Nükleer teknikler kullanan bir mayın algılama sisteminin tasarımı ve sayısal değerlendirilmesi
Numerical evaluation of a mine detection system based on nuclear techniques
Yazar: DERYA YILMAZ BAYSOY
Danışman: PROF. DR. METİN SUBAŞI
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Nükleer Fizik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Mayın = Mine ; Monte Carlo Yöntemi = Monte Carlo Method ; Nükleer fizik = Nuclear physics

Özet:
Son zamanlarda, plastik kara-mayınlarının nükleer teknikler kullanılarak tespit edilmesi ile ilgili pek çok çalışma yapılmaktadır. Bu tekniklerden birisi, nötronlarla indüklenen gama ışınlarının sayılmasına dayanır. Yani, belirli oranlarda karbon, hidrojen, oksijen ve azottan oluşan tüm plastik patlayıcılar, bu elementlerin ısıl nötron yakalama veya nötron inelastik saçılma sonucu yayınladıkları özel gama ışınları ölçülerek tespit edilebilir. Bir diğer teknik ise, ışınlanan hacim içerisindeki hidrojen konsantrasyonuna bağlı olarak geri saçılan düşük enerjili nötronların sayılmasıdır.Mevcut çalışmada, bu iki tekniğin birlikte kullanıldığı bir mayın tespit sistemi tasarlanmış ve Monte Carlo hesaplama yöntemiyle sistemin verimliliği test edilmiştir. Geliştirilen modelde, ışınlamada kullanmak üzere, taşınabilir bir izotropik nötron kaynağı (252Cf, 10 ? g), patlayıcılardan gelen karakteristik gama ışınlarının sayımı için üç adet NaI detektörü (3x3 inç) ve geri saçılan nötronların sayımı için de sekiz adet BF3 detektör kullanılmıştır. Bunlar, nötronlar için moderatör ve zırhlama görevi gören bir blok üstüne tespit edilmişlerdir. Blok malzemesi ve geometrisi, değişik boyutlarda farklı malzemeler (bor katlılı parafin, bor katkılı polietilen, bor ve kurşun katkılı polietilen ve borik asit) denenerek belirlenmiştir. Hesaplamalar bor katkılı parafinin en uygun malzeme olacağını göstermiştir. Tasarlanan sistemin mayın tespit ve tanımlamada etkinliği değişik toprak ortamları için nem oranı göz önüne alınarak test edilmiş, mayının cinsi, boyutu ve gömülme derinliği gibi parametrelerin sisteme getirdiği sınırlamalar belirlenmiştir.Tasarlanan sistem için uygulanan Monte Carlo hesaplamaları, 5 cm derinlikteki `topuk mayınlarının', nötron geri saçılma yöntemiyle, yaklaşık 1,5 km uzunluğundaki bir yol boyunca 1 saat içinde, daha derinlerdeki büyük kütleli patlayıcıların ise, nötronların indüklediği gama ışınlarını ölçerek daha uzun sürede tespit edilebileceğini göstermiştir.Anahtar Kelimeler: Kara-mayını , NaI , BF3 , 252Cf nötron kaynağı, TNC, NIS

Abstract:
Recently many studies have been reported on the detection of landmines by some nuclear techniques. One of them is based on the measurement of neutron-induced gamma rays. That is, all plastic explosives which are composed of certain amounts of carbon, hydrogen, oxygen and nitrogen can be charecterized by measuring the characteristic gamma rays emitted from these elements in thermal neutron capture or inelastic neutron scattering reactions. In another technique, the anomaly in the volume can be defined by counting the low energy, back-scattered neutrons due to the hydrogen content of the irradiated volume.In the present work, a model detection system which uses both these two techniques was designed and its efficiency was tested by applying the Monte Carlo calculation technique (MCNP). The system consists of a fast neutron source (252Cf, 10 ? g), three gamma-ray detectors (NaI, 3x3 inches) and eight neutron detectors (BF3) placed on a neutron moderating and shielding block. The effects of the block on the efficiency of the detection system were investigated using various materials (borated polyethylene, borated paraffin, borated ? lead polyethylene and boric acid) in different dimensions. Borated-paraffin was found to be the best suitable material for the system. The system was further tested in various soil formations and its detection limits were determined considering the identity, size, burial depth of the land mine and moisture content of formations.The Monte Carlo calculations revealed that the detection system can uncover an APM (NBS technique) buried at 5 cm under the limestone by scanning a distance of 1,5 km in one hour. In addition, it can characterize a massive plastic explosive burried deeper in a formation by counting the neutron induced gamma rays for less than 5 minutes.Keywords: landmine, NaI, BF3, 252Cf , NIS, TNC