D´Amico, Natalia M.B. (2020) Técnicas de interrogación neutrónica para detección de sustancias peligrosas en contenedores portuarios / Neutron interrogation techniques for hazardous substances detection in port containers. Tesis Doctoral en Ciencias de la Ingeniería, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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Resumen en español
La detección de sustancias químicas de carácter peligroso, utilizando la radiación como técnica no intrusiva, se considera una herramienta posiblemente favorable para identificar compuestos ocultos en cargamentos. Para ello, y restringiendo el objetivo al sólo efecto de desarrollar una metodología de investigación de la presencia de sustancias de interés, se someterá a prueba un número limitado de sustancias tóxicas para el ambiente y por consiguiente, para la salud de los seres humanos con el objeto de probar la posible viabilidad de una técnica de detección en cantidades no inferiores al rango del kilogramo. La técnica de detección neutrónica se aplicaría para el escaneo de grandes contenedores aduaneros en caso de presentarse alguna duda con los resultados obtenidos luego de realizar un escaneo con radiación X. El interés de identificar la presencia de sustancias tales como cadmio, cloro, mercurio y cromo se debe a las restricciones establecidas por la normativa local e internacional y debido a los numerosos antecedentes de impactos ambientales negativos producto de la incorrecta gestión de las mismas y causantes de innumerables casos de morbilidad y mortalidad en seres humanos. Se han utilizado diferentes estrategias, a escala laboratorio, a fin de desarrollar una prescripción o metodología que permita identificar estas sustancias en situaciones desfavorables. Se ha comenzado a realizar mediciones con neutrones en el rango térmico y epitérmico y epitérmico solamente aplicando un acelerador lineal de electrones (LINAC). Los resultados obtenidos en estos experimentos fueron favorables dada la característica pulsada del equipo. Aplicando un arreglo de cuatro detectores centelladores de NaI(Tl) de 2 plg x 2 plg, estratégicamente ubicados para disminuir el contaje de radiación de fondo (en el texto identificada como background o Bg), se desarrollaron prescripciones que favorecieron la detección de los elementos químicos de interés. Los espectros individuales obtenidos al aplicar el acelerador también permitieron simular una mezcla homogénea a fin de acercarnos a un caso real de escaneo de contenedores donde se desconoce el Bg. Esta simulación, a través de la superposición de espectros, permitió experimentar con mediciones reales posteriormente al retiro de operación del LINAC. En los años subsiguientes, se procedió a realizar mediciones experimentales con una fuente isotópica AmBe en los tres rangos de energía neutrónica (térmico y epitérmico, epitérmico y rápido), aplicando un detector semiconductor de mayor resolución en energía, Ge(Li). Este tipo de detector unido a la implementación de un arreglo donde se maximiza la relación señal-ruido, permitió identificar claramente las regiones donde debería aplicarse el análisis en un caso real, considerando la aplicación de detectores de menor resolución en energía y con un previsiblemente elevado Bg. También, se obtuvieron excelentes resultados al aplicar otras estrategias como cocientes entre los espectros térmicos y epitérmicos y los correspondientes epitérmicos. Luego de realizar el estudio de las muestras irradiadas con neutrones en el rango térmico y epitérmico aplicando la fuente de AmBe, se ha avanzado en armar diferentes arreglos experimentales y simulaciones a fin de combinar las sustancias químicas que fueron estudiadas en forma independiente, con el objeto de poder corroborar si es factible identificarlas en situaciones más críticas, aún en las pequeñas cantidades manejables en los experimentos con fuente isotópica. Se implementaron mezclas de compuestos químicos con distintos arreglos de blindaje y moderación neutrónica y se incorporó un nuevo detector centellador de 3 plg x 3 plg, NaI(Tl), en adición al arreglo de detectores de 2 plg x 2 plg. Los resultados obtenidos enfatizaron la importancia de contar con un acelerador pulsado como también, la aplicación de detectores con la mayor resolución en energía económicamente posible y la implementación de un arreglo que permita maximizar la señal proveniente de la muestra. Posteriormente se avanzó con un nuevo análisis que solo utilizó los espectros obtenidos con el LINAC, considerando que un acelerador es lo recomendable para ser utilizado a escala real en caso de un escaneo. Se aplicaron las regiones de interés seleccionadas para cada muestra estudiada individualmente, las cuales fueron divididas previamente por sus respectivas regiones de referencia. Los resultados obtenidos, en ambos rangos de energía, se dividieron entre sí (ROIth_x/ROIepi_x) con el objeto de desarrollar una nueva estrategia de detección. En esta nueva metodología se estudió si la prescripción desarrollada permite indicar la ausencia de un compuesto químico como también, la presencia del mismo en una mezcla presente en un cargamento. Los resultados permitieron afirmar que es posible identificar la ausencia de determinados compuestos químicos y más difícilmente la presencia de algunos de ellos. Estos procedimientos de detección buscan generar metodologías y/o prescripciones que permitan realizar escaneos de porciones del contenedor en tiempos breves de 5 minutos aproximadamente, a fin de obtener una pronta respuesta. Al agilizar dicha respuesta se propone ejecutar varios análisis en paralelo aplicando las prescripciones planteadas y buscando corroborar fehacientemente la información que se obtiene de los diferentes sistemas de procesamiento de datos. En caso de falla o duda en alguno de los resultados, se cuenta con la información suministrada por las otras metodologías desarrolladas, brindando una advertencia en caso de la presencia no declarada de una sustancia química. Las prescripciones presentadas en la presente tesis, otorgan una nueva herramienta fidedigna que aporta a la detección de muchas de las sustancias químicas peligrosas en grandes contenedores portuarios, a fin de poder identificar el tráfico ilícito de las mismas en situaciones donde la señal proveniente de la muestra no es fácilmente identificable. Este trabajo de investigación permite otorgar estrategias que fortalezcan la implementación de herramientas de confirmación para el control transfronterizo de sustancias químicas.
Resumen en inglés
The detection of hazardous chemical substances applying radiation as a non-intrusive technique is considered an important methodology to identify hidden chemical substances in port containers. For that reason and with the objective in mind of developing methodology for that purpose, while not compiling a catalog of substances, the work has been restricted to a limited number of substances of interest. The chosen substances are detrimental to the environment and, consequently, to the health of human beings. The aim is the detection of non-subkilogram amounts of such elements. The neutron detection technique would be applied for the scanning of large customs containers in case of any doubt with the results obtained after performing an X radiation scan. The interest to identify the presence of substances such as cadmium, mercury, chlorine and chrome is due to the restrictions established by local and international regulations and due to numerous cases of pollution caused by the incorrect management of them, originating innumerable cases of morbidity and mortality in human beings. The applications of different strategies in the laboratory bring about the possibility to develop a methodology to identify these substances in unfavorable situations. The first measurements involved thermal-epithermal and only epithermal neutrons produced by a linear electron accelerator (LINAC). The results in these experiments were favorable in part by the pulsed characteristic of the machine. The application of four 2 in x 2 in scintillation detectors, NaI(Tl), with a strategic array to reduce the background (Bg) radiation counts allowed the development of prescriptions to identify the substances of interest. The LINAC individual spectra also allowed the simulation of a homogeneous mixture of substances in order to get closer to a real case of containers scanning where the Bg is unknown. This simulation, through the superposition of previously recorded spectra, gave a new possibility when the LINAC was withdrawn of operation. In subsequent years a higher energy resolution detector, Ge(Li), and an AmBe isotopic source with the three neutron energy ranges (thermal-epithermal, epithermal and fast) were applied in the experiments. This type of detector coupled with the implementation of an array where the signal/Bg is maximized allowed, in time, the identification of regions where the analysis should be applied in a real case, considering the application of lower energy resolution detectors and with an expected high Bg. Excellent results were obtained applying other strategies as quotients between the thermal-epithermal spectra and only epithermal ones. After conducting the study of the samples irradiated with neutrons in the thermal and epithermal range, applying the AmBe source, progress has been made in assembling different experimental arrangements and simulations in order to combine the chemical substances that were studied independently, with the object of being able to corroborate if it is feasible to identify them in more critical situations, even in the small manageable quantities possible in the isotopic source experiments. Mixtures of chemical compounds with different shielding and neutron moderation arrangements and a new 3 in x 3 in scintillator detector, NaI(Tl), in addition to the 2 in x 2 in were implemented. The results confirm the relevance of employing a pulsed accelerator as well as the application of detectors with the highest energy resolution economically accessible, and the implementation of an arrangement that allows maximizing the signal coming from the sample. Later, a new analysis was carried out that only used the original spectra initially obtained with the LINAC, considering that an accelerator is recommended to be used on a real scale scan. The regions of interest selected for each sample studied individually were applied, which were previously divided by their respective reference regions. The results obtained, in both energy ranges, were divided among themselves (ROI_thx / ROI_epix) in order to develop a new detection strategy. In this new methodology, it was studied whether the developed prescription allows indicating the absence of a chemical compound as well as the presence of a chemical in a mixture present in a cargo. The results allowed to affirm that it is possible to identify the absence of certain chemical compounds and with more difficulty the presence of some of them in the several mixtures tested. These screening methods seek to generate methodologies and/or prescriptions that allow scans of portions of the container in brief times of approximately 5 minutes, in order to obtain a prompt response. To speed up this response, it is proposed to carry out several analyzes in parallel, applying the prescriptions that have been proposed and seeking to reliably corroborate the information obtained from the different data processing systems. In case of failure or doubt in any of the results, there exists the information supplied by the other methodologies developed, providing a warning in case of the undeclared presence of a chemical The several prescriptions presented in this thesis provide a new reliable technique that contributes to the detection of many hazardous substances in large port containers, in order to be able to identify the illicit traffic of them in situations where the signal coming from the sample is not easily identifiable. This research work provides strategies that strengthen the implementation of confirmation techniques for the transboundary control of hazardous chemical substances.
| Tipo de objeto: | Tesis (Tesis Doctoral en Ciencias de la Ingeniería) |
|---|---|
| Palabras Clave: | [Non-intrusive detection; Detección no intrusiva; Toxic contraband; Contrabando de tóxicos; Neutron interrogation; Interrogación neutrónica] |
| Materias: | Ingeniería > Ingeniería y ambiente |
| Divisiones: | Gcia. de área de Energía Nuclear > Gcia. de Ingeniería Nuclear > Física de neutrones |
| Código ID: | 928 |
| Depositado Por: | Marisa G. Velazco Aldao |
| Depositado En: | 16 Jun 2021 09:16 |
| Última Modificación: | 16 Jun 2021 12:37 |
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