DE102008063735B4

DE102008063735B4 - Verfahren zur Detektion von Sprengstoff in unterirdischen Objekten

Info

Publication number: DE102008063735B4
Application number: DE102008063735A
Authority: DE
Inventors: Eric Dr. Mauerhofer; John Kettler; Marco Steinbusch
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: P-H-Roehll Nrw De GmbH; Aachen Institute for Nuclear Training GmbH
Priority date: 2008-12-18
Filing date: 2008-12-18
Publication date: 2010-12-09
Anticipated expiration: 2028-12-19
Also published as: DE102008063735A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Sprengstoff in metallisch umhüllten unterirdischen Objekten, insbesondere Bombenblindgängern. Dabei wird das Objekt durch einen Metalldetektor oder ein Magnetometer lokalisiert und anschließend eine Bohrung durch das Erdreich auf das Objekt zugetrieben. Es wird eine isotopische Neutronenquelle durch die Bohrung hindurch in einen Abstand von 50 cm oder weniger zum unterirdischen Objekt geführt. Diese beaufschlagt das Objekt mit schnellen Neutronen. Mit der isotopischen Neutronenquelle wird auf der dem unterirdischen Objekt abgewandten Seite der isotopischen Neutronenquelle ein Detektor für Gammastrahlung zum unterirdischen Objekt geführt. Die von Sprengstoff ausgehende Gammastrahlung wird nun von einer von Fe-57 in der metallischen Umhüllung ausgehenden Störstrahlung separiert, indem die Gammastrahlung im Energiebereich zwischen 10,2 MeV und 11 MeV gemessen wird und aus den Photo-Peak-Ereignissen und Single-Escape-Peak-Ereignissen des Stickstoffs auf das Vorhandensein von Sprengstoff geschlossen wird. Dies vermindert den Einfluss der Störstrahlung auf das Messsignal und ermöglicht sichere Entscheidungen in kürzerer Messzeit.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Sprengstoff in unterirdischen Objekten.
Stand der Technik
Zur Lokalisierung vergrabener Bombenblindgänger und anderer Sprengkörper werden in erster Linie Metalldetektoren oder Magnetometer eingesetzt, nachdem gegebenenfalls das Suchgebiet durch die Auswertung von Luftbildaufnahmen aus Kriegszeiten vorab eingegrenzt wurde. Nachteilig kann dadurch zwar die metallische Umhüllung eines Sprengkörpers nachgewiesen werden, nicht jedoch der Sprengstoff selbst. Daher klassifiziert dieses Verfahren eine Vielzahl von Stellen, an denen sich ungefährliche metallische Artefakte (wie etwa alte Rohrleitungen) befinden, als verdächtig. Diese Artefakte müssen mit einem hohen Zeit- und Kostenaufwand geborgen werden, da bis zum Beweis des Gegenteils vom schlimmsten Fall ausgegangen werden muss, dass es sich um Sprengkörper handelt.
Aus der US 5,410,575 A ist ein Verfahren zur Detektion von Sprengstoff in unterirdischen Objekten mit Neutronen bekannt. Dabei werden schnelle Neutronen auf das Erdreich eingestrahlt, in dem sich das Objekt befindet, und auf dem Weg zum Objekt durch das Erdreich und/oder durch ein über dem Erdreich befindliches Gewässer thermalisiert. Sie können dann von Stickstoff als Hauptbestandteil von Sprengstoff eingefangen werden, woraufhin charakteristische Gammastrahlung emittiert wird. Diese ist das Messsignal für das Vorhandensein von Sprengstoff.
Nachteilig können die bei Erreichen des Objekts bereits thermalisierten Neutronen eine metallische Umhüllung des Objekts von mitunter mehreren Zentimetern Dicke nicht mehr durchdringen. Somit löst etwa ein entsprechend umhüllter Bombenblindgänger auch dann keinen Alarm aus, wenn er Sprengstoff enthält.
(E. M. A. Hussein, E. J. Waller, „Landmine detection: the Problem and the challenge”, Applied Radiation and Isotopes 53 (2000), 557–563) beschreibt die Erkennung von vergrabenen Landminen mit Neutronen. Landminen enthalten jedoch gerade so wenig Metall wie möglich, um ihre Räumung zu erschweren. In dieser Schrift wird somit das Problem, dass eine metallische Umhüllung zu einem falsch-negativen Befund führen kann, nicht thematisiert oder gelöst.
Aus (G. Vourvopoulos, P. C. Womble, „Pulsed fast/thermal neutron analysis: a technique for explosives detection”, Talanta 54 (2001), 459–468) ist eine Vorrichtung zur Detektion des Sprengstoffs in potentiellen Sprengkörpern bekannt. Die Vorrichtung bestrahlt das zu untersuchende Objekt mit schnellen Neutronen. Die schnellen Neutronen durchdringen eine eventuelle metallische Umhüllung des Objekts. Ein Teil der schnellen Neutronen geht unmittelbar Kernreaktionen mit den Materialien im Inneren des Objekts ein. Ein anderer Teil der schnellen Neutronen wird im Objekt zunächst thermalisiert und wird anschließend von Elementen wie etwa Stickstoff eingefangen, woraufhin charakteristische Gammastrahlung emittiert wird.
Nachteilig muss das Objekt für diese Untersuchung ausgegraben und in die Nähe der Vorrichtung gebracht werden. Bei dieser Handhabung können jedoch insbesondere alte und damit instabile Sprengkörper bereits detonieren.
Aus (G. Vourvopoulos, L. Dep, J. Paschal, G. Spichiger, „PELAN – A Transportable, Neutron-Based UXO Identification Technique”, Proceedings of UXO Forum '97, Nashville, TN 1997, 342–349) ist eine ähnlich wirkende Vorrichtung bekannt, die so gebaut ist, dass sie durch eine Bohrung im Erdreich in die Nähe des unterirdischen Objekts geführt werden kann. Die Vorrichtung ist länglich aufgebaut und enthält an ihrem dem Objekt zugewandten Ende einen Detektor für Gammastrahlung. Dahinter sind eine Neutronenabschirmung und eine elektronische Neutronenquelle angeordnet.
Nachteilig werden bei mit Eisen umhüllten metallischen Objekten lange Messzeiten benötigt, um sicher zwischen Sprengstoff und einem Störsignal aus dem Eisen unterscheiden zu können.
Aufgabe und Lösung
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Detektion von Sprengstoff an metallisch umhüllten unterirdischen Objekten zu ermöglichen, bei der der Einfluss der von einer eisenhaltigen Umhüllung ausgehenden Störstrahlung auf das Messsignal gegenüber dem Stand der Technik vermindert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Hauptanspruch. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Unteransprüchen.
Gegenstand der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Verfahren zur Detektion von Sprengstoff in metallisch umhüllten unterirdischen Objekten, insbesondere Bombenblindgängern, entwickelt. Bei diesem Verfahren wird zunächst das Objekt durch einen Metalldetektor oder ein Magnetometer lokalisiert. Anschließend wird eine Bohrung durch das Erdreich auf das Objekt zugetrieben.
Erfindungsgemäß wird eine isotopische Neutronenquelle durch die Bohrung hindurch in einen Abstand von 50 cm oder weniger, bevorzugt von 30 cm oder weniger und ganz besonders bevorzugt von 10 cm oder weniger, zum unterirdischen Objekt geführt. Das unterirdische Objekt wird mit schnellen Neutronen aus der isotopischen Neutronenquelle beaufschlagt. Dabei werden im Erdreich umso weniger Neutronen absorbiert, je näher die isotopische Neutronenquelle an das unterirdische Objekt herangeführt wurde.
Die vom unterirdischen Objekt ausgehende Gammastrahlung wird gemessen. Dabei werden im Erdreich umso weniger Gammaquanten absorbiert, je näher sich der Detektor beim unterirdischen Objekt befindet. Daher wird mit der isotopischen Neutronenquelle auch ein Detektor für Gammastrahlung zum unterirdischen Objekt geführt. Dieser ist auf Grund der geringen Baugröße der isotopischen Neutronenquelle wesentlich näher am unterirdischen Objekt, als wenn eine elektronische Neutronenquelle verwendet würde. Er deckt damit einen größeren Raumwinkel ab und nutzt die vom Objekt isotrop ausgehende Gammastrahlung optimal aus. Zwischen der isotopischen Neutronenquelle und dem Detektor kann eine Neutronenabschirmung angeordnet sein, die vorteilhaft aus leichten Materialien besteht und somit die Gammastrahlung nur unwesentlich abschwächt.
Unter schnellen Neutronen im Sinne dieser Erfindung werden Neutronen mit einer mittleren Energie von 10 keV oder mehr, insbesondere von 500 keV oder mehr, verstanden.
Die schnellen Neutronen sind in der Lage, die metallische Umhüllung des Objekts zu durchdringen. Enthält das Objekt Sprengstoff, so wirkt dieser auf die schnellen Neutronen als Moderator. Die Neutronen werden zumindest zum Teil thermalisiert und anschließend von Stick stoff als Hauptbestandteil von Sprengstoff eingefangen. Durch diesen Einfang eines Neutrons wird der Stickstoffkern zu einem Compound-Kern angeregt, der unter Aussendung charakteristischer Gammastrahlung prompt entweder in einen stabilen Kern oder in einen radioaktiven Kern zerfallt. Entsteht ein radioaktiver Kern, zerfallt dieser seinerseits unter Aussendung verzögerter Gammastrahlung in einen stabilen Kern.
Der Stand der Technik bevorzugt für die Detektion von Sprengstoff elektronische Neutronenquellen, um für die Detektion bestimmter Elemente, wie etwa Kohlenstoff und Sauerstoff, diese Elemente mit schnellen Neutronen zu Kernreaktionen zu bringen. Es sind hierzu Neutronenenergien erforderlich, die die aus isotopischen Quellen verfügbaren Energien deutlich übersteigen. Um die durch unmittelbare Kernreaktionen mit einem schnellen Neutron entstehende Gammastrahlung von der durch Einfang und Zerfall eines Neutrons mit anschließendem Zerfall eines Compound-Kerns entstehenden Gammastrahlung zu unterscheiden, ist es zudem notwendig, die Neutronenquelle gepulst betreiben zu können.
Die Länge der elektronischen Neutronenquelle ist im Hinblick auf das Erfordernis, sowohl die Quelle als auch den Detektor durch die Bohrung zum Objekt zu führen, problematisch. Der für die Messung der Gammastrahlung erforderliche Detektor kann nur entweder vor oder hinter der Neutronenquelle eingeführt werden. Wird der Detektor vor der Neutronenquelle eingeführt, benötigt er eine Neutronenabschirmung, da er ansonsten durch den Neutronenbeschuss in kurzer Zeit beschädigt wird. Diese Neutronenabschirmung liegt dann aber zwischen der Neutronenquelle und dem unterirdischen Objekt, schwächt also die für die Untersuchung verwendbare Neutronenintensität erheblich. Wird der Detektor hinter der Neutronenquelle eingeführt, so ist er mindestens 70 cm vom unterirdischen Objekt entfernt. Da er damit vom unterirdischen Objekt aus gesehen nur einen winzigen Raumwinkel abdeckt und eventuell vorhandener Sprengstoff im Objekt zu einer räumlich isotropen Abstrahlung von Gammaquanten führt, verfehlen die meisten Gammaquanten den Detektor. Das Signal ist somit sehr schwach, und es sind lange Messzeiten erforderlich.
Elektronische Neutronenquellen benötigen darüber hinaus eine Beschleunigungsspannung zwischen 70 und 100 kV, was nicht nur eine Stromversorgung von der Größenordnung einer Haushaltssteckdose und aufwändige Netzteile, sondern insbesondere in der Nähe eines mutmaßlichen Sprengkörpers auch noch besondere Sicherheitsmaßnahmen erfordert.
Erfindungsgemäß wird eine isotopische Neutronenquelle zum unterirdischen Objekt geführt. Damit ändert sich gegenüber einer elektronischen Neutronenquelle, dass deutlich weniger Neutronenenergie zur Verfügung steht, die für einige Kernreaktionen nicht mehr ausreicht. Des Weiteren emittiert die Quelle ständig Strahlung und lässt sich nicht gepulst betreiben. Diesen Zugeständnissen steht der Gewinn gegenüber, dass eine isotopische Quelle nur wenige cm groß ist. Gängige kommerziell erhältliche isotopische Neutronenquellen mit Cf-252 haben je nach Gehäusetyp eine Länge zwischen 1,7 und 3,2 cm sowie einen Durchmesser zwischen 0,8 und 1 cm. Eine isotopische Neutronenquelle kann daher auch durch Bohrungen von deutlich weniger als 10 cm Durchmesser zum unterirdischen Objekt geführt werden.
Es wurde in diesem Zusammenhang erkannt, dass gerade bei der Detektion von Sprengstoff in unterirdischen Objekten die Aktivierung von Stickstoff über Neutroneneinfang (¹⁴N(n, γ)¹⁵N-Reaktion) sehr viel wichtiger ist als die Detektion von Sauerstoff und Kohlenstoff, für die nach dem Stand der Technik gerade die sehr viel schnelleren Neutronen aus der elektronischen Neutronenquelle eingesetzt wurden. Gerade Bombenblindgänger enthalten allesamt TNT oder ein Gemisch aus TNT und Zusatzstoffen als Sprengstoff, so dass Stickstoff der Hauptbestandteil des Sprengstoffs ist. Sauerstoff und Kohlenstoff sind zwar ebenfalls Sprengstoffbestandteile, kommen jedoch auch in der Luft in einem Bohrloch, durch das die Neutronenquelle in die Nähe des unterirdischen Objekts geführt wird, und/oder im zwischen der Neutronenquelle und dem unterirdischen Objekt befindlichen Erdreich vor. Der im Bohrloch ebenfalls vorhandene Stickstoff stört die erfindungsgemäße Detektion dagegen nicht, da fast alle Neutronen im Bohrloch noch schnell sind; nur thermische Neutronen können von Stickstoff eingefangen werden und zum erfindungsgemäß erhaltenen Messsignal beitragen.
Isotopische Neutronenquellen können bereits für wenige Euro oder sogar kostenlos erhältlich sein, da die hierfür geeigneten Isotope vielfach in anderen kerntechnischen Prozessen als Abfallstoffe anfallen und durch die Weiterverwendung in der Messtechnik eine teure Endlagerung eingespart wird. Für eine elektronische Neutronenquelle sind dagegen mindestens etwa 50.000–100.000 EUR zu veranschlagen, die vollständig verloren sind, wenn der Sprengkörper detoniert. In einem solchen Fall ist das radiotoxische Risiko einer elektronischen Neutronenquelle auch nicht geringer als das einer Isotopenquelle, da sie zwar weniger Aktivität enthält, diese Aktivität jedoch in Form von sehr biokompatiblem Tritium vorliegt.
Die vom unterirdischen Objekt ausgehende Gammastrahlung kann beispielsweise mit einem Detektor registriert werden, der Natriumjodid (NaI(TI)-Detektor) oder Wismutgermanat (BGO-Detektor) enthält.

Erfindungsgemäß wird die von Sprengstoff ausgehende Gammastrahlung von einer von Fe-57 in der metallischen Umhüllung ausgehenden Störstrahlung separiert, indem die Gammastrahlung im Energiebereich zwischen 10,2 und 11 MeV gemessen wird und aus den Photo-Peak-Ereignissen und Single-Escape-Peak-Ereignissen des Stickstoffs auf das Vorhandensein von Sprengstoff geschlossen wird. Stickstoff sendet bei der ¹⁴N(n, γ)¹⁵N-Reaktion etwa 60 bekannte prompte Gammaphotonen aus, wobei die drei Linien mit höchster Intensität bei 1,885 MeV (Anteil von 18,5% an der Gesamtintensität), 5,269 MeV (29,7%) und 10,829 MeV (14,2%) liegen. Der Photopeak bei 10,829 MeV verlagert sich über den Paarbildungseffekt teilweise auf einen Single-Escape-Peak bei 10,318 MeV. Im Messbereich zwischen 10,2 MeV und 11 MeV emittiert kein anderes Element bzw. Isotop eine ähnlich starke Gammastrahlung wie N-15. Diejenigen Isotope, die in diesem Energiebereich überhaupt emittieren, kommen nur in geringen Mengen im Erdreich oder in der metallischen Umhüllung von Sprengkörpern vor (Tabelle 1). Fe-57, das durchaus in eisernen Umhüllungen vorkommen kann, liegt mit seiner charakteristischen Gamma-Energie von 10,044 MeV ebenso außerhalb des Bereichs zwischen 10,2 MeV und 11 MeV wie das hierfür ebenfalls verwendbare Magnesium mit einer Gamma-Energie von 11,090 MeV. Die mögliche Interferenz mit Fe-57 bei 10,044 MeV ist auch der Grund, warum der Double-Escape-Peak des Stickstoffs aus dem Paarbildungseffekt bei 9,807 MeV erfindungsgemäß nicht für die Auswertung herangezogen wird. Somit hat gerade der Bereich zwischen 10,2 MeV und 11 MeV eine vorteilhafte technische Wirkung. Tabelle 1. Prompte Gammastrahlung im Energiebereich 10 bis 12 MeV. σ_th(E_γ) stellt die Wirkungsquerschnitte für die Emission der prompten Gammastrahlung nach dem thermischen Neutroneneinfang dar.

Element	Massenanteil Erdreich [%]^a	Isotop	Häufigkeit [%]	Eγ [MeV]	σ_th(E_γ)^b [barn]
Eisen	4,65	Fe-57	2,119	10,044	0,000027
Stickstoff	1,9 10^–3	N-14	99,634	10,061	0,000045
Magnesium	1,87	Mg-25	10,00	10,100	0,000022
Silizium	29,5	Si-29	4,67	10,200	0,000013
Selen	5 10^–6	Se-77	7,63	10,496	0,02210
Nickel	5,8 10^–3	Ni-61	1,140	10,594	0,00114
Silizium	29,5	Si-29	4,67	10,607	0,000371
Titan	0,45	Ti-47	7,30	10,641	0,00202
Stickstoff	1,9 10^–3	N-14	99,634	10,697	0,000008
Stickstoff	1,9 10^–3	N-14	99,634	10,829	0,0113
Magnesium	1,87	Mg-25	10,00	11,090	0,000027
Schwefel	4,7 10^–2	S-33	0,75	11,415	0,000055
Bor	1,2 10^–3	B-10	19,90	11,447	0,0028

a: Abundances of Chemical Elements in the Earth's Crust, A. A. Yaroshevsky, Geochemistry International, 2006, Vol. 4 No. 1, pp. 48–55.
b: Gábor L. Mólnar. Handbook of Prompt Gamma Activation Analysis with Neutrons Beams, Kluwer Academic Publishers Dordecht, Boston, London, 2004.

Vorteilhaft wird die Neutronenquelle durch eine Bohrung mit einem Durchmesser von 15 cm oder weniger, bevorzugt von 10 cm oder weniger und ganz besonders bevorzugt von 7 cm oder weniger, zum unterirdischen Objekt geführt. Der Zeit- und Kostenaufwand für eine Bohrung hängen von der Unzugänglichkeit des Untersuchungsortes und der Tiefe der Bohrung ab. Bei unzugänglichen Untersuchungsorten sind Bohrungen mit kleineren Durchmessern zu bevorzugen. Je kleiner der Durchmesser der Bohrung ist, desto geringer sind zudem die Erschütterungen, die bei der maschinellen Erstellung der Bohrung entstehen. Erschütterungen sind insbesondere in der Nähe alter und damit instabiler Sprengkörper zu minimieren. Enthält der Sprengkörper beispielsweise eingetrocknete Pikrinsäure, so kann durch Erschütterungen eine Reibung zwischen den einzelnen Körnern dieser eingetrockneten Säure hervorgerufen werden. Die dabei entstehende Reibungswärme kann bereits eine ausreichende Aktivierungsenergie für eine Detonation liefern.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden schnelle Neutronen mit einer mittleren Energie zwischen 1 MeV und 5 MeV gewählt. Hierfür kann beispielsweise eine Cf-252-Quelle gewählt werden, die Neutronen mit einer mittleren Energie von 2,5 MeV abstrahlt. Neutronen im Energiebereich zwischen 1 MeV und 5 MeV sind schnell genug, um metallische Umhüllungen von Sprengkörpern zu durchdringen, so dass das Verfahren nicht schon wegen einer solchen Umhüllung einen falsch negativen Befund liefert.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Intensität der Gammastrahlung als Funktion des Abstands zum unterirdischen Objekt gemessen. Eine signifikante Änderung des Messsignals insbesondere im Energiebereich zwischen 10,2 MeV und 11 MeV ist dann ein starker Indikator dafür, dass Sprengstoff vorhanden ist.
Hierfür ist es auch nicht erforderlich, zuvor das Untergrundsignal Zu zu kalibrieren, das von der Neutronenaktivierung des Erdreichs herrührt. Das insgesamt vom Detektor registrierte Messsignal Z ist gegeben durch Z = Z_N + Z_U, worin Z_N der Beitrag ist, der von der ¹⁴N(n, γ)¹⁵N-Reaktion herrührt. Z_N ist wiederum gegeben durch ZN = Na ·σth(Eγ)·(εP + εSEP)·ϕth
Darin ist N die Anzahl von N-14-Atomen, die dem thermischen Neutronenfluss innerhalb des unterirdischen Objekts ausgesetzt sind. a ist die Isotopenhäufigkeit von N-14 (99,63%). σ_th(E) ist der Wirkungsquerschnitt für die Emission der prompten Gammastrahlung bei 10,829 MeV (0,0113 barn). ε_P ist die Detektoreffizienz für Photopeak-Ereignisse bei 10,829 MeV, und ε_SEP ist die Detektoreffizienz für Single-Escape-Peak-Ereignisse bei 10,318 MeV. ϕ_th ist der thermische Neutronenfluss im Sprengstoff. Das Untergrundsignal Z_U kann kalibriert werden, indem eine Testmessung in einem Bohrloch in großer Entfernung vom zu untersuchenden Objekt oder in einem Bohrloch, in dessen Nähe das Magnetometer kein verdächtiges Objekt anzeigt, durchgeführt wird.
Im Folgenden wird eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Diese Vorrichtung weist eine isotopische Neutronenquelle, die schnelle Neutronen in Richtung des unterirdischen Objekts zu emittieren vermag, und einen Detektor für Gammastrahlung auf. Wie bereits oben mit Bezug auf das Verfahren ausgeführt, ist eine isotopische Neutronenquelle besonders kompakt. Daher kann die Vorrichtung so kompakt in Form einer Sonde realisiert werden, dass sie sich durch ein Bohrloch an ein zu untersuchendes unterirdisches Objekt heranführen lässt. Sie weist vorteilhaft einen Durchmesser von 10 cm, bevorzugt einen Durchmesser von 7 cm oder weniger und ganz besonders bevorzugt einen Durchmesser von 5 cm oder weniger auf.
Der Detektor kann vorteilhaft auf der im Betrieb dem unterirdischen Objekt abgewandten Seite der isotopischen Neutronenquelle angeordnet sein. Dabei kann dann insbesondere eine Neutronenabschirmung zwischen der Neutronenquelle und dem Detektor angeordnet sein. Diese Neutronenabschirmung besteht vorzugsweise aus leichten Materialien, die Neutronen gut absorbieren, jedoch die vom unterirdischen Objekt ausgehende Gammastrahlung durchlassen. Die Neutronen aus der isotopischen Neutronenquelle gelangen in dieser Anordnung ungeschwächt durch die Abschirmung zum unterirdischen Objekt, und die vom unterirdischen Objekt ausgehende Gammastrahlung wird optimal genutzt. Auf Grund der geringen Baugröße der isotopischen Neutronenquelle ist der Abstand des Detektors zum Objekt vorteilhaft gering, so dass ein möglichst großer Raumwinkel abgedeckt wird.
Die isotopische Neutronenquelle kann vorteilhaft Cf-252 enthalten, weil dieses Isotop, wie oben für das Verfahren ausgeführt, Neutronen mit einer für die Durchführung des Verfahrens vorteilhaften mittleren Energie von 2,5 MeV emittiert.
Der Detektor kann vorteilhaft Natriumiodid (NaI) oder Wismutgermanat (Bismuth Germanium Oxide, BGO) enthalten. Diese Materialien weisen eine besonders hohe Effizienz für Gammaquanten im Energiebereich zwischen 10,2 MeV und 11 MeV auf. Im Energiebereich zwischen 10,2 MeV und 11 MeV hat BGO eine Effizienz fünfmal höher als die von NaI. Um Neutronenschaden am Detektorkristall zu verhindern ist eine Neutronenabschirmung zwischen der isotopischen Neutronenquelle und dem Detektor zu platzieren. Die Neutronenabschirmung besteht aus einer Mischung aus Polyethylenpulver und Lithium-6-Fluorid, um die schnellen Neutronen zu moderieren und die thermischen Neutronen zu absorbieren, ohne dass dabei in nennenswertem Umfang Gammastrahlung emittiert wird.
Spezieller Beschreibungsteil
Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird. Es ist gezeigt:
1: Skizze des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Anwendung der beschriebenen Vorrichtung.
2: Gammaspektren einer 4000-1b-Bombe in trockenem Erdreich für verschiedene Abstände zwischen Bombe und Neutronenquelle.
3: Gammaspektren einer 4000-1b-Bombe in nassem Erdreich für verschiedene Abstände zwischen Bombe und Neutronenquelle.
4: Erforderliche Messzeit nach DIN 25482-5 zum Nachweis einer 4000-1b-Bombe als Funktion des Abstands zwischen Bombe und Neutronenquelle für trockenes Erdreich (Kurve A) und für nasses Erdreich (Kurve B).
1 zeigt eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Anwendung der beschriebenen Vorrichtung. Durch das Erdreich 1 verläuft eine Bohrung 2 bis in eine Tiefe von 2 Meter in Richtung des unterirdischen Objekts 3, das aus einer Bombenhülle 3a mit darin befindlichem Sprengstoff 3b besteht. Da die Bohrung mit der Erdoberfläche in Verbindung steht, ist sie mit Luft gefüllt. Durch die Bohrung 2 wird die Vorrichtung 4 in die Nähe des unterirdischen Objekts 3 gebracht. Von der Vorrichtung sind hier aus Gründen der Über sichtlichkeit nur die isotopische Neutronenquelle (Cf-252) 4a, der Detektor für Gammastrahlung (Szintilliationszähler mit 7,6 cm × 7,6 cm NaI-Kristall) 4b sowie die zwischen Neutronenquelle 4a und Detektor 4b angeordnete Neutronenabschirmung 4c eingezeichnet.
Die Neutronenquelle 4a emittiert pro Sekunde 10⁸ schnelle Neutronen 5a in alle Richtungen; ein Teil fliegt in Richtung auf das unterirdische Objekt 3. Die schnellen Neutronen 5a durchdringen die Bombenhülle 3a und werden im Sprengstoff 3b zu thermischen Neutronen 5b moderiert. Stickstoff als Hauptbestandteil des Sprengstoffs 3b fängt nun thermische Neutronen 5b ein, was in 1 durch den Stern im Inneren des Sprengstoffs 3b symbolisiert ist. Dabei werden charakteristische Gammaquanten 6 emittiert, die in den Detektor 4b gelangen und dort registriert werden.
Abhängig von der Bombengröße liegt die Dicke der stählernen Bombenhülle 3a zwischen 1 und 4 cm. Die mittlere freie Weglänge der von der hier verwendeten isotopischen Neutronenquelle (Cf-252) 4b emittierten schnellen Neutronen 5a in Stahl beträgt 3,92 cm. Somit absorbiert die Bombenhülle 3a zwischen 22% und 63% der auf sie auftreffenden schnellen Neutronen 5a.
2 zeigt mit MCNP (Monte-Carlo Nuclear Particle Transport Code) simulierten Gammaspektren im Energiebereich zwischen 9 MeV und 11 MeV. Als isotopische Neutronenquelle 4a wurde eine Cf-252-Quelle angenommen, die 10⁸ Neutronen pro Sekunde emittiert. Als Detektor 4b wurde ein Szintillationszähler mit NaI-Kristall angenommen, der sich in 10 cm Abstand zur Neutronenquelle 4a befindet. Aufgetragen ist jeweils die Zählrate C in 1/s über der Gammaenergie E in keV. Die mit Zu bezeichnete Kurve stellt das Gammaspektrum für das trockene Erdreich (13 Massenprozent Wasseranteil) ohne Bombe dar. Die mit Z_U + Fe bezeichnete Kurve stellt das Gammaspektrum für eine mit Erdreich gefüllte Rohrleitung dar, die die gleiche Wandstärke hat wie eine 4000-1b-Bombe und sich in einem Abstand von 20 cm zur Vorrichtung 4 befindet. Die mit Abständen bezeichneten Kurven stellen die Gammaspektren für eine in dem jeweiligen Abstand zur Vorrichtung 4 in dem trockenen Erdreich befindliche 4000-1b-Bombe mit TNT dar. Zur Verdeutlichung sind die Peaks bei 9,297 MeV und 10,044 MeV eingezeichnet, die von dem Fe-57 herrühren, welches in der Bombenhülle 3a enthalten ist. Von den charakteristischen Gamma-Peaks des Stickstoffs sind der Übersichtlichkeit halber nur der Photopeak (P, N bei 10,829 MeV), der Single-Escape-Peak (SE, N bei 10,318 MeV) und der Double-Escape-Peak (DE, N bei 9,807 MeV) eingezeichnet.
Es ist deutlich zu erkennen, dass insbesondere bei einer Messung der Gammastrahlung im Energiebereich zwischen 10,2 MeV und 11 MeV aus dem Photopeak und aus dem Single-Escape-Peak des Stickstoffs bereits bei einem Abstand zwischen Vorrichtung 4 und Bombe 3 von unter 20 cm, auf jeden Fall aber bei einem Abstand unter 10 cm, auf das Vorhandensein der mit Sprengstoff 3b gefüllten Bombe 3 geschlossen werden kann. In diesem Energiebereich befinden sich keine Peaks des Fe-57, so dass die Bombenhülle 3a keinen Fehlalarm auslösen kann.
3 zeigt Gammaspektren, die mit der einzigen Änderung gegenüber 2 simuliert wurden, dass das Erdreich als nass (27 Massenprozent Wasseranteil) angenommen wird. Für Abstände von weniger als ca. 3 cm zwischen Vorrichtung 4 und Bombe 3 ist das Signal besser als im Fall vom trockenen Erdreich bei gleichem Abstand, da das nasse Erdreich einen größeren Anteil der Neutronen gerade so weit auf thermische Energien moderiert, dass sie die Bombenhülle 3a noch durchdringen und im Sprengstoff 3b eingefangen werden können. Bei größeren Abständen werden die durch das Erdreich moderierten Neutronen zum einen bereits verstärkt im nassen Erdreich absorbiert, und zum anderen werden sie auf geringere Energien moderiert, so dass ein größerer Anteil die Bombenhülle 3a nicht mehr durchdringen kann. Dies führt zu einen schlechteren Signal als im Fall vom trockenen Erdreich bei gleichem Abstand.
In 4 ist für trockenes Erdreich (Kurve A) und für nasses Erdreich (Kurve B) die zum Nachweis einer 4000-1b-Bombe mit TNT erforderliche Messzeit t als Funktion des Abstands d zwischen Bombe und Neutronenquelle aufgetragen. Diese erforderliche Messzeit ist nach DIN-25482-5 – Nachweisgrenze und Erkennungsgrenze bei Kernstrahlungsmessungen; Zählende hochauflösende gammaspektrometrische Messungen ohne Berücksichtigung des Probenbehandlungseinflusses (Beuth Verlag GmbH, 1998) – mit Werten der Quantilen der standardisierten Normalverteilung k_1-α, = k_1-β = 1,96 für die Fehlwahrscheinlichkeiten α = β = 0,025 berechnet. Das bedeutet, dass das Signal nur dann als signifikant erachtet wird, wenn es etwa das Vierfache der Wurzel des Untergrunds überschreitet. Für diese Berechnung wurde angenommen, dass die Neutronenquelle 10⁸ Neutronen pro Sekunde emittiert.
Wie aus dem Vergleich von 3 mit 2 ist auch aus 4 ersichtlich, dass für sehr kleine Abstände zwischen Bombe und Neutronenquelle in nassem Erdreich das Signal besser ist, d. h. eine kürzere Messzeit erforderlich ist als in trockenem Erdreich. Dies kehrt sich je doch sehr bald um, und für Abstände ab etwa 15 cm muss in nassem Erdreich um eine Größenordnung länger gemessen werden als in trockenem Erdreich, Bei einem Abstand zwischen der isotopischen Neutronenquelle und dem verdächtigen Objekt kleiner als 20 cm wird eine konservative Messzeit von 30 Minuten zu einer sicheren Aussage über das Vorhandensein von Sprengstoff führen.

Claims

Verfahren zur Detektion von Sprengstoff in metallisch umhüllten unterirdischen Objekten, insbesondere Bombenblindgängern, wobei das Objekt durch einen Metalldetektor oder ein Magnetometer lokalisiert und anschließend eine Bohrung durch das Erdreich auf das Objekt zugetrieben wird, mit den folgenden Schritten: • eine isotopische Neutronenquelle wird durch die Bohrung hindurch in einen Abstand von 50 cm oder weniger zum unterirdischen Objekt geführt; • mit der isotopischen Neutronenquelle wird auf der dem unterirdischen Objekt abgewandten Seite der isotopischen Neutronenquelle ein Detektor für Gammastrahlung zum unterirdischen Objekt geführt; • das unterirdische Objekt wird mit schnellen Neutronen aus der isotopischen Neutronenquelle beaufschlagt; • die von Sprengstoff ausgehende Gammastrahlung wird von einer von Fe-57 in der metallischen Umhüllung ausgehenden Störstrahlung separiert, indem die Gammastrahlung im Energiebereich zwischen 10,2 MeV und 11 MeV gemessen wird und aus den Photo-Peak-Ereignissen und Single-Escape-Peak-Ereignissen des Stickstoffs auf das Vorhandensein von Sprengstoff geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Neutronenquelle durch eine Bohrung mit einem Durchmesser von 15 cm oder weniger zum unterirdischen Objekt geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass schnelle Neutronen mit einer mittleren Energie zwischen 1 MeV und 5 MeV gewählt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität der Gammastrahlung als Funktion des Abstands zum unterirdischen Objekt gemessen wird.