Определение атомного номера вещества объектов по ослаблению пучков фотонов с энергиями до 10 МэВ

• Автор: Курилик, Александр Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.16
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 111 с. : ил.

Оглавление
Введение
Актуальность темы диссертации
Задачи интроскопии
Существующие решения
Цели диссертационной работы
Основные результаты, полученные в диссертации
Научная новизна
Ценность научной работы
Практическая значимость
Аппробация работы
Публикации
Личный вклад автора
Структура и объём диссертации
Содержание диссертации
1. Взаимодействие фотонов с веществом
1.1. Сечения процессов взаимодействия фотонов с веществом
1.2. Ослабление потока фотонов
1.2.1. Монохроматические пучки фотонов
1.2.2. Пучки фотонов с непрерывным спектром
1.3. Принцип измерения Z и пБ
1.3.1. Монохроматические пучки фотонов
1.3.2. Тормозное излучение
1.4. Анализ сечений
1.4.1. Нормированные сечения
1.4.2. Вклады сечений основных процессов в полное сечение
1.4.3. Полные сечения
1.4.4. Выводы

1.4.5. Рекомендации
1.4.6. Соотнешение вероятностей процессов рассеяния и поглощения фотонов
2. Экспериментальные измерения атомного номера объектов
2.1. Радиоактивные источники С8-137 и Со-
2.1.1. Выбор источников гамма-квантов
2.1.2. Соотношение II в случае Сб-137 и Со-
2.1.3. Описание эксперимента
2.1.4. Результаты эксперимента и выводы
2.2. Тормозное излучение
2.2.1. Описание эксперимента
2.2.2. Результаты эксперимента и выводы
3. Моделирование на СЕА1МТ4
3.1. Схема установки для интроскопии крупногабаритных объектов
3.2. Тормозное излучение
3.2.1. Взаимодействие электронов с веществом
3.2.2. Моделирование тормозного излучения
3.2.3. Выбор оптимальной толщины тормозной мишени
3.3. Выбор типа и размера детектора
3.4. Отклик детектора
4. Сравнение методов и оптимизация их параметров
4.1. Пучки монохроматических фотонов трех энергий
4.2. Тормозное излучение с двумя граничными энергиями
4.3. Тормозное излучение с тремя граничными энергиями
4.4. Статистические флуктуации
4.5. Измерение Z в каждом пикселе
4.6. Уменьшение уровня статистических флуктуаций
4.7. Выбор оптимальных энергий
4.7.1. Тормозное излучение с двумя граничными энергиями
4.7.2. Тормозное излучение с тремя граничными энергиями
4.8. Сравнение в широком динамическом диапазоне
Заключение
Литература

Введение
Актуальность темы диссертации
Задачи интроскопии
Часто существует необходимость получить информацию о внутренней структуре некоторого объекта. Например, обнаружить скрытые дефекты в продукции промышленного производства, проверить соответствие декларации и реального содержимого груза. В последние годы особую актуальность приобрела проблема обеспечения безопасности и предотвращение терроризма в морских и речных портах, аэропортах, железнодорожных вокзалах. Также важной задачей является контроль содержимого грузов и транспортных средств с целью выявления и пресечения незаконных перевозок — контрабанды. Одним из основных элементов системы обеспечения безопасности являются технические средства, позволяющие осуществлять неразрушающий контроль — исследовать, не вскрывая, грузы и транспортные средства.
В зависимости от целей применения, к интроскопическим системам предъявляются различные требования. Например, при таможенном досмотре основными, в некотором смысле взаимоисключающими требованиями являются: высокая пропускная способность системы и максимально возможное снижение мощности дозы, создаваемой установкой в процессе функционирования. Аналогичные требования предъявляются к медицинским установкам. К дефектоскопическим системам подобных жёстких требований может не предъявляться, так как основной целью является обнаружение брака. В исследовательских интроскопических установках основной ограничивающий фактор — радиационные повреждения, возникающие в исследуемом объекте.
В разных странах, в силу географических особенностей, также существуют различные требования, предъявляемые к таможенным системам. В США основной целью применения досмотровых комплексов является обнаружение оружия массового поражения и его составляющих, радиоактивных и взрывчатых веществ, оружия и наркотиков. Считается, что наибольшую опасность представляет ядерное оружие массового поражения (WMD — nuclear weapons of mass destruction) на основе высоко обогащённого урана (HEU) и оружей-

отличия наблюдаются между сечениями фотоэффекта ~ 45%. Максимальные относительные отличия сечений релеевского рассеяния существенно меньше ~ 8%. Относительными отличиями сечений эффекта Комптона можно пренебречь из-за малой величины этих отличий ~ 2%.
1.4.2. Вклады сечений основных процессов в полное сечение
Рассмотрим совместно сечения основных процессов и их вклад в полное сечение. На рис. 17 приведены энергетические зависимости сечений для некоторых атомных номеров Z. На рис. 18 приведены зависимости этих же процессов от атомного номера Z при некоторых энергиях фотонов Е. Графики сечений выполнены в разных масштабах, т.к. абсолютные значения сечений сильно отличаются у разных веществ. На рис. 19 и рис. 20 приведены вклады различных процессов в полное сечение взаимодействия. Все графики вкладов выполнены в одинаковом масштабе для удобства сравнения.
При анализе зависимостей сечений от атомного номера Z можно заметить следующее:
• Для веществ с малым атомным номером основным процессом взаимодействия в рассматриваемом диапазоне энергий является эффект Комптона.
• С увеличением атомного номера Z в области низких энергий наибольший вклад в полное сечение начинает давать фотоэффект. Это приводит к тому, что энергетическая зависимость полного сечения у веществ с большим Z спадает быстрее чем у веществ с малым Z.
• В области больших энергий с увеличением атомного номера Z всё больший вклад в полное сечение даёт процесс рождения пар. В отличие от прочих процессов, вероятность рождения пар возрастает при увеличении энергии фотона. Эти два фактора приводят к тому, что энергетическая зависимость суммарного сечения в области больших энергий спадает всё медленнее при увеличении Z, а затем для больших Z начинает возрастать.
• В области энергий от ~1 до ~4 МэВ наибольший вклад в полное сечение взаимодействия продолжает давать эффект Комптона.
При рассмотрении зависимостей сечений от атомного номера можно заметить следующее:
• В области низких энергий у веществ с малым Z доминирующим процессом является эффект Комптона, а у веществ с большим Z — фотоэффект.
• В средней области энергий для всех Z основным процессом является некогерентное рассеяние.
• С ростом энергии у малых Z основным процессом взаимодействия остаётся некогерентное рассеяние, а для больших Z на первое место выходит образование электрон-позитронных пар.