ITMI20131862A1 - Dispositivo e metodo per la rivelazione di neutroni e raggi gamma - Google Patents
Dispositivo e metodo per la rivelazione di neutroni e raggi gammaInfo
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Description
DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
“DISPOSITIVO E METODO PER LA RIVELAZIONE DI NEUTRONI E RAGGI GAMMA”
La presente invenzione riguarda un dispositivo e un metodo per la rivelazione di neutroni e raggi gamma emessi da radionuclidi.
Il dispositivo dell’invenzione si presta, in particolare, a realizzare un cosiddetto “portale di monitoraggio delle radiazioni” (Radiation Portal Monitor, RPM), formato da una o più unità funzionali interconnesse, atto a rivelare radionuclidi eventualmente trasportati da persone e/o veicoli durante il loro passaggio lungo percorsi assegnati.
È nota l’esigenza di installare dei dispositivi di rivelazione dei radionuclidi, per esempio, presso porti, aeroporti e stazioni, e impianti industriali o di altro genere che trattano o fanno uso di elementi radioattivi o che hanno la necessità di monitorare ed evitare l’introduzione di materiale radioattivo.
In particolare, soprattutto per esigenze di sicurezza e in risposta a possibili minacce terroristiche, sono sempre più diffusi i dispositivi noti come “portali di monitoraggio delle radiazioni” (Radiation Portal Monitors, RPMs), o semplicemente “portali”.
Questi dispositivi devono rispondere a standard internazionali, quali ad esempio quelli stabiliti dalle norme:
• IEC 62244 (2006): “Radiation protection instrumentation - Installed radiation monitors for the detection of radioactive and special nuclear materials at national borders”;
• ANSI N42.35 (2006): “American National Standard for Evaluation and Performance of Radiation Detection Portal Monitors for Use in Homeland Security”.
Una rassegna di dispositivi di rivelazione utilizzati nei portali si trova nelle seguenti pubblicazioni tecnicoscientifiche:
• R. Kouzes et al., “Detecting Illicit Nuclear Materials”, American Scientist 93 (2005) 244.
• R. Kouzes et al., “Passive neutron detection for interdiction of nuclear material at borders”, Nucl. Instr. and Meth. A583 (2008) 383.
• P.E. Fehlau, C. Garcia Jr., R.A. Payne, E.R. Shunk, “Vehicle monitors for domestic perimeter safeguards”, Los Alamos National Laboratory, LA-9633-MS UC-15, January 1983.
La gran parte dei dispositivi attualmente disponibili per realizzare i portali è tipicamente composta da due parti attive distinte: una parte è dedicata alla rivelazione di radiazione gamma, l’altra alla rivelazione neutronica.
La radiazione gamma è tipicamente rivelata tramite dispositivi che utilizzano scintillatori plastici (per esempio, poliviniltoluene) o, in alcuni casi e specialmente laddove sono richieste prestazioni spettrometriche più spinte, scintillatori cristallini (ad esempio ioduro di sodio) o rivelatori a semiconduttore (ad esempio germanio).
La radiazione neutronica è invece rivelata tipicamente tramite l’utilizzo di rivelatori multipli (spesso a forma tubolare) di 3He allo stato gassoso. L’aumento del costo di tale materia prima, dovuto alla diminuzione della sua disponibilità e reperibilità a partire dagli anni 2000, rende però necessaria la ricerca e lo sviluppo di soluzioni alternative. Infatti, 3He, scarso in natura, è principalmente generato, artificialmente, come sottoprodotto del processo di costruzione di testate nucleari. Due concause hanno portato negli ultimi decenni ad una diminuzione della disponibilità di 3He a livello globale: da un lato, il processo di disarmo attuato dai principali Paesi occidentali a partire dagli ultimi decenni del secolo scorso, e, dall’altro lato, il contemporaneo aumento di richiesta di nuove installazioni di portali presso punti di frontiera al fine di accrescere la sicurezza dei cittadini, in seguito agli eventi terroristici dei primi anni 2000. La diminuita disponibilità di 3He ha a sua volta causato un aumento del costo della materia prima, che rappresenta la problematica attuale di questa categoria di dispositivi.
Sorge quindi l’esigenza di individuare materiali alternativi all’3He per la rivelazione neutronica.
Rivelatori di neutroni attualmente in fase di studio per l’utilizzo nei portali in sostituzione dei rivelatori basati su 3He sono descritti nella pubblicazione:
• Richard T. Kouzes, James H. Ely, Luke E. Erikson, Warnick J. Kernan, Azaree T. Lintereur, Edward R. Siciliano, Daniel L. Stephens, David C. Stromswold, Renee M. Van Ginhoven, Mitchell L. Woodring: “Neutron detection alternatives to 3He for national security applications”, Nucl. Instr. Meth., A623 (2010), p. 1035-1045.
Le soluzioni descritte in tale pubblicazione, come altre ad oggi disponibili o in fase di sviluppo (per esempio facenti ricorso a scintillatori con litio e trifluoruro di boro allo stato gassoso, o basate su eccimeri di gas nobili o semiconduttori con boro) non sono però pienamente soddisfacenti, soprattutto perché in alcuni casi manifestano una minore efficienza di rivelazione rispetto all’3He e, in altri casi, per la tossicità e pericolosità dei materiali utilizzati.
Altri dispositivi in fase di sviluppo sono descritti nella domanda internazionale di brevetto WO2013116241-A1. In particolare, questo documento descrive dispositivi di rivelazione di neutroni e raggi gamma costituiti da due tipologie di rivelatori diversi e distinti, una per i neutroni e una per i raggi gamma. Le due tipologie di rivelatori utilizzano elementi attivi differenti, come per esempio due tipi di scintillatori diversi (per esempio uno scintillatore plastico per i raggi gamma; uno scintillatore composito a base di solfuro di zinco per i neutroni), o uno scintillatore e una camera a ionizzazione.
In certe forme di attuazione descritte in WO2013116241-A1, per la rivelazione di neutroni si usa uno scintillatore composito che contiene, oltre all’elemento scintillatore, anche Cd o Gd; questi elementi sono impiegati in miscela (solida o liquida) con lo scintillatore.
In alcune forme di attuazione, i rivelatori di neutroni e di raggi gamma vengano “letti” da un sensore (fotomoltiplicatore) comune, e la discriminazione tra neutroni e raggi gamma viene ottenuta dall’analisi dell’andamento temporale del segnale.
Anche questi dispositivi sembrano presentare dei limiti, soprattutto in termini di semplicità di realizzazione ed efficacia e affidabilità di funzionamento, per esempio in quanto richiedono l’uso e la gestione di elementi attivi differenti, alcuni dei quali anche relativamente complessi da realizzare. Anche il sistema di analisi dei dati per la discriminazione di raggi gamma e neutroni, basato sull’andamento temporale del segnale ricevuto, può non essere sempre soddisfacente.
È uno scopo della presente invenzione quello di fornire un dispositivo e un metodo per la rivelazione di neutroni e raggi gamma che siano privi degli inconvenienti qui evidenziati della tecnica nota; in particolare, è uno scopo del trovato quello di fornire un dispositivo e un metodo che consentano di rivelare sia neutroni, sia raggi gamma, in modo efficiente e al contempo relativamente semplice ed economico, costituendo una valida alternativa alle soluzioni note.
La presente invenzione è dunque relativa a un dispositivo e un metodo per la rivelazione di neutroni e raggi gamma, in particolare emessi da radionuclidi trasportati da persone e/o veicoli, come definiti in termini essenziali nelle annesse rivendicazioni 1 e, rispettivamente, 17, nonché, per i caratteri addizionali preferiti, nelle rivendicazioni dipendenti.
Il dispositivo e il metodo del trovato permettono di rivelare sia raggi gamma sia neutroni, nonché di discriminare tra sorgenti gamma e sorgenti neutroniche, impiegando, a differenza dei sistemi noti, un singolo elemento attivo.
In accordo al trovato, sia i neutroni sia i raggi gamma sono rivelati tramite un solo (lo stesso) elemento attivo, sensibile ai raggi gamma (in particolare uno scintillatore plastico sensibile ai raggi gamma), associato a un materiale assorbitore di neutroni (per esempio cadmio o, preferibilmente, gadolinio) che genera a sua volta una emissione gamma a seguito di interazione neutronica; si discrimina poi tra raggi gamma e neutroni tramite un apposito sistema di acquisizione e analisi dei dati che implementa un algoritmo di discriminazione tra eventi gamma ed eventi neutronici a soglia di energia (basato cioè su analisi dei livelli energetici degli eventi).
La specifica struttura del dispositivo, e specificamente della parte attiva del rivelatore che impiega un solo elemento attivo per la rivelazione sia dei neutroni sia dei raggi gamma (scintillatore), rende possibile adottare un sistema di discriminazione a soglia di energia, particolarmente semplice, efficace e affidabile.
Il dispositivo dell’invenzione è dotato quindi solamente di un elemento attivo sensibile ai raggi gamma (in particolare, uno scintillatore plastico, di semplice realizzazione e impiego), e non include invece un elemento attivo specifico per la rivelazione di neutroni, come per esempio nei dispositivi descritti in WO2013116241-A1.
Gli strati di materiale assorbitore (per esempio, gadolinio) sono in forma solida per consentire sia una semplice costruzione del dispositivo, sia una elevata flessibilità di impiego (permettendo in particolare di realizzare unità modulari combinabili a costruire portali di diverse dimensioni e capacità).
In sintesi, i raggi gamma emessi dai radionuclidi per decadimento spontaneo interagiscono nel rivelatore del dispositivo principalmente per effetto Compton e per assorbimento fotoelettrico, rilasciando una frazione significativa della loro energia nella parte attiva del dispositivo. Dallo spettro dei segnali dei fotomoltiplicatori associati alla parte attiva del dispositivo si determina lo spettro dei raggi gamma incidenti e, con opportuni tagli, si monitorano i ratei di conteggio dei raggi gamma in varie finestre energetiche. L’aumento di tali ratei di conteggio rispetto al fondo è il segnale della presenza di una sorgente radioattiva gamma.
Anche i neutroni emessi dai radionuclidi interagiscono con la parte attiva del dispositivo e precisamente con il medesimo elemento attivo con cui interagiscono i raggi gamma. In particolare, i neutroni perdono la quasi totalità della loro energia cinetica in seguito ad urti elastici o anelastici principalmente con i nuclei dello scintillatore plastico (processo di rallentamento o termalizzazione). I neutroni vengono quindi catturati dai nuclei del materiale assorbitore con l’emissione di una cascata di raggi gamma, con una energia complessiva caratteristica del materiale assorbitore usato (per esempio, circa 8 MeV nel caso di gadolinio), i quali interagiscono come precedentemente descritto.
Poiché l’energia totale in termini di radiazione gamma rilasciata dall’interazione del neutrone con il materiale assorbitore ad alta cattura neutronica è dell’ordine di 8 MeV, mentre l’energia associata ai raggi gamma emessi durante il decadimento spontaneo dei radionuclidi è sempre inferiore a 8 MeV, il dispositivo dell’invenzione è in grado di rivelare simultaneamente raggi gamma e neutroni discriminando le due tipologie di particelle, conteggiando i raggi gamma (in diversi intervalli energetici) ed i neutroni incidenti sul rivelatore.
Il segnale di un neutrone è rivelato e discriminato dal segnale dei raggi gamma con l’imposizione di una soglia nello spettro energetico dei raggi gamma dell’ordine di qualche MeV, poiché in una frazione significativa degli eventi gamma dovuti alla cattura neutronica l’energia totale depositata è superiore a quella delle sorgenti gamma. Pertanto, l’aumento, rispetto al valore di fondo, del rateo degli eventi con energia superiore a questa soglia è il segnale della presenza di una sorgente neutronica.
Riassumendo, il dispositivo e il metodo dell’invenzione conseguono i seguenti vantaggi rispetto alle soluzioni della tecnica nota:
• la parte attiva del dispositivo è realizzata con materiali di comune approvvigionamento, aventi costi contenuti, e rappresenta quindi una valida alternativa all’utilizzo dei rivelatori noti operanti con 3He, in particolare nel settore di applicazione preferito dei portali di monitoraggio della radiazioni;
• il dispositivo dell’invenzione è dotato di un rivelatore che è sensibile ai raggi gamma ma è in grado di rivelare e discriminare raggi gamma e neutroni, e si presta quindi ad assolvere ad entrambe le funzioni richieste nei portali di monitoraggio delle radiazioni comunemente richiesti;
• il dispositivo dell’invenzione è dotato di un rivelatore che è in grado di rivelare tutti i neutroni a prescindere dalla loro energia (termici, epitermici e veloci);
• il rivelatore in accordo all’invenzione è realizzabile anche in forma modulare, e quindi può essere utilizzato per costruire dispositivi aventi dimensioni e volumi diversi in modo da ottenere l’efficienza richiesta nell’applicazione specifica, senza necessità di modifiche strutturali sostanziali.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno chiari dalla descrizione che segue di un suo esempio non limitativo di attuazione, con riferimento alle figure dei disegni annessi, in cui:
– la figura 1 è una vista schematica di un dispositivo per la rivelazione di neutroni e raggi gamma in accordo all’invenzione, in particolare configurato a portale per costituire un cosiddetto “portale di monitoraggio delle radiazioni”;
– la figura 2 è una vista schematica di un rivelatore facente parte del dispositivo del trovato;
– le figure da 3 a 5 sono viste schematiche di rispettivi dettagli del rivelatore di figura 2;
– la figura 6 è uno schema a blocchi che mostra le fasi principali del metodo per la rivelazione e la discriminazione di neutroni e raggi gamma emessi da radionuclidi in accordo all’invenzione.
In figura 1 è schematicamente rappresentato un dispositivo 1 per la rivelazione di neutroni e raggi gamma, comprendente almeno un rivelatore 2 e un sistema 3 di acquisizione ed analisi dati, connesso al rivelatore 2 per acquisire ed elaborare segnali ricevuti dal rivelatore 2.
Nell’esempio non limitativo illustrato in figura 1, il dispositivo 1 è utilizzato in una configurazione a portale, per realizzare un cosiddetto portale 4 di monitoraggio delle radiazioni (Radiation Portal Monitor) per la rivelazione di radionuclidi eventualmente trasportati da persone e/o veicoli durante il loro passaggio lungo percorsi assegnati e specificamente attraverso il portale 4.
Il dispositivo 1 comprende quindi una coppia di rivelatori 2 affacciati collegati al sistema 3 di acquisizione e analisi dati; i due rivelatori 2 sono sostanzialmente uguali e rivolgono uno verso l’altro le rispettive facce 5 di ingresso (che in uso sono rivolte verso l’oggetto/sorgente da monitorare).
Ciascun rivelatore 2 può essere costituito da una o più unità funzionali 6 modulari, combinabili insieme (affiancate lateralmente e/o sovrapposte in verticale) per realizzare portali 4 di diverse dimensioni e/o capacità.
Nel seguito, viene descritto per semplicità un rivelatore 2 formato da una singola unità funzionale 6.
Con riferimento anche alle figure 2-5, un rivelatore 2 (cioè una unità funzionale 6) si estende sostanzialmente lungo un asse A longitudinale e comprende una parte attiva 7 sensibile ai raggi gamma che include solamente uno o più materiali attivi sensibili ai raggi gamma e impiega solamente tali materiali attivi per la rivelazione sia dei raggi gamma, sia dei neutroni.
In particolare, la parte attiva 7 è formata da una pluralità di strati 8 scintillatori sensibili ai raggi gamma e di strati 9 assorbitori sovrapposti e alternati, aventi in particolare forma sostanzialmente di foglio o lastra sottile e accoppiati uno all’altro su rispettive facce sostanzialmente piane. Gli strati 8 scintillatori sono separati uno dall’altro da strati 9 assorbitori.
Gli strati 8 scintillatori sono realizzati con un materiale scintillatore sensibile ai raggi gamma, in particolare uno scintillatore organico (detto anche scintillatore plastico, cioè in materiale polimerico), per esempio poliviniltoluene.
Gli strati 9 assorbitori sono strati solidi che contengono almeno un materiale assorbitore di neutroni, contenendo per esempio elementi metallici aventi elevata sezione d’urto di cattura neutronica; il materiale assorbitore di neutroni è in grado, interagendo con i neutroni incidenti, di produrre a sua volta raggi gamma. In particolare, gli strati 9 assorbitori contengono cadmio o gadolinio in forma solida, in particolare in forma metallica o di ossidi o altro, eventualmente applicati a un supporto in foglio. Per esempio, ogni strato 9 assorbitore è costituito da un foglio di materiale polimerico rivestito con ossido di gadolinio, o contenente ossido di gadolinio in una matrice a base di resina.
Il rivelatore 2 comprende almeno due strati 8 scintillatori e preferibilmente, ma non necessariamente, comprende un numero complessivo di strati 8 scintillatori compreso tra 5 e 15.
La quantità totale di materiale assorbitore (gadolinio o cadmio, escluso l’eventuale materiale di supporto che forma, insieme al materiale assorbitore, uno strato 9 assorbitore) interposto tra due strati 8 scintillatori è compreso tra circa 2 mg/cm2 e circa 2 g/cm2, a prescindere dalla tecnologia di deposizione (verniciatura, fogli, eccetera) e dalla forma chimica (metallo, ossido, carburo, eccetera).
Indicativamente, gli strati 8 scintillatori hanno dimensioni trasversali (larghezza e lunghezza) dell’ordine di alcune decine di centimetri e spessore dell’ordine del centimetro. Per esempio, gli strati 8 scintillatori hanno spessore compreso tra circa 5 e circa 100 mm e, preferibilmente, tra circa 5 mm e circa 50 mm, in particolare intorno a circa 20 mm.
Gli strati 9 assorbitori hanno dimensioni trasversali analoghe agli strati 8 scintillatori e spessore tale da non indurre significative perdite di energia da parte di raggi gamma con energie dell’ordine del MeV, per esempio spessore di alcune decine di micron.
In una forma di attuazione, gli strati 8 scintillatori e gli strati 9 assorbitori sono organizzati in celle 10 elementari, ciascuna cella 10 essendo formata (figura 4) da uno strato 8 scintillatore e da uno strato 9 assorbitore accoppiati lungo rispettive facce sostanzialmente piane.
La parte attiva 7 del rivelatore 2 è formata quindi da una pluralità di celle 10 sovrapposte, indicativamente dell’ordine della decina di celle, ognuna formata da uno strato 8 scintillatore e da uno strato 9 assorbitore.
Resta inteso che la parte attiva 7 può essere formata con diversi schemi di strati 8 scintillatori e strati 9 assorbitori.
In generale, la parte attiva 7 ha forma sostanzialmente prismatica, in particolare di parallelepipedo, risultando dalla sovrapposizione degli strati 8 scintillatori e degli strati 9 assorbitori (aventi genericamente forma rettangolare in pianta), e si estende lungo l’asse A tra due estremità 11 longitudinali opposte.
La parte attiva 7 è dotata di fotomoltiplicatori 13 (figura 2), collocati alle estremità 11 per rilevare (o “leggere”) l’emissione della parte attiva 7 o di sue parti e in particolare per raccogliere parte dell’energia rilasciata dall’interazione dei raggi gamma con il materiale scintillatore, come sarà chiarito in seguito. I fotomoltiplicatori 13 sono equipaggiati con rispettivi involucri e schermi magnetici (noti).
L’accoppiamento ottico tra i fotomoltiplicatori 13 e la parte attiva 7 è realizzato per contatto diretto oppure, come illustrato in figura 2, tramite guide di luce 14 che collegano i fotomoltiplicatori 13 alla parte attiva 7.
Vantaggiosamente, il rivelatore 2 comprende almeno una coppia di fotomoltiplicatori 13, disposti alle due estremità 11.
Nella preferita forma di attuazione illustrata in figura 2, il rivelatore 2 comprende una prima e una seconda sezione attiva 15A, 15B, affiancate una all’altra e che si estendono parallele all’asse A tra le estremità 11 e precisamente tra proprie rispettive estremità 11A, 11B longitudinali opposte.
Ciascuna sezione attiva 15A, 15B è formata da una pluralità di strati 8 scintillatori e strati 9 assorbitori sovrapposti e alternati.
Le due sezioni attive 15A, 15B sono asimmetriche rispetto all’asse A, cioè hanno un diverso spessore e/o un diverso numero di strati 8 scintillatori e/o strati 9 assorbitori (o di celle 10 elementari).
Le due sezioni attive 15A, 15B sono dotate di rispettivi fotomoltiplicatori 13A, 13B e sono lette indipendentemente dai rispettivi fotomoltiplicatori 13A, 13B; in particolare, ciascuna sezione attiva 15A, 15B è dotata di una coppia di fotomoltiplicatori 13A, 13B posti alle estremità 11A, 11B longitudinali della rispettiva sezione attiva 15A, 15B.
Ciascuna estremità 11A, 11B presenta un bordo 16 periferico di estremità ed è collegata al rispettivo fotomoltiplicatore 13A, 13B da una guida di luce 14 opportunamente sagomata; in particolare ciascuna guida di luce 14 si estende parallela all’asse A tra un ingresso 17, unito ad un bordo 16 di una estremità 11A, 11B e avente la forma del bordo 16 a cui è unito, ed una uscita 18, opposta all’ingresso 17 e unita a un fotomoltiplicatore 13 e avente essenzialmente la forma di una sezione di ingresso del fotomoltiplicatore 13 (o del relativo involucro) a cui è unita (per esempio forma sostanzialmente circolare).
I fotomoltiplicatori 13 sono dotati di cavi di alimentazione (non illustrati per semplicità) e di cavi di trasmissione, definenti un circuito 19 (schematicamente mostrato in figura 1) che trasmette i segnali generati dai fotomoltiplicatori 13 al sistema 3 di acquisizione e analisi dati.
Preferibilmente, i fotomoltiplicatori operano con tensione compresa tra 500 e 3000 V.
La prima sezione attiva 15A, che in uso è dotata della faccia di ingresso 5 e risulta affacciata alla sorgente o all’oggetto da monitorare (vale a dire, nella configurazione a portale del dispositivo 1, è rivolta verso l’interno del portale 4), ha un numero di strati 8 scintillatori e di strati 9 assorbitori inferiore alla seconda sezione attiva 15B, rivolta in uso dal lato opposto alla sorgente o oggetto da monitorare (cioè verso l’esterno del portale 5).
La sezione attiva 15A ha quindi anche spessore inferiore alla sezione attiva 15B ed è dotata di (cioè è letta da) fotomoltiplicatori 13A di diametro inferiore ai fotomoltiplicatori 13B associati alla sezione attiva 15B.
Ciascun fotomoltiplicatore 13 ha forma genericamente cilindrica e ha un diametro paragonabile allo spessore complessivo della sezione attiva 7 a cui è collegato.
Preferibilmente, ciascun fotomoltiplicatore 13 ha una sezione trasversale di area superiore ad almeno il 5% della sezione trasversale della sezione attiva 15 a cui è associato.
In una forma di attuazione puramente esemplificativa ma non limitativa, la sezione attiva 15A è composta da due strati 8 scintillatori ed è letta da fotomoltiplicatori 13 da 3”, mentre la seconda parte è composta da 10 strati 8 scintillatori letti da fotomoltiplicatori da 5”. Le sezioni attive 15A, 15B possono comunque avere un diverso numero di strati 8, 9.
Tra gli strati 8 scintillatori di entrambe le sezioni attive 15A, 15B sono interposti gli strati 9 assorbitori.
Vantaggiosamente, le due sezioni attive 15A, 15B sono separate da una lastra 20 di separazione (figure 2 e 3), per esempio in materiale metallico, contenente una quantità maggiore di gadolinio rispetto agli strati 9 assorbitori.
Con questa specifica configurazione (o altre analoghe), il rivelatore 2 (e quindi il dispositivo 1 nel suo complesso) risulta avere una maggiore sensibilità per fotoni a basse energie, grazie alla lettura indipendente dei primi strati 8 scintillatori (quelli cioè della prima sezione attiva 15A, che sono relativamente pochi, per esempio 1-5), dove vengono assorbiti appunto i fotoni di bassa energia.
Si consegue inoltre un aumento dell’efficienza del rivelatore 2 alla rivelazione di neutroni termici, ottenuto con l’aggiunta della lastra 20 a maggior contenuto di gadolinio tra le due sezioni attive 15A, 15B in maniera tale da realizzare una zona ad elevata concentrazione di gadolinio all’interno del volume di materiale scintillatore.
La parte attiva 7 è vantaggiosamente contenuta all’interno di un involucro 21, per esempio in alluminio o plastica (illustrato, schematicamente, in figura 1), avente sia funzioni di supporto meccanico sia di schermatura dalla luce.
Alcuni parametri indicativi del rivelatore 2 nel suo assieme sono riportati, sempre a titolo esemplificativo e non limitativo, nel seguito:
- volume complessivo di materiale scintillatore: superiore a 10 litri
- larghezza degli strati scintillatori: 20-60 cm (preferibilmente intorno a 40 cm)
- altezza degli strati scintillatori: 20-200 cm (preferibilmente intorno a 100 cm)
- spessore dello strato scintillatore: 5-100 mm (preferibilmente 5-50 mm, per esempio intorno a 20 mm)
- numero di strati scintillatori: in relazione allo spessore degli stessi strati 8 scintillatori, selezionato in modo che lo spessore complessivo del rivelatore 2 sia dell’ordine di 20 cm (preferibilmente, 12 strati scintillatori di 20 mm di spessore)
- quantità complessiva di ossido di gadolinio (avente densità 7,41 g/cm3) negli strati 9 assorbitori: in generale, dipende dallo spessore complessivo degli strati 8 scintillatori tra i quali è interposto l’ossido di gadolinio; nel caso gli strati 8 scintillatori abbiano spessore 20 mm, gli strati 9 assorbitori contengono una quantità complessiva di ossido di gadolinio compresa tra circa 2 mg/cm2 e circa 2 g/cm2 (il valore preferito, a cui subentra la saturazione, è di circa 20 mg/cm2).
Il sistema 3 di acquisizione e analisi dei dati comprende almeno una scheda 23 elettronica di acquisizione e analisi dati, collegata ai fotomoltiplicatori 13, e una unità di controllo 24 (per esempio, un computer), collegata alla scheda 23.
Per semplicità, non è illustrato il sistema di alimentazione elettrica del dispositivo 1.
Il circuito 19 collega i fotomoltiplicatori 13 alla scheda 23 di acquisizione dati e questa all’unità di controllo 24.
La scheda 23 opera da campionatore/digitalizzatore, avendo preferibilmente capacità di campionamento non inferiore a 100 Msample/s; la scheda 23 è in grado di acquisire, digitalizzare, integrare temporalmente e salvare tempi e cariche di segnali analogici della durata di circa 100 ns con fronti di salita di circa 10 ns e carica dell’ordine del pC; nonché di gestire un rateo elevato di eventi in pipe-line, dell’ordine di alcune centinaia di kHz per canale (dati non elaborati).
La scheda 23 è configurata in modo da: rilevare in modalità continua (pipe-line) un segnale proveniente dal rivelatore 2, e precisamente la presenza di impulsi in tensione superiori ad una soglia programmabile; digitalizzare il segnale ricevuto; calcolare l’area del segnale ricevuto (che è proporzionale all’energia depositata nel materiale scintillatore del rivelatore 2) e il tempo di arrivo del segnale.
L’unità di controllo 24 è dotata di un programma di acquisizione e analisi dati, che implementa un algoritmo di discriminazione tra eventi gamma ed eventi neutronici e opera, in attuazione del metodo per la rivelazione di neutroni e raggi gamma emessi da radionuclidi in accordo all’invenzione, seguendo lo schema riportato in figura 6 e in particolare in modo da:
(a) inizializzare e gestire la catena elettronica di acquisizione dati (e quindi, in particolare, la scheda 23 di acquisizione e analisi dati);
(b) elaborare in tempo reale i dati acquisiti per determinare i ratei di conteggio di raggi gamma e neutroni; in particolare, i dati grezzi sono elaborati imponendo opportune condizioni di selezione; come riportato in figura 6, le condizioni di selezione sono costituite da richieste di coincidenza temporale di segnali e da tagli in energia;
(c) calcolare i ratei di interazione dei neutroni e dei raggi gamma, per questi ultimi in varie finestre energetiche, integrando su tempi dell’ordine del decimo di secondo;
(d) presentare su schermo in modo grafico e salvare in tempo reale l’andamento dei ratei di eventi gamma e di eventi neutronici e gli spettri dell’energia depositata nei due casi;
(e) segnalare e registrare allarmi in tempo reale nel caso di rilevazione di sorgenti gamma o di neutroni; in particolare, gli allarmi sono generati (e per esempio visualizzati su schermo e/o inviati ad opportuni apparati di segnalazione visiva e/o acustica, anche in accordo alle normative di settore) in tempo reale nel caso in cui i ratei di eventi gamma e/o eventi neutronici superino dei valori di soglia preimpostati (selezionabili a seconda di valori di riferimento definiti dal fondo di misura);
(f) salvare e visualizzare in tempo reale i risultati dell’analisi dei dati.
In maggior dettaglio, come mostrato nello schema a blocchi di figura 6, il programma di acquisizione e analisi dati include i seguenti passi:
- inizializzare (101) il programma;
- inizializzare (102) la scheda 23 di acquisizione dati; - iniziare (103) l’acquisizione di dati dal rivelatore 2; - analizzare (104) i dati ricevuti e rilevare (105) un evento quando si verifica la presenza di una coincidenza temporale dei segnali di una coppia di fotomoltiplicatori 13A, 13B entro una finestra temporale selezionabile dell’ordine delle decine di nanosecondi. Tale coincidenza è indice di una reale interazione di una particella nel rivelatore 2 e ha la funzione di sopprimere il rumore intrinseco dei fotomoltiplicatori 13;
- stabilita la presenza di un evento (se i segnali dei due fotomoltiplicatori 13A, 13B sono correlati), discriminare (106) tra eventi gamma ed eventi neutronici (tramite l’algoritmo di discriminazione), operando come segue:
• analizzare (107) l’energia dell’evento: gli integrali (area sottesa dall’impulso, proporzionale alla carica depositata) dei segnali dei fotomoltiplicatori 13 registrati dalla scheda 23 di acquisizione vengono elaborati per determinare l’energia complessiva associata all’evento stesso; • se l’energia così determinata è compresa in una delle finestre energetiche gamma (108), incrementare (109) un contatore di eventi gamma; • se l’energia determinata è superiore alla soglia che definisce l’energia minima di un evento neutronico (110), incrementare un contatore di neutroni;
• calcolare (111) un rateo di eventi gamma o di eventi neutronici, integrando il numero di eventi gamma e di eventi neutronici su tempi dell’ordine del decimo di secondo; eventualmente, i ratei sono segnalati (per esempio in forma grafica su schermo) in tempo reale ad uso dell’utente;
• se uno o più dei ratei di eventi gamma e/o uno o più dei ratei di eventi neutronici superano rispettivi valori di soglia (112) opportunamente impostato sulla base di misure del fondo ambientale, si genera (113) un allarme corrispondente, per esempio segnalato su schermo. I ratei di eventi gamma ed eventi neutronici e gli eventuali allarmi così definiti vengono registrati (114) a scopo di archiviazione.
In maggior dettaglio, l’algoritmo di discriminazione tra eventi gamma ed eventi neutronico opera nel modo seguente.
I segnali dei fotomoltiplicatori 13 sono acquisiti continuamente dalla scheda 23, la quale associa ad ogni segnale che supera il valore di soglia in tensione due valori:
1) un valore rappresentativo dell’istante temporale in cui il segnale è avvenuto;
2) un valore rappresentativo della carica del segnale.
Il programma di acquisizione ed analisi dati elabora tali valori dei segnali e definisce come evento la condizione in cui si verifica una coincidenza temporale, entro una finestra dell’ordine delle decine di nanosecondi, tra due segnali dei fotomoltiplicatori posti alle due estremità degli strati scintillatori.
Ad ogni evento è pertanto associato:
- un istante temporale, pari alla media degli istanti dei due segnali;
- un valore di carica totale (combinazione delle cariche dei due segnali), proporzionale all’energia totale dell’evento rilasciata all’interno del materiale scintillatore.
Ogni evento così definito può essere:
1. un evento dovuto al fondo di radiazione naturale: raggi cosmici o materiali di libera circolazione contenenti elementi debolmente radioattivi (ad esempio: 40K presente nel calcestruzzo, 238U nel terreno, eccetera);
2. un evento dovuto a una sorgente gamma;
3. un evento dovuto a una sorgente neutronica.
La reiezione della componente dovuta al fondo di misura avviene in sede di analisi dei dati integrati su tutto il periodo di misura, mediante la sottrazione dello spettro energetico del fondo allo spettro energetico totale. Per esempio, la componente di fondo (che si assume stabile nei limiti dell’incertezza della misura) viene misurata al momento dell’installazione e/o messa in funzione del dispositivo 1; eventualmente, si possono effettuare nuove misure periodiche del fondo (per esempio quando il dispositivo 1 non è “occupato” dal transito di merci/persone da monitorare) per aggiornare la misura del fondo, e in questa maniera la sottrazione del fondo può essere fatta “in tempo reale”, ovvero un instante dopo il passaggio della merce/persona, subito prima di fornire, in uscita, lo spettro energetico.
La discriminazione tra evento gamma ed evento neutronico avviene in tempo reale mediante l’implementazione dell’algoritmo di discriminazione nel programma di acquisizione e analisi dati.
Il programma analizza, in tempo reale, le energie Ei totali degli eventi.
Come descritto in precedenza, se l’energia totale di un evento rilasciata all’interno degli strati 8 scintillatori supera un valore limite Elim (dell’ordine di qualche MeV) l’evento corrisponde ad un rilascio di energia sotto forma di fotoni a seguito di cattura neutronica negli strati 9 assorbitori.
Pertanto, a seconda dell’energia dell’evento, quest’ultimo viene classificato come:
• un evento di sorgente gamma, se Ei<Elim;
• un evento di sorgente neutronica, se Ei≥Elim.
Nel caso di eventi classificati come originati da una sorgente gamma, il programma attua un’ulteriore classificazione in alcuni sotto-intervalli energetici di ampiezza dell’ordine delle centinaia di keV, in maniera tale da rendere possibile una identificazione di base della sorgente. Ad esempio, sorgenti gamma tipiche come 137Cs e 60Co emettono fotoni ad energie differenti (137Cs: circa 600 keV; 60Co: circa 1,1 e circa 1,3 MeV). Pertanto, classificare gli eventi in almeno due intervalli distinti contenenti tali valori energetici permette di identificare la sorgente e stabilire se si tratti di cesio o cobalto.
Il numero di eventi viene quindi integrato, in ogni finestra energetica, in un tempo dell’ordine del decimo di secondo; in tal modo, il programma calcola una stima dei corrispondenti ratei di eventi.
Valori di soglia sui ratei di eventi sono definiti a partire dai valori degli stessi ratei in assenza di sorgenti (ovvero in presenza del solo fondo). Nel caso in cui uno o più ratei calcolati dal programma superino i valori di soglia, viene emesso un corrispondente allarme.
Il funzionamento del dispositivo 1 in attuazione del metodo per la rivelazione di neutroni e raggi gamma emessi da radionuclidi in accordo all’invenzione è il seguente.
Quando un oggetto contenente radionuclidi passa davanti al rivelatore 2, per esempio attraversando il portale 5, i raggi gamma emessi dai radionuclidi per decadimento spontaneo interagiscono nel rivelatore 2 principalmente per effetto Compton e per assorbimento fotoelettrico, rilasciando una frazione significativa della loro energia nella parte attiva 7. Dallo spettro dei segnali dei fotomoltiplicatori 13 si determina lo spettro dei raggi gamma incidenti e, con opportuni tagli, si monitorano i ratei di conteggio dei raggi gamma in varie finestre energetiche. L’aumento di tali ratei di conteggio rispetto al fondo è il segnale della presenza di una sorgente radioattiva gamma.
Anche i neutroni emessi dai radionuclidi interagiscono con la parte attiva 7 del rivelatore 2. In particolare, i neutroni perdono la quasi totalità della loro energia cinetica (processo di rallentamento o termalizzazione) in seguito ad urti elastici o anelastici principalmente con i nuclei del materiale scintillatore. I neutroni vengono quindi catturati dai nuclei del materiale assorbitore con l’emissione di una cascata di raggi gamma aventi una energia complessiva caratteristica (per esempio, di circa 8 MeV usando gadolinio come materiale assorbitore), i quali interagiscono come precedentemente descritto.
Il segnale di un neutrone è rivelato e discriminato dal segnale dei raggi gamma con l’imposizione di una soglia nello spettro energetico dei raggi gamma dell’ordine di qualche MeV, poiché in una frazione significativa degli eventi gamma dovuti alla cattura neutronica l’energia totale depositata è superiore a quella delle sorgenti gamma. Pertanto, l'aumento, rispetto al fondo, del rateo degli eventi con energia superiore a questa soglia è il segnale della presenza di una sorgente neutronica.
Eventualmente, in caso di eventi classificati come originati da una sorgente gamma, il programma attua anche l’ulteriore classificazione in sotto-intervalli energetici per una identificazione di base della sorgente.
Resta infine inteso che al dispositivo e al metodo qui descritti ed illustrati possono essere apportate ulteriori modifiche e varianti che non escono dall’ambito delle annesse rivendicazioni.
Claims (20)
- RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo (1) per la rivelazione di neutroni e raggi gamma, in particolare provenienti da radionuclidi trasportati da persone e/o da veicoli in transito lungo un percorso prefissato, comprendente almeno un rivelatore (2) e un sistema (3) di acquisizione ed analisi dati, connesso al rivelatore (2); in cui il rivelatore (2) ha una ed unica parte attiva (7) che include solamente uno o più materiali attivi sensibili ai raggi gamma, essendo formata da: una pluralità di strati (8) scintillatori sensibili ai raggi gamma, realizzati con un materiale scintillatore sensibile ai raggi gamma, in particolare uno scintillatore plastico, per esempio poliviniltoluene; e interdisposti strati (9) assorbitori, contenenti almeno un materiale assorbitore di neutroni, in particolare cadmio o gadolinio; e in cui sia i raggi gamma sia i neutroni sono rivelati tramite gli stessi strati (8) scintillatori sensibili ai raggia gamma e tramite l’emissione gamma generata dall’interazione dei neutroni con il materiale assorbitore degli strati (9) assorbitori.
- 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui il sistema (3) di acquisizione ed analisi dati è configurato in modo da discriminare tra raggi gamma e neutroni tramite un algoritmo di discriminazione a soglia di energia.
- 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il rivelatore (2) comprende un numero di strati (8) scintillatori compreso tra 2 e 15; e ciascuno strato (8) scintillatore ha spessore compreso tra circa 5 mm e circa 100 mm.
- 4. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui ogni strato (9) assorbitore che separa due strati (8) scintillatori contiene una quantità totale di materiale assorbitore compresa tra circa 2 mg/cm2 e circa 2 g/cm2.
- 5. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la parte attiva (7) è dotata di fotomoltiplicatori (13), collocati a rispettive estremità (11) longitudinali opposte della parte attiva (7) per raccogliere energia rilasciata dall’interazione dei raggi gamma con il materiale scintillatore.
- 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, in cui l’accoppiamento ottico tra i fotomoltiplicatori (13) e la parte attiva (7) è realizzato per contatto diretto oppure tramite guide di luce (14) che collegano i fotomoltiplicatori (13) alla parte attiva (7).
- 7. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui i fotomoltiplicatori (13) sono collegati alla parte attiva (7) da rispettive guide di luce (14); ciascuna guida di luce (14) avendo un ingresso (17), unito ad un bordo (16) di una estremità (11) della parte attiva (7) e avente la forma del detto bordo (16); ed una uscita (18), opposta all’ingresso (17) e unita a un fotomoltiplicatore (13) e avente essenzialmente la forma di una sezione di ingresso del fotomoltiplicatore (13) a cui è unito.
- 8. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il rivelatore (2) comprende una prima e una seconda sezione attiva (15A, 15B), affiancate una all’altra e che si estendono parallele a un asse (A) longitudinale del rivelatore (2) e formate da rispettive pluralità di strati (8) scintillatori e strati (9) assorbitori sovrapposti e alternati; le sezioni attive (15A, 15B) essendo dotate di rispettivi fotomoltiplicatori (13A, 13B), posti a rispettive estremità (11A, 11B) longitudinali delle sezioni attive (15A, 15B), ed essendo lette indipendentemente dai rispettivi fotomoltiplicatori (13A, 13B).
- 9. Dispositivo secondo la rivendicazione 8, in cui le due sezioni attive (15A, 15B) sono asimmetriche rispetto all’asse (A), avendo un diverso spessore e/o un diverso numero di strati (8) scintillatori e/o di strati (9) assorbitori.
- 10. Dispositivo secondo la rivendicazione 8 o 9, in cui le due sezioni attive (15A, 15B) sono separate da una lastra (20) contenente una quantità maggiore di materiale assorbitore rispetto agli strati (9) assorbitori.
- 11. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il dispositivo (1) ha una configurazione a portale e costituisce un portale (5) di monitoraggio delle radiazioni per la rivelazione di radionuclidi eventualmente trasportati da persone e/o veicoli durante il loro passaggio attraverso il portale (5); il dispositivo (1) comprendendo una coppia di rivelatori (2) affacciati e collegati al sistema (3) di acquisizione e analisi dati.
- 12. Dispositivo secondo la rivendicazione 11, in cui ciascun rivelatore (2) è costituito da una o più unità funzionali (6) modulari, combinabili insieme, affiancate lateralmente e/o sovrapposte in verticale, per realizzare portali (5) di diverse dimensioni e/o capacità.
- 13. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il sistema (3) di acquisizione e analisi dati è configurato in modo da analizzare i segnali provenienti dal rivelatore (2) e calcolare l’energia totale rilasciata all’interno del rivelatore (2) a seguito di una interazione con raggi gamma o neutroni; e in modo da discriminare tra raggi gamma e neutroni incidenti sul rivelatore (2) a seconda che l’energia sia superiore o inferiore a una soglia prefissata.
- 14. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il sistema (3) di acquisizione e analisi dati è configurato in modo da: - rilevare un evento dai segnali ricevuti dal rivelatore (2); e - classificare l’evento come evento originato da una sorgente gamma o evento originato da una sorgente neutronica, discriminando (106) tra eventi gamma ed eventi neutronici in base all’energia dell’evento.
- 15. Dispositivo secondo la rivendicazione 14, in cui il sistema (3) di acquisizione e analisi dati è configurato in modo da calcolare l’energia (Ei) totale di un evento rilasciata all’interno degli strati (8) scintillatori e confrontare detta energia con un valore limite (Elim) preimpostato; e da classificare l’evento come: • un evento originato da una sorgente gamma, se Ei<Elim; • un evento originato da una sorgente neutronica, se Ei≥Elim.
- 16. Dispositivo secondo la rivendicazione 14 o 15, in cui il sistema (3) di acquisizione e analisi dati è configurato in modo da classificare l’evento, nel caso di eventi classificati come originati da una sorgente gamma, in sotto-intervalli energetici per una identificazione di base della sorgente.
- 17. Metodo per la rivelazione di neutroni e raggi gamma emessi da radionuclidi, comprendente le fasi di: - predisporre un rivelatore (2) comprendente una parte attiva (7) che include solamente uno o più materiali attivi sensibili ai raggi gamma, essendo formata da: una pluralità di strati (8) scintillatori sensibili ai raggi gamma, realizzati con un materiale scintillatore sensibile ai raggi gamma, in particolare uno scintillatore plastico, per esempio poliviniltoluene; e interdisposti strati (9) assorbitori, contenenti almeno un materiale assorbitore di neutroni, in particolare cadmio o gadolinio; e in cui sia i raggi gamma sia i neutroni sono rivelati tramite gli stessi strati (8) scintillatori sensibili ai raggia gamma e tramite l’emissione gamma generata dall’interazione dei neutroni con il materiale assorbitore degli strati (9) assorbitori; - analizzare i segnali provenienti dal rivelatore (2) e calcolare l’energia totale rilasciata all’interno del rivelatore (2) a seguito di una interazione con raggi gamma o neutroni; - discriminare tra raggi gamma e neutroni incidenti sul rivelatore (2) a seconda che detta energia sia superiore o inferiore a una soglia prefissata.
- 18. Metodo secondo la rivendicazione 17, comprendente le fasi di rilevare un evento dai segnali ricevuti dal rivelatore (2); classificare l’evento come evento originato da una sorgente gamma o evento originato da una sorgente neutronica, discriminando (106) tra eventi gamma ed eventi neutronici in base all’energia dell’evento.
- 19. Metodo secondo la rivendicazione 18, comprendente le fasi di calcolare l’energia (Ei) totale di un evento rilasciata all’interno degli strati (8) scintillatori e confrontarla con un valore limite (Elim) preimpostato; e classificare l’evento come: • un evento originato da una sorgente gamma, se Ei<Elim; • un evento originato da una sorgente neutronica, se Ei≥Elim.
- 20. Metodo secondo la rivendicazione 18 o 19, comprendente le fasi di classificare l’evento, nel caso di eventi classificati come originati da una sorgente gamma, in sotto-intervalli energetici per una identificazione di base della sorgente.
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