Βέλτιστος σχεδιασμός κινητής διάταξης μη καταστρεπτικού ελέγχου τριδιάστατων αντικειμένων με χρήση πυρηνικών ακτινοβολιών

Abstract

The use of nuclear radiation in the Non Destructive Inspection – NDI of materials and persons begins from the discovery of X-rays in 1895. In the last decades, the Nuclear Technology, follow up the rapid development in the field of digital technology and the computes, it contributed in the improvement of depiction systems and techniques finding application, in the medicine research, in the materials technology, in the security systems etc.. With X-ray radiography and γ-ray radiography it was also developed the neutron radiography. The goal of this thesis is the most optimal design of portable units in order the NDI of 3D objects. The choice for the optimization only portable devices became with purpose to enlarge the range of applications because have the advantage to be moved. In all circumstances the layouts were designed under the constraint that the Dose Equivalent Rate would remain below the annual occupational dose limit. The MCNP5 and MCNPX codes were used in order to design five different layouts. The first use the Prompt Gamma Neutron Activation Analysis - PGNAA method. The PGNAA technique based on the irradiation of sample with neutrons and detection of resulting high energy gamma rays that are unique for each element. Three portable systems based on γ-ray radiography and neutron radiography has been simulated. The materials considered in these systems were compatible with the European Union Directive on ‘Restriction of Hazardous Substances’. The second layout is a thermal neutron radiography unit which emitted from a ²⁵²Cf source. The third based on a photoneutrons which produced when the ¹²⁴Sb is surrounded by the Be target and is suitable both for thermal neutron and γ-ray radiography. The fourth system based on a DD neutron generator and is suitable for fast and thermal neutron radiography. The last unit is a transportable system for the detection of illicit materials based on the fact that the neutrons and γ-ray interacts with matter in a much different way.

Η χρήση πυρηνικών ακτινοβολιών στο Μη Καταστρεπτικό Έλεγχο - ΜΚΕ υλικών αλλά και ανθρώπων ξεκινά από την ανακάλυψη των ακτίνων-Χ το 1895. Στο διάστημα των τελευταίων δεκαετιών, η Πυρηνική Τεχνολογία, συμπληρώνοντας τη ραγδαία εξέλιξη στο χώρο της ψηφιακής τεχνολογίας και των ηλεκτρονικών υπολογιστών, συνέβαλε στην ανάπτυξη των συστημάτων και τεχνικών απεικόνισης βρίσκοντας εφαρμογή σε τομείς όπως η ιατρική, η τεχνολογία υλικών, η ανάπτυξη συστημάτων ασφαλείας κ.α.. Μαζί με τη ραδιογραφία ακτίνων-Χ και ακτίνων-γ αναπτύχθηκε σημαντικά και η νετρονική ραδιογραφία. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι ο βέλτιστος σχεδιασμός μεταφερόμενων διατάξεων με στόχο τη μη καταστρεπτική ποιοτική και ποσοτική ανάλυση τριδιάστατων αντικειμένων. Η επιλογή για τη βελτιστοποίηση μόνο μεταφερόμενων διατάξεων έγινε με γνώμονα τη διερεύνηση των πεδίων εφαρμογών τους εξαιτίας ακριβώς αυτής της δυνατότητάς τους να μπορούν να μετακινηθούν. Συγκεκριμένα, με τη χρήση των λογισμικών MCNPX και MCNP5 μελετήθηκαν και παρουσιάζονται πέντε διατάξεις. Σε όλες τις περιπτώσεις οι προτεινόμενες διατάξεις σχεδιάστηκαν με γνώμονα ο ρυθμός ισοδύναμης δόσης για τον πληθυσμό που θα εργάζεται πλησίον τους να είναι κάτω από τα επιτρεπτά όρια. Η πρώτη διάταξη κάνει χρήση της ανάλυσης με νετρονική ενεργοποίηση (Prompt Gamma Neutron Activation Analysis - PGNAA) κάνοντας χρήση του γεγονότος ότι οι ακτινοβολίες ή τα σωματίδια που εκπέμπονται, παρέχουν πληροφορίες που χαρακτηρίζουν τον αρχικό πυρήνα. Ακολουθεί η παρουσίαση τριών μεταφερόμενων συστημάτων για τη ραδιογραφία τριδιάστατων αντικειμένων. Κύριο χαρακτηριστικό και των τριών αυτών διατάξεων είναι ότι όλα τα επιλεγόμενα υλικά τους είναι συμβατά με την οδηγία RoHS της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Η δεύτερη προτεινόμενη διάταξη είναι μία διάταξη ραδιογραφίας θερμικών νετρονίων εκπεμπόμενων από πηγή ²⁵²Cf. Η Τρίτη βασίζεται στα φωτονετρόνια πηγής SbBe και είναι κατάλληλη για ραδιογραφία με χρήση θερμικών νετρονίων αλλά και ακτίνων-γ. Το τέταρτο σύστημα βασιζόμενο σε μία μεταφερόμενη γεννήτρια νετρονίων είναι κατάλληλο για ραδιογραφία ταχέων αλλά και θερμικών νετρονίων. Το τελευταίο μεταφερόμενο σύστημα προορίζεται για την ανίχνευση παράνομων υλικών και βασίζεται στη διαφορετική απορρόφηση νετρονίων και ακτίνων-γ όταν διέρχονται μέσα από την άλλη.