【発明の詳細な説明】
核分裂性物質を検出・識別する方法及び装置
本発明は、核分裂性物質を検出・識別する方法及び装置に関し、その方法にお
いては、核分裂性物質によって放出される中性子放射の強度が、中性子検出器に
よって測定される。
プルトニウム、ウラニウム及びトリウムのような核分裂性物質は、核分裂反応
に使用され得、その場合、原子の重い原子核は、一般的には原子核を中性子で衝
撃することにより、２つ以上の部分に分裂させられる。通常、核分裂は、中性子
放出又はガンマー線放出を伴う。核分裂性物質の無管理且つ非合法な配布は、極
めて危険である。何故ならば、物質の正しくない使用は、核分裂反応に含まれる
巨大なパワーにより、周囲に著しい破壊をもたらし得るからである。一の国から
他の国への核分裂性物質の非合法な輸送は、通常、少量の核分裂性物質が容易に
隠されるところの大きなコンテナ内で行われる。そのようなコンテナは、一般的
には目視で検査され、この場合、少量の核分裂性物質は、検出するのが困難であ
る。
自動的にコンテナを検査してその中に隠されている対象物を検出すべく、電子
加速器のような線形粒子加速器によってもたらされる制動放射であって、コンテ
ナの中身を調査し且つ目標と目標検査装置との間を移動してコンテナ内に収容さ
れている対象物の像を形成するためのものを利用する方法が、開発されている。
本発明の目的は、従来技術の欠点を除去すると共に、プルトニウム、ウラニウ
ム及びトリウムのような核分裂性物質の検出及び識別に適した方法及び装置であ
って、線形粒子加速器によってもたらされる制動放射と、前記制動放射によって
もたらされる、核分裂性物質からの遅発中性子放出とを利用するものを実現する
ことである。
本発明によれば、核分裂性物質を検出・識別すべく、７〜１０ＭｅＶの範囲内
で作動させられる高エネルギー制動放射源が、使用され、それによってもたらさ
れる放射は、輸送コンテナのような、検査されるべき目標に向けられる。制動放
射が核分裂性物質に衝突すると、放射と物質との間で、中性子放出を伴う、光子
と原子核との相互作用反応が起こる。光子と原子核との相互作用反応として、即
発中性子放出を特徴とする、光中性子・光核分裂反応が起こる。この即発中性子
放出において、１回の相互作用反応毎に、１個の中性子が、光中性子反応から放
出されると共に、２．５個の中性子が、光核分裂反応から放出される。光核分裂
反応は、放射性核分裂破片の生成を更にもたらし、それらの一部は、原子核内の
中性子結合エネルギーを超えるベータ崩壊エネルギーを含んでいる。更に、ベー
タ崩壊エネルギーは、遅発中性子の放出に至る。遅発中性子を放出する核分裂破
片は、先行核と呼ばれている。核分裂性物質は、中性子放出を伴う光核反応の、
最も低いしきいエネルギーを有している。核分裂性物質についての光核反応及び
光核分裂反応の作用範囲は広く、例えば、エネルギーＥ＝８ＭｅＶで、値は、そ
れぞれ約１００ｍｂ及び約３０ｍｂである。
本発明によると、核分裂性物質から放出され且つ制動放射照射ゾーンを通過す
る遅発中性子放出は、少なくとも１つの中性子検出器で検出される。本発明に従
って使用される中性子検出器は、好都合に、例えば、ヘリウム３充填若しくはホ
ウ素１０充填中性子検出器、又は中性子感応性シンチレーション検出器である。
好都合に、中性子検出器は、コリメーターにより、陰になった位置に配設され、
もって、制動放射での検出器の一次照射は、本質的に防止される。中性子検出器
は、特に遅発中性子を検出する。何故ならば、遅発中性子は、核分裂性物質にお
いてのみ発生するからである。遅発中性子の収率は、約１％又は即発中性子の収
率であるが、検出の感度は、ずっと長時間に亘る曝露と実際的には存在しない中
性子のバックグラウンドとにより、十分に高い。
本発明に従って使用される線形粒子加速器は、パルスモードで好都合に作動さ
せられる。このため、制動放射バーストは、例えば５０〜５００Ｈｚの周波数範
囲内で生ぜしめられ得、制動放射の持続時間は、約１．５マイクロ秒である。こ
こで、２つの連続するバースト間の間隔は、２０００〜２００００マイクロ秒で
ある。制動放射から保護するための、コリメーターの陰の中への中性子検出器の
配設にも拘らず、加速器の遮蔽チャンバー内で散乱させられた制動放射バースト
は、中性子検出器内でのイオン化を引き起こす。この結果、約１０マイクロ秒の
持続時間を有する高振幅パルスが、検出装置の出力に現れる。高振幅パルスの間
、中性子の検出は、不可能である。このため、本発明によれば、時間選択装置で
あって、検出装置の作動を阻止すると共に、制動放射バーストパルスが終了する
と時間窓を再び開くものが、使用される。時間窓の継続時間は、１５０〜２００
マイクロ秒の範囲内である。
本発明によると、輸送コンテナのような、検査されるべき物質の全体が、制動
放射で照射される。もし遅発中性子束における本質的な変化が検出されたならば
、この変化に対応する物質の位置が、決定される。物質全体を照射した後、物質
は、中性子変化に対応する位置に戻され、問題になっている物質を識別すべく、
その位置が、３０〜６０秒である、本質的に長い時間の間、制動放射で再び照射
される。核分裂性物質の識別のために、制動放射が、先ず中断され、この場合、
遅発中性子束が、制動放射を中断した後の少なくとも１分間測定される。
以下、本発明が、添付図面を参照して、より詳細に説明される。
図１は、部分的な側断面図として表されている、本発明の好適な実施形態を示
している。
図２は、図１の実施形態に接続される中性子検出装置の時間選択装置の動作の
ブロック図である。
図３は、時間−エリア座標により、図２の時間選択装置の動作の原理を示して
いる。
図１によると、線形粒子加速器１は、コリメーター内に設けられている狭い通
路を通過する制動放射ビーム２を発生し、コンテナ４を照射する。ポイントシン
チレーション検出器５は、イメージプロセッサーと共に、コンテナ４の中身の像
を生成すべく使用される。もしコンテナ４が核分裂性物質６を収容しているなら
ば、核分裂性物質６は、それが制動放射２の照射ゾーン内にあるときに、即発中
性子を放出し始める。中性子は、ヘリウム充填検出器７によって検出され、ヘリ
ウムの分子量は、３である。検出器７は、水素含有媒質８、例えば水又はパラフ
ィンの中に浸漬されており、もって、中性子によって生成されるスペクトルを和
らげ、これは、高い検出効率を確実にする。コリメーター３は、中性子検出器７
と粒子加速器１との間に配設されており、もって、制動放射２での検出器の一次
照射は、防止されている。中性子放出に対する十分なしきいエネルギーを確実に
すべく、コリメーター３は、好都合に、スチールで作られている。
検査の間、コンテナ４は、粒子加速器１の走査制動放射フィールド内を移動す
る。通常の場合、中性子検出器７は、いくらかの量のバックグラウンド中性子放
出を記録する。もし、コンテナの移動の間に、中性子束が突然増加したならば、
特別の検査装置が、疑わしい対象物が位置させられているところの、コンテナ４
内の正確なスポットをマークする。ここで、コンテナ４全体の検査の後、コンテ
ナ４は、マークされたスポットに戻され、そして、光中性子を放出する物質が、
識別される。識別のために、疑わしい対象物６は、制動放射を３０〜６０秒の間
照射される。もし対象物６が核分裂性物質を含んでいるならば、照射の間に飽和
レベル近くまで蓄積した量の核分裂破片が、加速器１をオフにした１〜２分後に
遅発中性子が検出されることを引き起こす。もし遅発中性子束が無視され得るな
らば、疑わしい対象物は、低い光中性子反応しきいエネルギーを有する成分、即
ち核分裂性物質ではない成分を含んでいる。
図２において、中性子検出器７は、高電圧装置１２から供給される。検出器７
から受信されたパルスは、増幅器１３及び弁別器１４を通過し、その後、パルス
は、時間選択装置１５に入る。時間選択装置１５は、粒子加速器制御装置１６に
よって制御される。時間窓が開いている間に到達するパルスは、計数器１７によ
って記録される。
図３は、制動放射バーストを時間の関数として示している。時点t0において、
制動放射バーストが、発生され、パルス２１をもたらす。曲線２２は、即発中性
子束の時間分布を表している。期間t1〜t2内において、即ち時間窓の間、図２に
よる時間選択装置は、パルス２３を通過させるべく開いており、これは、検出器
における中性子の捕獲をもたらす。Description: FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a method and an apparatus for detecting and discriminating fissile material, wherein the method and apparatus for detecting and discriminating neutron radiation emitted by the fissile material are described. The intensity is measured by a neutron detector. Fissile materials such as plutonium, uranium and thorium can be used in fission reactions, where the heavy nucleus of an atom is split into two or more parts, typically by bombarding the nucleus with neutrons. Can be Usually, fission involves neutron emission or gamma-ray emission. Unmanaged and illegal distribution of fissile material is extremely dangerous. Because the improper use of matter can lead to significant destruction of the surroundings due to the enormous power involved in the fission reaction. Illegal transport of fissile material from one country to another usually takes place in large containers where small amounts of fissile material are easily hidden. Such containers are typically inspected visually, where small amounts of fissile material are difficult to detect. Bremsstrahlung provided by a linear particle accelerator, such as an electron accelerator, for automatically inspecting a container to detect objects concealed therein, for examining the contents of the container and for target and target inspection Methods have been developed that utilize those that move between devices to form an image of an object contained within a container. It is an object of the present invention to eliminate the disadvantages of the prior art and to provide a method and an apparatus suitable for the detection and identification of fissile materials such as plutonium, uranium and thorium, wherein the bremsstrahlung provided by a linear particle accelerator; It is an object of the present invention to make use of delayed neutron emission from fissile material caused by the bremsstrahlung. In accordance with the present invention, a high energy bremsstrahlung source operated within the range of 7-10 MeV is used to detect and identify fissile material, and the resulting radiation is inspected, such as in a shipping container. Aimed at goals to be done. When bremsstrahlung strikes a fissile material, a photon-nucleus interaction reaction occurs with the neutron emission between the radiation and the material. As an interaction reaction between a photon and a nucleus, a photoneutron / photofission reaction occurs, which is characterized by prompt neutron emission. In this prompt neutron emission, for each interaction reaction, one neutron is emitted from the photoneutron reaction and 2.5 neutrons are emitted from the photofission reaction. Photofission reactions further result in the production of radioactive fission fragments, some of which contain beta decay energies that exceed the neutron binding energy in the nucleus. In addition, beta decay energy leads to delayed neutron emission. Fission fragments that emit late neutrons are called leading nuclei. Fissile materials have the lowest threshold energy of photonuclear reactions with neutron emission. The range of action of photonuclear reactions and photofission reactions on fissile materials is wide, for example, at an energy E = 8 MeV, the values are about 100 mb and about 30 mb, respectively. According to the invention, delayed neutron emission from fissile material and passing through the bremsstrahlung irradiation zone is detected with at least one neutron detector. The neutron detector used in accordance with the invention is advantageously, for example, a helium 3 filled or boron 10 filled neutron detector, or a neutron sensitive scintillation detector. Advantageously, the neutron detector is arranged in a shadowed position by a collimator, so that primary irradiation of the detector with bremsstrahlung is essentially prevented. Neutron detectors detect particularly late neutrons. This is because delayed neutrons only occur in fissile material. The yield of late neutrons is about 1% or the yield of prompt neutrons, but the sensitivity of detection is sufficiently high due to much longer exposure and background of neutrons that are practically non-existent. The linear particle accelerator used according to the invention is advantageously operated in pulsed mode. Thus, a bremsstrahlung burst can be generated, for example, in the frequency range of 50 to 500 Hz, the duration of the bremsstrahlung being about 1.5 microseconds. Here, the interval between two consecutive bursts is 2000 to 20000 microseconds. Despite the placement of the neutron detector in the shade of the collimator to protect it from bremsstrahlung, the bremsstrahlung burst scattered in the shielded chamber of the accelerator causes ionization in the neutron detector. cause. As a result, high amplitude pulses having a duration of about 10 microseconds appear at the output of the detector. During high amplitude pulses, neutron detection is not possible. For this purpose, according to the invention, a time selection device is used which blocks the operation of the detection device and reopens the time window when the bremsstrahlung burst pulse ends. The duration of the time window is in the range of 150-200 microseconds. According to the invention, the whole substance to be inspected, such as a shipping container, is irradiated with bremsstrahlung. If a substantial change in the delayed neutron flux is detected, the location of the substance corresponding to this change is determined. After irradiating the whole material, the material is returned to the position corresponding to the neutron change, and to identify the material in question, the position is for 30-60 seconds, an essentially long time. Irradiated again with bremsstrahlung. For the identification of fissile material, the bremsstrahlung is first interrupted, in which case the delayed neutron flux is measured for at least one minute after interrupting the bremsstrahlung. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 shows a preferred embodiment of the present invention, represented as a partial side sectional view. FIG. 2 is a block diagram of the operation of the time selection device of the neutron detection device connected to the embodiment of FIG. FIG. 3 illustrates the principle of operation of the time selection device of FIG. 2 in time-area coordinates. According to FIG. 1, a linear particle accelerator 1 generates a bremsstrahlung beam 2 passing through a narrow passage provided in a collimator and irradiates a container 4. The point scintillation detector 5 is used together with an image processor to generate an image of the contents of the container 4. If the container 4 contains fissile material 6, the fissile material 6 will start emitting prompt neutrons when it is within the irradiation zone of the bremsstrahlung 2. Neutrons are detected by the helium-filled detector 7 and the molecular weight of helium is 3. The detector 7 is immersed in a hydrogen-containing medium 8, for example water or paraffin, thus softening the spectrum produced by neutrons, which ensures a high detection efficiency. The collimator 3 is arranged between the neutron detector 7 and the particle accelerator 1 so that the primary irradiation of the detector with the bremsstrahlung 2 is prevented. In order to ensure a sufficient threshold energy for neutron emission, the collimator 3 is advantageously made of steel. During the inspection, the container 4 moves within the scanning bremsstrahlung field of the particle accelerator 1. In the normal case, the neutron detector 7 will record some amount of background neutron emission. If the neutron flux suddenly increases during the movement of the container, a special inspection device will mark the exact spot in the container 4 where the suspicious object is located. Here, after inspection of the entire container 4, the container 4 is returned to the marked spot, and the material that emits photoneutrons is identified. For identification, the suspect object 6 is irradiated with bremsstrahlung for 30 to 60 seconds. If the object 6 contains fissile material, the amount of fission debris that has accumulated to near the saturation level during irradiation will result in the detection of delayed neutrons 1-2 minutes after the accelerator 1 is turned off. cause. If the delayed neutron flux can be neglected, the suspect object contains components having a low photoneutron reaction threshold energy, ie, components that are not fissile. In FIG. 2, the neutron detector 7 is supplied from a high voltage device 12. The pulses received from the detector 7 pass through an amplifier 13 and a discriminator 14, after which the pulses enter a time selector 15. The time selection device 15 is controlled by the particle accelerator control device 16. The pulses arriving while the time window is open are recorded by the counter 17. FIG. 3 shows the bremsstrahlung burst as a function of time. At time t 0 , a bremsstrahlung burst is generated, resulting in pulse 21. Curve 22 represents the time distribution of the prompt neutron flux. Within the time period t 1 -t 2 , ie during the time window, the time selection device according to FIG. 2 is open to pass the pulse 23, which results in the capture of neutrons at the detector.