند. نیتروژن نوترون های حرارتی را با سطح مقطع حدود 75/0 بارنجذب کرده و گامای آنی با انرژیMeV 83/10 گسیل می کند. بنابراین برای افزایش شارنوترون های حرارتی در نمونه، سه کند کننده آب، پلی اتیلن و گرافیت با ضخامت های مختلف شببیه سازی شدند و با توجه به شدت گامای MeV 83/10 رسیده به آشکارساز ضخامت و هندسه ی بهینه برای کند کننده تعیین گردید. هندسه بهینه به شکل یک پوسته مکعب مستطیلی است که اطراف چشمه قرار می گیرد. ضخامت بهینه برای پلی اتیلن و آب 3 سانتی متر و برای گرافیت 15 سانتی متر به دست آمد. در آخرین مرحله برای افزایش هر چه بیشتر شار نوترون های رسیده به نمونه از یک بازتاب دهنده گرافیتی در اطراف چشمه نوترون استفاده کردیم. سپس برای بررسی صحت شبیه سازی ها با توجه به امکانات آزمایشگاهی، آزمایشی طراحی شد. کندکننده قابل ساخت یک ظرف پلی اتیلنی به شکل یک پوسته مکعب مستطیل است که داخل آن آب ریخته می شود و ضخامت دیواره های پلی اتیلنی 5 میلی متر است. با توجه به شرایط آزمایش، شبیه سازی ها دوباره انجام شدند وضخامت بهینه آب 2سانتی متر تعیین شد. آزمایش برای ضخامت بهینه 2 سانتی متر آب و ضخامت 5 سانتی متر، به منظور بررسی ضخامت های بیشتر آب طراحی و انجام شد.نتایج به دست آمده با نتایج شبیه سازی ها سازگاری خوبی دارند و می توان نتیجه گرفت سیستم طراحی شده از لحاظ حفاظ و کندکننده ی اطراف چشمه جهت شناسایی نیتروژن موجود در مواد، شرایط بهینه را دارد. کلمات کلیدی: 1- آنالیز گامای آنی به روش فعال سازی 2- PGNAA 3- آشکارسازی مواد منفجره 4- چشمه نوترون Am-Be

ارتقاء امنیت وب با وف بومی