Development of Innovative Technology for Detection and Identification of Radioactive Materials

During the last 20 years, 2477 incidents related with the smuggling of radioactive materials have been reported to the IAEA. The implementation of systems for detection of radioactive materials at borders, ports, airports, etc. is a critical issue to contrast the contraband and prevent further consequences. The neutron detector based in 3He has been a common component in radiation portals, but the increasing demand of 3He has caused its shortage with a very large cost increase. This situation has motivated the scientific community to develop a new generation of neutron detectors to replace the 3He-based systems. In this work is reported a complete characterization, based on experiments and Monte Carlo simulations, of a set of modern organic liquid scintillator detectors with neutron/gamma discrimination capabilities. New results with respect to the light output function and the neutron and gamma efficiencies of the EJ-309 scintillator are presented. The EJ-309 scintillator coupled to a PMT H8500C was used also in a prototype of a compact and portable neutron/gamma spectrometer. A complete study of the first commercial plastic scintillator with neutron/gamma discrimination capabilities (EJ-299-33) was performed. The response of the EJ-339A detector (a liquid loaded with 4.6 % of 10B) was studied in order to discriminate between gamma, fast neutron and thermal neutron events coming from a shielded 252Cf source. Finally, as another alternative to the standard 3He systems, the use of the EJ-420 detector (based on ZnS(Ag)/6Li scintillator) for thermal neutron detection was tested. The pulse processing of all the detectors was performed using modern CAEN nuclear electronics based in fast digitizers.

Durante gli ultimi 20 anni, 2477 incidenti collegati al contrabbando di materiale radioattivo sono stati segnalati all'IAEA. L'implementazione di sistemi per la rivelazione di materiale radioattivo alle frontiere, in porti, aeroporti, ecc. è una questione critica per ridurre il contrabbando e prevenirne ulteriori conseguenze. Rivelatori di neutroni basati sul 3He sono stati un componente comune nei portali di radiazione, ma la crescente richiesta di 3He ha causato una carenza del materiale con un grande aumento dei costi. Questa situazione ha motivato la comunità scientifica nello sviluppo di una nuova generazione di rivelatori di neutroni per sostituire i sistemi basati su 3He. In questa tesi viene realizzata la caratterizzazione completa, basata su esperimenti e simulazioni per Monte Carlo, di una serie di scintillatori liquidi moderni aventi capacità di discriminare neutroni dai gamma. Sono presentati nuovi risultati sulla uscita di luce e sulla efficienza per rivelazione di neutroni e gamma dello scintillatore EJ-309. Questo scintillatore accoppiato a un PMT H8500C è stato impiegato in un prototipo di spettrometro per neutroni e gamma compatto e portatile. E' stato realizzato uno studio completo del primo scintillatore plastico commerciale con capacità di discriminazione tra neutroni e gamma (EJ-299-33). La risposta dello scintillatore liquido EJ-339A (caricato con 4.6 % di 10B) è stata studiata in modo da potere discriminare tra eventi di neutroni veloci, neutroni termici e raggi gamma provenienti da una sorgente di 252Cf schermata. Infine, come una ulteriore alternativa ai sistemi ad 3He, è stato studiato il rilevatore EJ-420 (basato sullo scintillatore ZnS(Ag)/6Li) per la rivelazione di neutroni termici. Il trattamento degli impulsi di tutti i rivelatori è stato realizzato utilizzando elettronica nucleare moderna CAEN basata su “fast digitizers”.