Detección de sustancias mediante el uso de fuentes de neutrones
- Autores: Lenin Cevallos Robalino
- Directores de la Tesis: Eduardo Gallego Díaz (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2019
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Nuria García Herranz (presid.), Roberto Méndez Villafañe (secret.), José María Gómez Ros (voc.), Carles Domingo Miralles (voc.), José Pedro Miragaia Trancoso Vaz (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Energía Sostenible Nuclear y Renovable por la Universidad Politécnica de Madrid
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
- Resumen
La detección de sustancias ocultas es de suma importancia para la seguridad nacional, en especial en la lucha contra el terrorismo y el tráfico de drogas. En esta tesis doctoral, se han estudiado diferentes sistemas basados en el uso de fuentes de neutrones con ese fin, siendo diseñados, simulados, construidos y evaluados.
Inicialmente, y durante la estancia doctoral realizada en la Unidad Académica de Estudios Nucleares de la Universidad Autónoma de Zacatecas, se realizaron irradiaciones para medir rayos gamma prontos inducidos en agua ligera y en polietileno de alta densidad (HDPE) cuando son expuestos a neutrones desde una fuente Am/Be, usando un detector de centelleo de NaI(Tl) de Ø3” x 3”. En ambos materiales se observó un rayo gamma de 2,22 MeV debido a la captura en hidrógeno, además un rayo gamma de 4,43 MeV observado debido a la reacción 12C(n,n’γ)12C. Este tipo de reacciones inducidas por los neutrones, y la capacidad de detectar los rayos gamma prontos, sienta las bases de los métodos prácticos que se han desarrollado en la Tesis.
Con cilindros de HDPE como material moderador, se diseñó un sistema de irradiación con neutrones térmicos obtenidos a partir de una fuente Am/Be de 111 GBq de actividad, eligiendo la geometría más adecuada para su termalización mediante la retrodispersión en el HDPE, habiendo logrado tasas de fluencia térmica de hasta 530 cm-2·s-1 dentro del rango del espectro predominantemente térmico. El modelo teórico fue replicado experimentalmente en el Laboratorio de Medidas Neutrónicas de la Universidad Politécnica de Madrid (LMN-UPM), llevando a cabo mediciones experimentales utilizando un detector de BF3.
Mediante métodos de Monte Carlo, se diseñó un segundo sistema de neutrones térmicos basado en la misma fuente de Am/Be de 111 GBq, ubicada en el interior de una cavidad cilíndrica dentro de un paralelepípedo de material moderador, ensayando con tres materiales moderadores diferentes, agua, grafito y HDPE, para comprobar cuál de esos materiales sería más adecuado para el sistema de detección, maximizando el flujo de neutrones térmicos en la cámara de irradiación. Se pudo concluir que el HDPE alcanza un mejor rendimiento, con tasas de fluencia térmica de hasta 904 cm-2·s-1, que suponen 8,144 cm- 2·s- 1·GBq-1.
Tras concluir que el HDPE es el material moderador más interesante, uno de los logros principales de la Tesis ha sido FANT, acrónimo de Fuente Ampliada de Neutrones Térmicos, que es un dispositivo moderador para producir un campo uniforme de neutrones térmicos, diseñado mediante métodos de Monte Carlo con el código MCNP6.1 para identificar materiales por AAN (AAN). El dispositivo está basado en una fuente 241Am/9Be en el interior de una cámara para irradiación de forma cilíndrica, de 32 cm de diámetro x 70 cm de largo, en el interior de un paralelepípedo de 90 cm de largo x 70 cm de alto de material HDPE, además de un detector de NaI(Tl) de Ø3” x 3”, que se inserta lateralmente. El proceso de moderación mediante retrodispersión de los neutrones resulta efectivo, permitiendo obtener tasas de fluencia térmica de hasta 1100 cm-2·s-1. Por otro lado, la tasa de dosis a 1 metro de distancia del FANT es inferior a 10 µSv/h. Tras su diseño computacional, FANT se construyó y probó experimentalmente en el LMN-UPM.
Si bien el campo de neutrones térmicos obtenido en FANT es muy uniforme y con un flujo notable para el tipo de fuente de partida, lo que le hace apto para múltiples aplicaciones, como la calibración y pruebas de detectores de neutrones térmicos, su rendimiento práctico para el AAN no ha sido plenamente satisfactorio, y por ello, de nuevo mediante métodos de Monte Carlo usando el código MCNP6.1, se han evaluado diversas configuraciones para un sistema de detección de alto flujo. Dicho sistema está compuesto por un generador de neutrones compacto de Deuterio-Deuterio D-D y detectores de centello de NaI(Tl), y estaría destinado a la detección e interceptación de explosivos ocultos. Se ha analizado la respuesta del sistema ante diversas muestras de explosivos, tales como RDX y Nitrato de Amonio, por ser los principales elementos de los explosivos casero-militares. El generador D-D produce neutrones rápidos de 2,5 MeV con una intensidad máxima de 10E+10 n/s (DD-110); el generador es rodeado con HDPE con el fin de termalizar los neutrones rápidos, mejorando su interacción con la muestra, dando lugar a la emisión de rayos gamma, obteniendo un espectro característico de los elementos que la constituyen, pudiendo de esta manera determinar su composición química e identificar el tipo de sustancia.
Los sistemas desarrollados pueden ser empleados en futuros experimentos de laboratorio, tanto para la identificación de sustancias trazas mediante AAN, como para la calibración de equipos de detección.
