Tecniche innovative per la rivelazione di materiale radioattivo e nucleare

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1 Tecniche innovative per la rivelazione di materiale radioattivo e nucleare 12 ottobre 2011

2 Introduzione Il problema delle frontiere La radiazione ionizzante da un carico commerciale alla frontiera può testimoniare la presenza di materiale radioattivo e/o materiale speciale nucleare (SMN - come U e Pu arricchiti) a causa di: contrabbando per fini criminali contaminazione di prodotti commerciali I portali ai valichi di frontiera rivelano la radiazione ionizzante, ma: non forniscono informazioni spettroscopiche per identificare le sorgenti possono essere elusi da opportuni schermi

3 Introduzione Perchè un sistema mobile Oggetto del lavoro di tesi è lo sviluppo di SMANDRA, Sistema Mobile per Analisi Non Distruttive e RAdiometriche, all interno di un contratto fra l Università di Padova e l azienda CAEN Spa. I vantaggi di un tale sistema possono essere così riassunti: possibilità di identificare le sorgenti maggiore flessibilità di installazione e utilizzo veloce ridislocazione in aree a rischio

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5 Il sistema SMANDRA Box principale + modulo attivo

6 Il sistema SMANDRA Rivelatori Rivelatore Particelle Utilizzo NaI(Tl) γ Spettroscopia (basso fondo, alta eff.) LaBr(Ce) γ Spettroscopia (alta risoluzione) NE213 γ, n Discriminazione fra γ e neutroni veloci 3 He n Conteggi di neutroni lenti e veloci

7 Elettronica L elettronica di SMANDRA VME8004 crate (prototipo) V1718 USB Bridge V6533 Alte Tensioni V1720 Digitizer

8 Elettronica Il processore FPGA Il digitizer è programmabile per eseguire on-line parte dell analisi:

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11 Procedure di analisi dati Calibrazione automatica Procedura di calibrazione per NaI(Tl) e LaBr(Ce): 1 viene acquisito uno spettro contenente i caratteristici picchi di full-energy 2 il software ricerca gli n picchi più grandi 3 un fit lineare canali-energia determina pendenza e shift Procedura di calibrazione per NE213: 1 lo spettro non ha picchi di Full Energy, solo Compton Edge 2 bisogna applicare una procedura particolare (Stevanato et al., Light output of EJ228 scintillation neutron detectors)

12 Procedure di analisi dati Fondo ambiente e soglie di allarme Lo standard IEC62327 richiede per la validazione di uno strumento una Probabilità di Rivelazione maggiore del 90% ad un Confidence Level del 95%. Una trattazione statistica di questi parametri si può trovare in Gillian, Leigh, Rukhin e Strawderman, Pass-Fail Testing: Statistical Requirements and Interpretations, 2009, J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. 114, Seguendo le procedure descritte in letteratura, il software calcola le soglie di allarme (γ e n) che rispondano ai requisiti sulla base dei conteggi di fondo su una serie di acquisizioni ripetute.

13 Procedure di analisi dati Efficienza di rivelazione IEC62327 SMANDRA Allarme gamma < 3 s con s con 20 nsv/h nsv/h sul riv. 60 Co (400 kbq) a 2.71 m 3 s con 2.5 nsv/h Am (400 kbq) a 0.8 m Allarme neutroni 10 s a 25 cm 3 s a 120 cm 252 Cf n/s Identificazione < 120 s 60 s SMANDRA si dimostra circa 60 volte più efficiente rispetto allo standard nella generazione di allarmi neutronici.

14 Procedure di analisi dati Riconoscimento automatico sorgenti Acquisizione di uno spettro:

15 Procedure di analisi dati Riconoscimento automatico sorgenti Sottrazione automatica del fondo:

16 Procedure di analisi dati Riconoscimento automatico sorgenti Identificazione automatica dei picchi:

17 Procedure di analisi dati Riconoscimento automatico sorgenti Risposta dell analisi automatica: Found 2 peaks: 1) M: S: R: % R(E): % 2) M: S: R: % R(E): % Nearest peak to 1173 is 1168 with sigma Nearest peak to 1332 is 1326 with sigma *** Source: 60Co, Matches: 2/2

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19 Prestazioni del sistema Risoluzione temporale e coincidenze

20 Prestazioni del sistema Risoluzione temporale e coincidenze Risoluzioni temporali ottenibili con SMANDRA: V1720 V1720 senza soglia soglia a 500 kev CFTD ORTEC NaI(Tl) 5.96 ns 5.39 ns ns LaBr 1.40 ns 1.15 ns ns NE ns 1.51 ns Considerando il TOF, questi valori corrispondono a delle risoluzioni spaziali di cm per neutroni da 14 MeV.

21 Prestazioni del sistema Interrogazioni attive

22 Risultati ed outputs Rispondenza agli obiettivi Rivelazione di una sorgente γ/n in 3 s Efficienza di allarme circa 60 volte maggiore rispetto allo standard IEC Identificazione possibile (per sorgenti semplici) in 1 minuto Capacità di distinguere U dai metalli pesanti (Pb,...) in interrogazioni attive

23 Risultati ed outputs Produzione scientifica Articoli inviati a Nuclear Instruments and Methods: Special nuclear material detection with a mobile multi-detector system High rate read-out of LaBr(Ce) scintillator with a fast digitizer Convegni a cui è stato presentato SMANDRA: ANIMMA Conference, Ghent, giugno 2011 Latin American Symposium on Nuclear Physics and Applications, Quito, Luglio 2011 È stata anche depositata domanda per un brevetto italiano.

24 Risultati ed outputs Fine della presentazione Grazie per l attenzione

25 Approfondimento Contaminazione interna del LaBr(Ce)

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27 Approfondimento Pulse Shape Discrimination

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