تهدید های هسته ای و چالش های امنیتی – فصل ۲۰: اندازه گیری نوین هسته ای ایمنی و امنیت

تهدید های هسته ای و چالش های امنیتی – فصل ۲۰: اندازه گیری نوین هسته ای ایمنی و امنیت – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه آموزش

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

تهدید های هسته ای و چالش های امنیتی – فصل ۲۰: اندازه گیری نوین هسته ای ایمنی و امنیت

کتاب تهدید های هسته ای و چالش های امنیتی

فصل ۲۰

فناوری های اندازه گیری نوین هسته ای در ارتباط با ایمنی و امنیت

 چکیده

یکسری از فناوری های اندازه گیری نوین هسته ای نظیر طیف سنجی هیبرید / ترکیبی گاما و مدل سازی آلودگی ـ سه بعدی زمان واقعی اخیراً در گروه AREVA، با توجه به کاربردهای ایمنی و امنیتی و با در نظرگیری نتایج حاصله از تجارب حادثه فوکوشیما، توسعه یافته اند.

سیستم های طیف سنجی جدید هیبرید، با قابلیت ترکیب طیف از انواع مختلف آشکارسازها (NaI، HpGe، CdZnTe، CsI(Tl)..) (آشکارسازهای دارای رزولوشن سطح بالا و پایین)، در ارتباط با کاربردهای نظارتی امنیتی مورد ارزیابی قرار گرفته اند. برآوردهای تکراری با منابع مختلف و زمان های اکتساب گوناگون مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته که نتایج آن معرف این موضوع می باشند که فرآیند هیبریداسیون با قابلیت ارتقای تشخیص پذیری پیک در هر یک از مولفه های تشکیل دهنده آشکارسازها، می تواند سبب کاهش نرخ هشدار کاذب نیز گردد. حادثه فوکوشیما سبب ارائه رویکردهای عملیاتی جدیدی در ارتباط با فرآیندهای سنجشی هسته ای گردیده که می بایست آنها را در موقعیت های اضطراری با توجه به ویژگی های مطلوب، نظیر پیاده سازی و تداخل سریع و همچنین آنالیز و تعریف سناریوی به هنگام و آن، بکار گرفت. AREVA، با توجه به تجارب کاری حاصل آمده از فاجعه فوکوشیما اقدام به توسعه یک راه حل چند حسگری نوین به عنوان بخشی از تحقیقات خود نمود که شامل رویکردها و روش های مرتبط و سیستمی با قابلیت های نقشه برداری توزیعی تابش فضایی سه بعدی زمان واقعی برای انجام فرآیندهای نقشه برداری در محیط های آلوده می باشد. این سیستم را می توان بر روی یک ابزار سیار (همانند روبات، هواپیماهای پرنده بدون سرنشین و یا سیستم های دیگر) نصب نمود. در این مقاله، برخی از جزئیات توسعه اخیر بر مبنای فناوری SLAM (ویژگی های محلی سازی و نقشه برداری همزمان)، با استفاده از حسگرهای و آشکارسازهای جامع ارائه گردیده، که به ما اجازه انجام نقشه برداری همزمان و اکتساب سریع داده های رادیولوژیکی را خواهند داد. این سیستم قابلیت مشخص سازی نرخ / آهنگ دوز و توزیع طیف گاما در یک نگاشت سه بعدی را فراهم می آورد.

تهدید های هسته ای و چالش های امنیتی – فصل ۲۰: اندازه گیری نوین هسته ای ایمنی و امنیت

۲۰ـ۱٫ مقدمه

سیستم های رادیومتری که به منظور نظارت و ممانعت از قاچاق غیرقانونی مواد رادیولوژیکی طراحی شده اند از نقطه نظر اهداف طراحی می بایست کاملاً حساس و کاربردی باشند. در عین آنکه حساسیت بالای این نوع از فناوری های مربوط به عدم اشاعه سبب  ارتقای احتمال تشخیص می گردند،  گزینش پذیری نیز  یکی از عواملی است که  در  خصوص مشخص سازی دقیق  محموله های قانونی و  یا  غیر قانونی و  اجتناب  بهتر  از هشدارهای  کاذب،  در برخورد با مواد بی ضرر، کاربرد دارد.  فرآیند گزینش  پذیری را  می توان به بهترین حالت با استفاده از آشکارسازهای طیف سنجی دارای رزولوشن بالا حاصل آورد، اما لازم بذکر است که این آشکارسازها / تشخیص گرهای مورد استفاده بر حسب هزینه و اندازه محدود می باشند.

کارایی سیستم اندازه گیری طیفی را می توان با استفاده از اضافه نمودن آشکارسازها به سیستم و ترکیب کلیه سیگنال ها تقویت نمود. از نقطه نظر تاریخی، این فرآیند با استفاده از آشکارسازهای هم نوع حاصل می شود، یعنی همگی این سیستم ها می بایست دارای پیک یکسانی باشند. با توجه به مجموع طیف اندازه گیری شده و کالیبراسیون های انرژی تطبیقی می توان تحلیل طیف حاصل آمده نهایی را با استفاده از تابع پاسخ پیک مشترک انجام داد. مزیت این راهکار گزینش پذیری ارتقاء یافته، البته به بهای استفاده از تشخیصگرهای بیشتر و همچنین محاسبات اضافه، به منظور تطبیق کالیبراسیون های انرژی قبلی با جمع طیفی می باشد.

رویکرد سنتی در زمینه ترکیب سیستم های تشخیصگر یکسان قابلیت پشتیبانی از انجام فرآیند ترکیب انواع مختلف آشکارسازها، با توجه به توابع بسیار مختلف پاسخ پیک، را بوجود نمی آوردند. جمع کردن استاندارد آشکارسازهای متفاوت نیازمند تحلیل متعاقب طیف جمع شده با استفاده از یک تابع پاسخ پیک چند مودی پیچیده منوط به ضریب کارایی نسبی به عنوان تابع انرژی می باشد. یک رویکرد جدید در AREVA توسعه یافته است که برای ترکیب آشکارسازهای طیفی از انواع مختلف پیشنهاد شده است که خود سبب ایجاد یک طیف هیبرید یا ترکیبی گردیده [۱] که قابلیت تحلیل و تطبیق آن با استفاده از یک تابع پاسخ پیک ساده و روش های تحلیلی موجود بترتیب وجود دارد. سیستم تشخیص ترکیبی قابلیت ترکیب انواع مختلف آشکارسازها در یک سیستم طیف بینی واحد را خواهد داشت.

یک سیستم تشخیص ترکیبی می بایست قابلیت حصول کلیه ویژگیهای ذیل در یک سیستم را داشته باشد: کارایی بالا، آشکارساز با وضوح پایین و کارایی کمتر، آشکارساز با وضوح بالا و کارایی بیشتر همراه با وضوح بهتر. کاربردهای بالقوه شامل مشخص سازی و برآورد ضایعات سطح پایین، اندازه گیری های آلایندگی های داخلی، کنترل مولفه های مرتبط با عدم اشاعه و ایمنی و کلا تمامی کاربردهای همزمانی که نیازمند کارایی بیشتر، همراه با تشخیص و وضوح بالاتر می باشند.

جهت ارزیابی کارایی این نوع از سیستم های هیبرید که به منظور عدم اشاعه محصولات هسته ای طراحی شده اند، یک سیستم آزمایشی که خود متشکل از ترکیبی از کارایی بیشتر، آشکارسازهای با وضوح و کارایی کمتر، همراه با آشکارسازهای با وضوح بالاتر می باشد جهت بررسی موارد مورد استفاده قرار گرفته است. برآوردهای منبع نیز برای عملکرد سیستم های معیارسنجی و ارزیابی دقت شبیه سازی های طیفی بکار گرفته شده اند. شبیه سازی های گسترده نیز در ارتباط با ویژگی های عملکرد با توجه به اهمیت مکفی آماری به منظور تعیین علمکرد و مشخصه های دقیق آن ارائه گردیده اند. این نتایج بر حسب احتمال تشخیص و نرخ هشدار کاذب به عنوان تابع زمان اکتساب برای محدوده گسترده ای از مواد هسته مورد نظر در ارتباط با کاربردهای امنیتی عرضه گردیده اند.

ترکیب های متفاوتی از آشکارسازهای مختلف مورد بررسی قرار گرفته اند: بطور مثال، یک آشکارساز NaI(Tl) با اسلب بزرگ در ترکیب با آشکارسازهای HPGe [2] برای کاربرد در یکسری از پرتال های بزرگ و ثابت مورد استفاده قرار گرفته و یا ترکیبی از آشکارسازهای CZT و سوسوزن های CsI برای کاربرد در تشخیصگرهای رادیومتری دستی ارائه شده اند [۳].

تهدید های هسته ای و چالش های امنیتی – فصل ۲۰: اندازه گیری نوین هسته ای ایمنی و امنیت

۲۰ـ۲٫ سیستم ترکیبی برای کاربرد در پرتال های بزرگ ثابت

برای کنترل اشاعه مواد هسته ای و نظارت بر ترافیک تجاری، توان عملیاتی را می بایست به حداکثر رساند. این فرآیند خود نیازمند استفاده از سیستم های کاملاً کارآمدی است تا در یک زمان کوتاه قابلیت تشخیص مناسب وجود داشته باشد. یکی از بزرگترین سیستم های تشخیصگر طیفی یک اسلب سوسوزن بزرگ می باشد. در این مطالعه، ما کاربرد یک سوسوزن مستطیلی ۳² ´۵² ´۱۶² (۷٫۶ ´ ۱۲٫۷ ´ ۴۰٫۰ cm) Nal(Tl)  نصب شده بر روی یک لوله فوتومالتی پلکسر، تحت عنوان NaI slab، را مد نظر قرار می دهیم. حتی با کارایی خوب، آلارم های زیاد با توجه به نرخ هشدار کاذب، علیرغم ممانعت از عبور یک قلم غیرقانونی، ممکن است بر روی برآوردهای ثانویه و تحقیقات مرتبط تاثیر گذار باشند. سیستم NaI slab در عین کارآمدی یعنی پوشش بیش از ۵۰۰ سانتی مترمربع، دارای رزولوشن نسبتاً ضعیفی می باشد (۵/۷ درصد با ۶۶۲ keV) و مستعد خطای شناسایی بیشتری نیز است. یک ژرمانیوم با خلوص بالای بزرگ (HPGe) با قابلیت پوشش دادن ۵۰ سانتیمتر مربع و ۱۰۰% کارایی نسبی (در مقایسه با ۳² ´۵² NaI(Tl) با در نظرگیری ۱,۳۳۲ ke) در این مطالعه جهت پشتیبانی از NaI slab مدنظر قرار می گیرد که از این به بعد تحت عنوان سیستم HPGe100 خوانده می شود. HPGe200 معرف دو نوع از این آشکارسازها می باشد. در عین آنکه HPGe100 از مرتبه بزرگی کمتر و زاویه فضای نسبتاً کوچکتری برخوردار می باشد، این سیستم از وضوح انرژی بهتر تقریباً ۲۵ برابری با پهنای نصف مقدار بیشینه (FWHM) در حدود ۱٫۵ keV (0.3 %) – 662 keV بهره مند است. مزیت رزولوشن ارتقاء یافته نه تنها قابلیت تشخیص بهتر پیک های مجاور است، بلکه این سیستم قابلیت کاهش کارآمد زمینه ای تحت پیک های کاملاً باریکتر را داشته و بعلاوه از توانایی ارتقای نسبت سیگنال به نویز نیز برخوردار است. شکل ۲۰ـ۱ نشان دهنده پیکربندی این آشکارساز در ارتباط با مطالعه جاری می باشد.

…

۲ـ۲ـ۱٫ برآوردها

یکسری از برآوردها با استفاده از منابع مختلف در محدوده ای از زمان های اکتسابی با استفاده از آشکارسازهای HPGe100 و NaI slab انجام شدند. منابع شامل شده در این آزمایش متشکل از موارد ذیل هستند: ^۲۴۱Am(60 keV)،  ۳۸۴ keV)و ^۱۳۳Ba(81, 276, 303, 356(81، ۲۷۶، ۳۰۳، ۳۵۶و ۳۸۴ keV)، ^۱۳۷Cs(662 keV) ⁶⁰Co (173/1 و ۳۳۲/۱ keV) و ^۱۵۲Eu (122، ۲۴۵، ۳۴۴، ۴۱۱، ۴۴۴، ۷۷۹، ۸۶۷، ۹۶۴، ۰۸۹/۱، ۱۱۲/۱ و ۴۰۸/۱ keV) این برآوردها با استفاده از هر دو دستگاه آشکارساز با توجه به کاربرد فواصل یکسان سورس ـ به ـ آشکارساز برای زمان های فعال (یعنی زمانی که آشکارساز توانایی دریافت پرتو را دارد) به میزان ۵/۱، ۳۰ و ۶۰ ثانیه انجام شدند. هر کدام از آزمایشات زمان فعال برای ده بار تکرار گردیدند. علاوه بر طیف های تشخیصگر واحد، طیف های مرتبط نیز جهت حاصل آوردن طیف های سیستمی هیبرید ترکیب گردیدند. هر طیف جهت حصول کلیه نواحی پیک یافت شده و همچنین زمینه های پیوستاری اصلی مورد آنالیز قرار گرفت. معیار شایستگی هر پیک بر حسب معادله (۲۰ـ۱) به شرح ذیل مشخص شده است:

…

۲۰ـ۲ـ۲٫ ارزیابی عملکرد

در نهایت، عملکرد یک سیستم امنیتی منوط به دقت نتایج شناسایی در زمینه کنترل محدوده کامل منابع و زمان های اکتساب می باشد [۵]. این فعالیت ها برای منابع نقطه ای در فاصله یک متری مشخص شده اند. منابع مشخصه شامل مواد طبیعی، پزشکی، صنعتی و مواد هسته ای خاص می باشند. کلیه هسته ها به صورت منفرد و به صورت جفتی، با توجه به ۳۲۵ طیف شبیه سازی شده برای هر آشکارساز و هر یک از ویژگی های حاصله از زمان فعالیت، مدل سازی شدند. پارامترهای به دست آمده با توجه به زمان های فعالیت ۳، ۱۰ و ۳۰ ثانیه ای مدلسازی گردیدند. آشکارسازهای مدل سازی شده شامل یک NaI slab واحد، یک HPGe100 منفرد و دو HPGe100 (HPGe200) می باشند. طیف های ترکیبی متعاقباً از طریق ترکیب نمودن HPGe100 و NaI slab (Hybrid100) و همچنین ادغام HPGe200 و NaI slab (Hybrid20) حاصل شدند. ارزیابی عملکرد با تحلیل هر کدام از این طیف ها با توجه به الگوریتم های شناسایی هسته ای استاندارد انجام شد. برای طیف های HPGe100، HPGe200، Hybrid100 و Hybrid200، آنالیزهای بکار گرفته شده شامل جستجوی پیک Canberra Genie4  کانبرای استاندارد موتورهای تحلیل همبسته تداخلی می باشند، که تنها گوناگونی مشخص کاربرد زمینه های مورد نظر مناسب برای کاهش زمینه ای می باشد.

…

۲۰ـ۳٫ سیستم هیبرید برای کاربردهای دستی

مطالعه قبلی نشان دهنده مزیت های ایجاد یک سیستم ترکیبی یا هیبرید متشکل از آشکارسازهای بزرگ slab NaI در ترکیب با آشکارسازهای HPGe برای استفاده در پرتال های بزرگ ثابت می باشد. مطالعه دیگری نیز اقدام به ارزیابی عملکرد ترکیبات هیبرید CZT و سوسوزن ها برای بکارگیری در سیستم های کاربردی دستی نموده است (شکل ۲۰ـ۴).

…

۲ـ۴٫ نتایج

نرخ های شناسایی صحیح و کاذب برای هر یک از پیکربندی های آشکارساز و با توجه به زمان فعالیت مشخص شدند. نرخ شناسایی کاذب بر روی محور افقی نشان داده شده و نرخ شناسایی صحیح متناظر نیز بر روی محور عمودی مشخص شده است. عملکرد ایده آل در گوشه فوقانی سمت چپ این طرح مشخص می باشد، با ۰% نرخ شناسایی کاذب و ۱۰۰% نرخ شناسایی درست. هر کدام از این مجموعه نقاط برای یک نوع خاص آشکارساز به وسیله یک خط به یکدیگر متصل می شوند تا قابلیت دنبال نمودن آسان آنها توسط چشم فراهم شود. اندازه های نشانگر با توجه به افزایش زمان فعالیت از ۳ به ۱۰ به ۳۰ به ۱۰۰ و نهایتاً ۳۰۰ ثانیه افزایش می یابد (شکل ۲۰ـ۵).

…

۲۰ـ۵٫ نقشه نگاری گامای سه بعدی زمان حقیقی

۲۰ـ۵ـ۱٫ بازخوردها و درس های فرا گرفته شده از فوکوشیما

در طی حادثه فوکوشیما فناوری های مختلفی جهت ارزیابی آلایندگی های منطقه و سطح آهنگ دوز به منظور تعیین سناریوهای تداخلی جهت ارتقای مدیریت ریسک و کاهش تأثیر محیطی اعمال شدند. برآوردهای میزان دوز زمین ـ موضع ای در اطراف منطقه، همراه با دیگر فرآیندها نظیر درون یابی و نقشه برداری انجام شدند.

…

۲۰ـ۵ـ۲٫ نوآوری و نتایج اولیه

پس از حادثه فوکوشیما و به واسطه عدم وجود راه حل های مشخص، تیم های AREVA R&D اقدام به انجام یک فرآیند نوآوری در ارتباط با بکارگیری فناوری SLAM نمودند (که در توپوگرافی سه بعدی همزمان و بازسازی محیط بکار گرفته می شود و مخصوصاً کاربرد آن در معادن، اهداف رهگیری، ماشین های خودکار و مشخص سازی موقعیت های ربات ها با توجه به حجم آنها مدنظر می باشد) آن هم با در نظرگیری نرخ / آهنگ دوز و پروب ها یا سیستم های آزمایشی طیف سنجی به منظور ایجاد یک کارتوگرافی یا نقشه نگاری گامای زمان حقیقی سه بعدی [۶].

…

تهدید های هسته ای و چالش های امنیتی – فصل ۲۰: اندازه گیری نوین هسته ای ایمنی و امنیت

۲ـ۶٫ نتیجه گیری

در این مقاله فناوری های اندازه گیری هسته ای نوین مختلف ارائه شده است، بر این مبنا فرآیند تشخیص هیبرید یا ترکیبی به منظور تسریع تصمیم گیری در ارتباط با حوزه های ضایعات هسته ای (تریاژ، خصوصیات و مدیریت) توسعه یافت. درس های فراگرفته از حادثه فوکوشیما به ما در زمینه ارائه راه حل های نوین و توسعه نقشه نگاری گامای سه بعدی زمان واقعی کمک می نماید، و این فناوری پیشرفته به زودی در سایت های مرتبط جهت افزایش عملکرد متخصصین فنی یا اپراتورها و کاهش دوز دریافتی آنها از طریق تعریف سناریوهای تداخلی دقیق کمک خواهد نمود. توسعه های متعاقب بر روی هر دو مورد فناوری های ذکر شده انجام شده است و آنها نشان دهنده کاربردپذیری بالقوه در زمینه مسایل امنیتی،  ایمنی و پادمانی می باشند.