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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Nachweis verborgener wasserstoffhaltiger Objekte mit einer einigermassen monoenergetischen Neutronenquelle mit Abschirmung und Kollimator zur Bestrahlung des zu untersuchenden Bereiches, einem Neutronendetektorsystem und einer elektronischen Auswerteeinheit sowie deren Versorgung mit elektrischer Leistung. Sie betrifft weiters ein Verfahren zum Nachweis verborgener wasserstoffhaltiger Objekte, bei dem man der zu überprüfende Bereich mit einer einigermassen monoenergetischen Neutronenquelle mit Abschirmung und Kollimator bestrahlt, die gestreuten Neutronen detektiert und das Ergebnis mit einer elektronischen Auswerteeinheit ausgewertet wird.
Solch eine Vorrichtung bzw. solch ein Verfahren ist insbesondere zum Nachweis von Minen, Explosivstoffen, Drogen und allen Arten von Kohlenwasserstoffen, die entweder in einem Medium eingebettet sind oder in einem Behälter verborgen sind, geeignet. Insbesondere soll damit auch das Auffinden von Konterbande sowie vergrabener Plastikminen bewerkstelligt werden.
Als Folge von Kriegshandlungen sind derzeit grosse wirtschaftlich nutzbare Flächen mit nichtmetallischen Minen belegt. Aufgrund des sehr geringen Metallanteiles lassen sich solche Minen mit konventionellen Minensuchgeräten praktisch nicht nachweisen.
Ausserdem besteht ein dringender Bedarf an Geräten, die das Vorhandensein verbotener Substanzen, wie Rauschgift und Explosivstoffe, in Transportbehältern und Fahrzeugen feststellen können.
Für beide Anwendungen sind Vorrichtungen bekannt, die rückgestreute Neutronenstrahlen analysieren. Bisher wurde dabei entweder das Vorhandensein thermalisierter Neutronen (z. B.
DE 19600591 Al) oder von rückgestreuten Neutronen der anderen Komponenten, insbesondere von Stickstoff bei Explosivstoffen, festgestellt. Beide Methoden arbeiten bisher noch nicht befriedigend, so dass z. B. die Suche von Plastikminen auch heute noch manuell unter Einsatz von so genannten Minennadeln oder von Minensuchhunden erfolgt.
In der US 4499380 A ist eine Vorrichtung beschrieben, bei der zunächst schnelle Neutronen erzeugt werden, wonach diese zu thermischen Neutronen moderiert werden. Die thermischen Neutronen werden auf das zu analysierende Medium, nämlich Wasserdampf, gestrahlt, dort gestreut und danach detektiert. Auf diese Weise wird die Qualität des Wasserdampfs bestimmt. Diese Messung basiert also auf thermalisierten Neutronen.
Gemäss der US 3492479 A werden schnelle Neutronen auf die zu untersuchende Substanz eingestrahlt und thermalisierte Neutronen detektiert. Aus den thermalisierten Neutronen wird auf den Wasserstoffgehalt geschlossen.
Bei den beiden zuletzt genannten Schriften wird also mit thermalisierten Neutronen gearbeitet, was-wie erwähnt-zum Auffinden von Explosivstoffen nicht optimal ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, die bzw. das eine ausreichend hohe Nachweisempfindlichkeit für wasserstoffhaltige Objekte bei gleichzeitig tolerierbarer Falschalarmrate aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das Neutronendetektorsystem in an sich bekannter Weise energiediskriminie-
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Neutronen im Energiebereich 2, 3 bis 3 MeV oder 7 bis 9 MeV erzeugt. Auf diese Weise können die durch die Wechselwirkungen mit dem Wasserstoff geänderten Eigenschaften des Neutronenenergiespektrums erfasst werden. Diese Aufgabe wird weiters durch ein Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die rückgestreuten Neutronen energiediskriminierend detektiert werden und die Flussdepression im oberen Energiebereich infolge der Wechselwirkungen der Neutronen mit dem Wasserstoff gemessen wird, und daraus auf das Vorhandensein wasserstoffhaltiger Objekte geschlossen wird.
Die Erfindung beruht auf dem Umstand, dass sich die Wechselwirkung von (schnellen) Neutronen mit Wasserstoff (Protonium) markant von der mit anderen Isotopen unterscheidet. Folgende Wechselwirkungseigenschaften tragen zum Erfolg dieser Erfindung bei :
Der Wirkungsquerschnitt für schnelle Neutronen ist relativ hoch.
Bei Streuung am Wasserstoff wird die Neutronenenergie im Durchschnitt stärker geändert als bei allen anderen Isotopen, so dass die gestreuten Neutronen eine markant andere Energie haben als der Primärstrahl.
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Wasserstoff (Protonium) ist das einzige Isotop, bei dem es unter Streuwinkeln, die grösser als 90 Grad sind, keine (einmal) gestreuten Neutronen gibt.
Man kann daher wasserstoffhaltige Objekte, bei geeigneter Wahl der Neutronenquelle, sowohl im Durchlicht als auch in Reflexion als "Schatten" erkennen, d. h. sowohl hinter als auch vor wasserstoffhaltigen Objekten ist der Neutronenfluss im oberen Energiebereich des Neutronenspektrums messbar kleiner als in der Umgebung dieser Objekte. Bei geeigneter Kollimation enthält die Neutronenintensität sozusagen den Schatten des wasserstoffhaltigen Objektes. Die Neutronen lassen sich mit Hilfe an sich bekannter energiediskriminierender Neutronenmessanordnungen nachweisen, und deren Signale gegebenenfalls durch geeignete bildgebende Massnahmen zur Herstellung eines (Negativ-) Bildes des Objektes verwenden.
Bei den bisherigen Verfahren wurde immer versucht, die am Wasserstoff gestreuten Neutronen zu erfassen, was mit verschiedensten Problemen verbunden ist. Die Erfindung geht jedoch den Weg, die nicht am Wasserstoff gestreuten Neutronen zu messen ; bei Vorhandensein von Wasserstoff nimmt die Anzahl dieser Neutronen ab. Dieser Effekt ist signifikant, und auf diese Weise werden all die Schwierigkeiten der bisherigen Verfahren umgangen.
Da die Methode darauf beruht, den Unterschied in der Wechselwirkung mit der Umgebung des Objektes zu messen, stört eine einigermassen gleichmässige Kontamination der Umgebung mit Wasserstoff (z. B. in Form von Wasser) nicht, solange diese nicht exzessiv ist. Bei der Minensuche wäre z. B. ein Regenguss von 3 cm, der eine gleichmässige Durchfeuchtung des Erdreichs bewirkt, noch tolerierbar. Die notwendige Messzeit würde dadurch allerdings erhöht werden.
Die besprochene Flussdepression infolge der Wechselwirkung der Neutronen mit Wasserstoff tritt an sich bei allen Neutronenenergien auf. Wegen der Abnahme des Wasserstoffwirkungsquerschnitts mit der Energie nimmt auch der Messeffekt mit zunehmender Neutronenprimärenergie ab.
Andererseits muss für eine ausreichende Eindringtiefe der primären Neutronen gesorgt werden, weshalb die Primärenergie nicht zu klein sein darf. Die optimale Neutroneneinschussenergie ergibt sich aus der Energieabhängigkeit der Wirkungsquerschnitte der zu durchstrahlenden Substanzen.
Z. B. gibt es bei der Suche nach wasserstoffhaltigen Objekten, die in der Erde verborgen sind, zwei
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Es ist zweckmässig, wenn das energiediskriminierende Neutronendetektorsystem im Wesentlichen symmetrisch in Bezug auf die mittlere Strahlachse des von der Neutronenquelle emittierten Neutronenstrahles angeordnet ist. Dadurch wird die Auswertung erleichtert, weil das Neutronendetektorsystem nur Neutronen im gleichen Streuwinkelbereich erfasst. Das Neutronendetektorsystem kann dabei aus einem oder aus mehreren Detektoren bestehen.
Weiters ist es günstig, wenn die Neutronenquelle eine zeitlich scharf gepulste Neutronenquelle ist. Eine gepulste Neutronenquelle ermöglicht Laufzeitmessungen.
Um die Qualität der Identifizierung zu verbessern und damit die Falschalarmrate zu verringern, ist es vorteilhaft, weitere Informationen, die im Spektrum der gestreuten Neutronen enthalten sind, auszuwerten. Es wird daher beim erfindungsgemässen Verfahren bevorzugt, dass koinzident sowohl die Flussdepression durch Wasserstoff als auch die Flusserhöhung durch die elastische Streuung an allfälligen weiteren leichten Bestandteilen des Objekts wie Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff im jeweiligen Energiebereich des Neutronenenergiespektrums festgestellt wird und diese Information zur Kontraststeigerung und/oder Verringerung der Falschalarmrate verwendet wird.
Diese zusätzlichen Informationen sind umso leichter erfassbar, je grösser der Streuwinkel ist, da bei Streuung der Energieverlust mit dem Winkel zunimmt. Im Rückstreuspektrum wirkt sich, bei Verwendung einer einigermassen monoenergetischen Neutronenquelle, die Flussdepression durch den Wasserstoff im obersten Fünftel des Rückstreuspektrums aus. Energetisch darunter befinden sich die von Sauerstoff und/oder Stickstoff und/oder Kohlenstoff elastisch rückgestreuten Neutronen. Ist also im durchstrahlten Objekt auch irgendeines dieser Elemente vorhanden, so ist im darunter liegenden Energiebereich des Neutronenspektrums die Intensität erhöht.
Durch die Kombination beider Effekte (Verringerung infolge des Wasserstoffs im hohen Energiebereich, Erhöhung durch andere leichte Elemente im darunter liegenden Bereich) wird nicht nur der Kontrast gegen- über einer Messung in der Umgebung des Objekts verbessert, sondern es besteht im Prinzip auch
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die Möglichkeit, über eine UND-Verknüpfung eine Entscheidung zu fällen, ob und in welchem Ausmass das Objekt weitere leichte Elemente wie Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff enthält, und so zur Identifizierung der Art des Objekts (Kohlenwasserstoff, Sprengstoff, Wasser etc. ) beizutragen.
Wie bei der erfindungsgemässen Vorrichtung bereits erläutert, ist es zweckmässig, dass der zu überprüfende Bereich mit Neutronen der Energie 2, 3 bis 3 MeV oder 7 bis 9 MeV bestrahlt wird.
Es ist zweckmässig, wenn aus der Anordnung der Neutronenquelle und des Neutronendetektorsystems die Koordinaten des Schnittpunkts der Achse des Neutronenstrahls mit der Erdoberfläche berechnet werden, so dass das Messergebnis im Detektorsystem einem Ort auf der Erdoberfläche zugeordnet wird, wodurch der Ort eines verborgenen Objektes in einer Ebene lokalisiert ist.
Auf diese Weise wird bekannt, wo die Mine liegt - allerdings nicht wie tief sie liegt. Um auch dies festzustellen, ist nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass eine zeitlich scharf gepulste Neutronenquelle verwendet wird, um in an sich bekannter Weise die Flugzeit der Neutronen vom Generator zum Detektor zu bestimmen, und aus der Flugzeit der Neutronen auf die Entfernung des verborgenen Objekts zu schliessen, sodass das verborgene Objekt vollständig lokalisiert ist.
Eine gepulste Neutronenquelle ermöglicht Laufzeitmessungen, sodass die Entfernung des verborgenen Objekts ermittelt werden kann. Da die Intensität der Neutronenquelle für die Auswertung bekannt sein muss (man misst ja die Abnahme der Intensität infolge des Wasserstoffs), muss die Intensität entweder stabilisiert sein oder gleichzeitig gemessen werden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Vorrichtung zum Nachweis von im Erdboden verborgener wasserstoffhaltiger Objekte bzw. Strukturen. Andere Anwendungen dieser Methode, wie z. B. das Aufspüren verbotener Stoffe in Fahrzeugen und Behältern, verlangen u. U. eine andere Optimierung, besonders auch in Hinblick auf die Energie des Neutronenstrahls und damit auf die Quelle.
Ausserdem könnte bei einer solchen Aufgabe auch die Durchstreu-statt der Rückstreugeometrie angewendet werden.
In Hinblick darauf, dass mit dieser Vorrichtung verdächtige Flächen abgetastet werden sollen, muss diese Vorrichtung transportabel sein. Die benötigten Komponenten : monoenergetische Neutronenquelle mit Kollimator und Abschirmung
Detektorsystem mit Kollimator und Abschirmung, sowie die Steuer- und Auswerteelektronik müssen kompakt angeordnet sein und dürfen nicht zu schwer sein.
Eine Neutronenquelle, basierend auf der H (d, n)-Reaktion (allgemein ais d-D-Queiie bekannt), liefert unter 0 Grad in Bezug auf die Richtung der einfallenden Deuteronen bei einer Beschleunigungsspannung von 100 bis 150 kV Neutronen mit einer mittleren Energie von 2, 79 bis 2, 87 MeV.
Obwohl diese Quelle eine relativ kleine Neutronenausbeute hat, hat sie den Vorteil, dass (trans) portable Quellen dieser Art kommerziell erhältlich sind. Ausserdem ist der Untergrund unerwünschter Strahlung gering, so dass keine massive Abschirmung als Personenschutz erforderlich ist. Die dabei erzeugten Neutronen haben zwar nicht die optimale Durchdringungseigenschaft für das Erdreich, sie befinden sich aber gerade noch in einem der oben angegebenen Energiefenster.
Durch scharfe Pulsung des Deuteronenstrahls erhält man die Möglichkeit, die Flugzeitmethode zur Energiediskriminierung anzuwenden. Mit Hilfe eines Kollimators erzeugt man einen (räumlich begrenzten) Neutronenstrahl, mit dem (durch Verschieben der gesamten Vorrichtung) die zu untersuchende Fläche abgetastet wird. Konzentrisch um diesen Kollimator befinden sich, in geeigneter Entfernung von der Erdoberfläche (mehr als etwa 30 cm), herkömmliche Detektoren für schnelle Neutronen (z. B. Flüssigszintillatoren), die ebenfalls kollimiert und abgeschirmt sind. Diese dienen der Messung der rückgestreuten schnellen Neutronen. Durch die Kollimation der Detektoren wird sichergestellt, dass die rückgestreuten Neutronen aus dem vom primären Neutronenstrahl durchstrahlten Erdvolumen stammen.
Neben der Abschirmung können je nach Bedarf alle aus der Experimentiertechnik mit schnellen Neutronen bekannten Methoden zur Optimierung des Sig- nal/Untergrundverhältnisses eingesetzt werden, wie Neutronen-Gamma-Diskrimination, Vorabsorber gegen thermische Neutronen (Kadmium-Blech) u. dgl.
Aus dem Energiespektrum der rückgestreuten Neutronen wird einerseits die Zählrate jenes Energiebereiches, der von der Flussdepression durch den Wasserstoff beeinflusst wird, als Funktion der örtlichen Koordinaten registriert. Dadurch werden Strukturen im Erdreich, die konzentriert
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Wasserstoff enthalten und nicht wesentlich tiefer als etwa 20 cm von der Erdoberfläche entfernt sind, als "Schatten" erkennbar.
Bei gleichzeitiger Auswertung jener Energiebereiche, in denen die von Stickstoff bzw. Kohlenstoff elastisch zurückgestreuten Neutronen zu liegen kommen, erhält man über einem Objekt, das Stickstoff und/oder Kohlenstoff enthält, eine erhöhte Zähirate, also eine "Aufhellung". Die Auswer-
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der drei) Energiebereiche wird nicht nur die Empfindlichkeit der Messung erhöht, sondern es wird auch die Anzahl der Fehlalarme verringert, da bei allen in Frage kommenden Sprengstoffen auch Signale, die vom Stickstoff stammen, vorhanden sein müssen.
Es ist nahe liegend, das Zählratenverhältnis im Energiebereich der Flussdepression allein oder gemeinsam mit dem Verhältnis im Bereich der elastischen Streuung zur Auslösung eines Alarms, der auf eine Mine hinweist, zu verwenden. Mit entsprechendem apparativen Aufwand könnten auch durch eine Art Rückstreu-Neutronenradiographie allfällige Objekte im Boden auf einem Sichtgerät abgebildet werden.
Da das Ergebnis aus aufeinander folgenden Messungen zustande kommt, muss entweder dafür gesorgt werden, dass die Neutronenausbeute der Quelle keine nennenswerten Schwankungen erleidet bzw. dass beim Vergleich zweier Messungen gleiche eingestrahlte Neutronendosen zugrundegelegt werden. Zu diesem Zwecke kann der emittierte Neutronenfluss entweder direkt mit Hilfe eines (kleinen) Monitors ständig gemessen werden, oder es muss zumindest die Stabilität des Deuteronenstrahis überwacht werden.
Die Erfindung ist, wie schon oben dargelegt, nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel und Anwendungsgebiet beschränkt. Insbesondere werden bei Anwendungen, bei der das Gewicht keine grosse Rolle spielt, andere monoenergetische Neutronenquellen, insbesondere der Reaktionen H(p.n),H(t.n), Li (p, n) und B (p, n), die ein Vielfaches an Intensität liefern kön- nen, und die auch monoenergetische Neutronen niedrigerer Energie liefern können, in Frage kommen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zum Nachweis verborgener wasserstoffhaltiger Objekte mit einer einigerma- ssen monoenergetischen Neutronenquelle mit Abschirmung und Kollimator zur Bestrahlung des zu untersuchenden Bereiches, einem Neutronendetektorsystem und einer elektroni- schen Auswerteeinheit sowie deren Versorgung mit elektrischer Leistung, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Neutronendetektorsystem in an sich bekannter Weise energie- diskriminierend und in Rückstreugeometrie ausgebildet ist, wobei die als Neutronengene- rator ausgebildete Neutronenquelle auf Grund einer der Reaktionen H (d. n), H (p, n), H (t. n), Li (p. n) und B (p, n) Neutronen im Energiebereich 2, 3 bis 3 MeV oder 7 bis 9 MeV erzeugt.