Nötron saçılması temelli bir gömülü patlayıcı dedektörünün modellenmesi ve tasarımı

Bu çalışmanın amacı nötron saçılması temelli bir gömülü patlayıcı dedektörünün tasarımı ve geliştirilmesidir. Son yıllarda yüksek miktarda patlayıcıların yol kenarlarına gömülmesi ile yapılan saldırıların arttığı gözlenmiştir. Genellikle araştırma safhasında kalan nötron saçılması temelli yöntemler, yüksek miktarda patlayıcı kullanımlarında patlayıcı tespitinin daha verimli çalışabilmesine olanak sağlayabilir. Bu çalışmada gömülü patlayıcı dedektörünün tasarımı ve optimizasyonu Monte Carlo metotları kullanılarak yapılmıştır. Ayrıca fizik simülasyonları için Geant4 fizik simülasyonu paketi kullanılmıştır. Patlayıcıların tespiti için bu tezde izlenilen ana metot, patlayıcı içindeki hidrojenin iz elementi olarak kullanılmasıdır. Patlayıcıdan saçılan ve termalize olmuş nötronların dedektörde tespit edilmesi amaçlanmıştır. Nötron kaynağı olarak ise piyasada döteryum - trityum veya döteryum - döteryum nötron jeneratörleri olarak geçen ticari bir nötron jeneratörünün kullanılması hedeflenmiştir. Bu çalışma için simülasyonu yapılan döteryum - trityum nötron jeneratörleri 14 MeV nötron enerjisi ve 10 8 n/s üretim hızı sağlayabilmektedir. Bu da hızlı deteksiyon ve toprak içinde derin tarama demektir. Nötron jeneratörü ve toprak gama ardalanı yaratacağından, dedektör elektroniğinin korunması amaçlı gama soğurucu bir malzemeye dedektör sisteminde yer verilecektir. Nötronlar toprak altındaki patlayıcıya ulaştıklarında, patlayıcı içindeki hidrojen tarafından termalize edilirler. Bu nötronlar eğer tekrar yüzeye doğru saçılırlarsa uygun bir nötron dedektörü ile tespit edilebilirler. Bu amaçla dedektörde hızlı ölçüm sağlayan ve maliyetleri düşük olan Si-PIN fotodiyotlar kullanılmıştır. Deteksiyon verimini arttırmak için birden fazla fotodiyot birlikte okunarak daha büyük alanlı bir dedektör oluşturulabilir. Fakat tek sorun, Si-PIN fotodiyotların diğer pek çok dedektör gibi nötronlara karşı hassas olmamasıdır. Bu yapı yüklü parçacıklara karşı hassas olduğundan nötron-yüklü parçacık çeviricileri olarak adlandırılan malzemeler Si-PIN fotodiyot üzerine kaplanarak kullanılabilirler. Bu amaç için olası çeviriciler incelenmiş ve 6 LiF, 10 B ve polietilen malzemelerinde karar kılınmıştır. 6 Li ve 10 B izotop oldukları için bulunması daha zor ve pahalıdır. Politetilen ise bir çok plastiğin temel yapısında olan bir malzeme olup daha kolay temin edilebilir. Kaplama kalınlıklarının belirlenmesi için farklı kalınlıklardaki çeviricilerin yüklü parçacık üretme hızları ile üretilen bu parçacıkların çevirici içindeki soğurulma hızlarının birbirlerine yakın olduğu değer tespit edilmiştir. Bu çalışmalarda en uygun parametreler Geant4 simülasyonlarının yardımı ile tayin edilmiştir. Çalışmalarda ilk olarak nötronun toprak içerisinde aldığı yol incelenmiştir. Bunun için Geant4 simülasyonunda yol izleme metodu kullanılmıştır. Bu çalışmalar sonucu nötronun patlayıcıya girdikten sonra ilk 20 cm içerisinde termalize olduğu görülmüş, derinliğe göre nötron enerjisinin profilleri çıkarılmıştır. Kartezyen koordinatlarda nötronların ortalama izleri çizilmiştir. Analizler sonucu termalize olan nötronlar ve sonrasında dedektöre ulaşabilen nötronların enerji spektrumları incelenmiştir. Saf toprak ve toprak içerisinde gömülü patlayıcıların olduğu durumlarda hızlı nötron spektrumlarına bakıldığında göz ile görülebilen bir fark tespit edilmiştir. Patlayıcının hızlı nötronları termalize etmesi nedeniyle toprakta gömülü patlayıcı olduğu durumlarda nötron sayımının düştüğü gözlenmiştir. Saçılan termal nötron spektrumuna bakıldığında ise gömülü patlayıcının olduğu durumlarda daha çok termal nötron olduğu ve bu farkın tespiti uygun bir nötron dedektörü ile mümkün olabileceği sonucuna varılmıştır. Gömülü patlayıcı tespiti için farklı birçok simülasyon hazırlanmıştır ve bu simülasy- onlarda amonyum nitrat bazlı patlayıcılar ile anti tank mayınlarına önem verilmiştir. Simülasyonlarda Si-PIN dedektörde oluşan sinyal; farklı çeviriciler, kütleler, gömü derinlikleri, patlayıcılar ve toprak çeşitleri için belirlenmiştir. dedektörde oluşan sinyal enerjilerini silikonda kaybeden yüklü parçacıklar nedeniyle oluşmaktadır. 6 LiF çevirici kullanıldığında 6 Li(n, α) 3 H reaksiyonu gerçekleşir ve bu reaksiyon sonucu 2.1 MeV enerjisine sahip bir α parçacığı ile 2.7 MeV enerjisine sahip bir triton birbirlerine zıt yönlerde yaratılırlar. Dolayısıyla bu parçacıklardan biri silikon yüzeyine nüfus edebilirse güçlü bir sinyal oluşur. 10 B çevirici kullanıldığında ise 10 B(n, α) 7 Li reaksiyonu gerçekleşir ve bu reaksiyon sonucu 1.8 MeV enerjisine sahip bir α ile 1 MeV enerjisine sahip bir 7 Li üretilir. Bu parçacıların iyonizasyonu sonucu dedektörde bir sinyal meydana gelir. Öte yandan 10 B reaksiyonu düşük bir olasılıkla uyarılmış bir 7 Li ∗ iyonu da oluşturabilir. Bu durumda enerjinin bir kısmı gama ışıması ile kaybolacaktır. Polietilen çeviricide ise yöntem tamamen farklı olmakla birlikte enerji kaybetme mekanizması elastik - inelastik saçılmalara dayanır. Hızlı nötronlar polietilendeki çekirdeklere çarparak kinetik enerjilerinin bir kısmını kaybederler. Kinetik enerji kazanmış bir protonun veya iyonun silikon yüzeyine girmesi ile iyonizasyon gerçekleşir. Bu durumda oluşan sinyal diğer çeviricilere göre daha yüksek olacaktır. Üç çeviricinin de kendine has avantajları ve dezavantajları vardır. 10 B, 6 LiF ile karşılaştırıldığında daha yüksek bir tesir kesitine sahiptir. Aynı zamanda 10 B'un bolluğu 6 Li ile karşılaştırıldığında daha yüksektir. Öte yandan reaksiyonların Q değerleri karşılaştırıldığında, 6 Li izotopunun daha yüksek bir enerji ortaya çıkardığı bilinmektedir. Gama ardalanı 1 MeV altında baskın olduğu için yüksek Q değeri topraktan ve nötron jeneratöründen gelen gamalardan daha kolay bir ayrışım yapılmasını sağlar. Enerji düştükçe nötron sinyallerinin gamalardan ayrışması zorlaşacaktır. Öte yandan polietilen çevirici daha yüksek enerjide sinyal verecektir. Yinede yüklü parçacık üretme hızı diğer çeviriciler kadar kuvvetli değildir. Polietilen çevirici ile patlayıcı tespiti, hızlı nötronların sayılarındaki azalma ile mümkün olabilir. Farklı çeviricilerin aynı deteksiyon aralığında çalışmaları mümkün olmadığından detaylı analizler yapılarak her çevirici için hangi enerji aralığının incelenmesi gerektiği hesaplanmıştır. Başarılı bir gömülü patlayıcı tespiti yapabilmek için patlayıcı sinyalinin toprak ardalanından ayrıştırılabilmesi gerekmektedir. Dolayısıyla, bu ayrışmanın kalitesi, z ile ifade edilen ve iki sinyal arasındaki farkı, standart sapma cinsinden veren parametre ile ifade edilecektir. Yapılan bütün simülasyonların sonucunda patlayıcı ve toprak sinyalleri birbirleri ile karşılaştırılmıştır. Analizler sonucu ayrışma kalitesi her farklı durum için belirlenmiştir. Sonuçlara göre 6 LiF çevirici kullanılan dedektör 500 kg kütleli amonyum nitrat bazlı bir patlayıcıyı 30 cm derinliğe kadar tespit edebilmektedir. Öte yandan 6 LiF çevirici ile 15 kg bir anti tank mayını 20 cm derinliğe kadar dedekte edilebilir. 10 B çeviricili dedektörde ise 500 kg kütleli amonyum nitrat bazlı bir patlayıcı 10 cm derinliğe kadar tespit edilebilmektedir. 15 kg ağırlındaki bir anti tank mayını ise 10 cm'ye kadar tespit edilebilir. Aynı çalışmalar polietilen çevirici içinde yapılmış ancak patlayıcı tespiti için güvenilir bir ölçüme ulaşılamamıştır. Temel denemelerin haricinde, gömülü patlayıcı tespitini etkileyebilecek ekstra faktörler de incelenmiştir. İlk olarak dedektörün bir araca monte edilmesi ile hareket halinde patlayıcı tayini yapılıp yapılamayacağı araştırılmıştır. Bu çalışma 500 kg kütleli amonyum nitrat patlayıcı için gerçekleştirilmiş ve sonuç alarak 30 cm derinlikteki bir patlayıcı 20 km/saat hızla giden bir araç tarafından tespit edilebilmiştir. Diğer bir çalışmada ise toprak içerisindeki nemin deteksiyon verimine etkisi incelenmiştir. dedektörün çalışma prensibi patlayıcı içindeki hidrojene bağlı olduğu için, topraktaki ekstra nem deteksiyon verimini düşürecektir. Farklı nemlerdeki toprakların içine 500 kg kütleli amonyum nitrat bazlı patlayıcı yerleştirilmiş ve deteksiyon limitleri belirlenmiştir. Bu çalışmanın sonucuna göre, toprak içerisindeki hidrojen oranı patlayıcı içerisindeki hidrojen oranına yakın olduğunda patlayıcı tespiti yapmak güçleşmektedir. Öte yandan toprakta patlayıcıda olduğundan daha fazla hidrojen olduğunda, patlayıcı sinyali ile toprak sinyali arasında önemli bir fark oluşur. Patlayıcı bu durumda daha az termalizasyon yaptığı için, sinyal saf toprak sinyalinden daha az olur. Sayımlardaki bu negatif yöndeki fark kullanılarak patlayıcı tespitinin yapılabileceği gözlemlenmiştir. Buna göre 10 cm derinlikte %20 neme kadar ölçüm yapılabilmiş ve son olarak da toprak yol yerine asfalt yolda kabul edilebilir bir sonuç elde edilip edilemeyeceğine bakılmıştır. Asfalt içerdiği yüksek hidrojen miktarı sebebi ile sinyal ayrımını güçleştirmektedir. Simülasyon sonuçları asfaltın olduğu durumlarda gömülü patlayıcı tespitinin oldukça zor olduğunu göstermiştir. Mayın tespiti için yapılan değişik simülasyonlarda kütleleri 5 ila 15 kg arasında değişen anti tank mayınları hedeflenmiştir. Farklı mayın üreticileri farklı patlayıcı malzemeler kullandıkları için, değişik anti tank mayını kompozisyonları için de çalışmalar tekrarlanmıştır. Bu çalışmanın sonuncunda farklı anti tank mayınları arasında belirgin bir fark görülmemiştir. Bir mayın içeriği olarak kullanılmayan ama saldırılarda benzer şekilde kullanılan triaseton peroksit, yüksek hidrojen içeriği sebebi ile anti tank mayınlarından daha güçlü bir sinyal üretmiştir. Farklı mayın kütleleri için yapılan çalışmalarda birbirinden çok farklı sonuçlar vermemekle birlikte sonuç olarak Si-PIN dedektör ile mayın tespiti yapılabilmiştir. Son olarak bütün simülasyon sonuçları ve elde edilen deteksiyon limitleri tablolar halinde özetlenmiştir. Si-PIN fotodiyot kullanılan nötron saçılması temelli gömülü patlayıcı dedektörü başarılı sonuçlar ortaya koymuş, bu sistemde kullanılacak en iyi nötron - yüklü parçacık çeviricisi 6 LiF olarak bulunmuştur. 10 B çeviricisinin ise alternatif malzeme olarak kullanılabileceği sonucuna varılmıştır. Öte yandan polietilenden umut verici bir sonuç alınamamıştır. Çalışmanın son kısmında mevcut metodu tamamlayıcı iyileştirmelere değinilmiş, geniş yüzeyli silikon pad dedektörler ve yüksek çözünürlüklü gama dedektörleri kullanılarak yapılabilecek olası bir termal nötron aktivasyon analizinden bahsedilmiştir.