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Energieselektive Neutronenradiographie für die Inspektion von Gepäck und Frachtgut

11.12.2009

Die Zuverlässigkeit der meisten Röntgen- und Gammastrahlungsmethoden zur Erkennung von Schmuggelware und Sprengstoff in Gepäck und Frachtgut hängt in entscheidendem Maße von der Formerkennung und folglich von der Beurteilungsfähigkeit des menschlichen Operateurs ab. Außerdem kann Photonenradiographie nur sehr begrenzt Elemente im Niedrig-Z-Bereich unterscheiden. Leichte Elemente können darüber hinaus durch Abschirmung mit schweren Elementen abgeschirmt und damit maskiert werden. Resonanzradiographie mit schnellen Neutronen (FNRR, Fast-Neutron Resonance Radiography) ist eine vielversprechende Methode zur vollautomatischen Erkennung und Identifizierung von in Gepäck und Frachtgut versteckter Schmuggelware. Diese Fähigkeit beruht darauf, dass Neutronen die Eigenschaften der Atomkerne einer Probe abfragen und die charakteristische Struktur des Wechselwirkungsquerschnittes verschiedener Isotopen bei unterschiedlichen Neutronenenergien charakteristisch für jedes Element ist.

Außerdem ist die Neutronentransmission nur in geringem Maße von der Ordnungszahl eines Elementes abhängig, so dass Neutronen - im Gegensatz zu Röntgenstrahlung - leicht Stoffe aus schweren Elementen durchdringen können. Abbildung 1 zeigt beispielsweise die errechneten Transmissionsspektren von MeV-Neutronen durch 10 cm Material (Wasser, Polyethylen und Triacetontriperoxid (TATP)). TATP ist ein improvisierter Sprengstoff, der mit üblichen Haushaltschemikalien hergestellt werden kann; er wurde von Terroristen in Israel, in Großbritannien und vor kurzem bei einem gescheiterten Versuch in Deutschland verwendet. Die Lage und Ausprägung der verschiedenen Spitzen und Täler in jedem Spektrum ist charakteristisch für seine elementare Zusammensetzung und ermöglicht die Bestimmung der räumlichen Verteilung von Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff in der Probe.

Abbildung 1 : Berechnete Neutronentransmission durch 10 cm dickes TATP, Wasser und Polyethylen in Abhängigkeit von der Neutronenenergie

Voraussetzung für FNRR ist die Verfügbarkeit verschiedener Neuronentransmissionsbilder bei genau festgelegter Neutronenenergie. Dies wird durch den Einsatz eines breitbandigen gepulsten Neutronenstrahls und die Messung der Neutronen-Flugzeit (TOF) zur Energieauswahl erreicht. Diese Methode - bekannt unter dem Begriff "Pulsed Fast Neutron Transmission Spectroscopy" (PFNTS) - erfordert ein TOF-fähiges, hochauflösendes Bildgebungssystem für schnelle Neutronen. In den letzten Jahren wurden dazu mehrere Methoden untersucht, unter anderem Gas- und Szintillationsdetektoren, die mit verschiedenen optischen Auslesetechniken arbeiten [1 - 5].

Hier soll über die neueste Entwicklung eines zeitaufgelösten integrativen optischen Neutronendetektors ("TRION"-Detektor) berichtet werden, der energieselektive Neutronenbildgebung bei sehr hohen Neutronenströmen ermöglicht. Es handelt sich dabei um das derzeit bevorzugte Konzept für ein möglicherweise kommerziell einsetzbares System zur Untersuchung von Frachtgut und Gepäck. Eine ausführliche Übersicht dieses Konzepts kann [6, 7] entnommen werden.

Das Grundkonzept des TRION-Detektors beruht darauf, dass ein Neutronenbild auf einem Szintillatorbildschirm in ein optisches Bild verwandelt wird. Dieses optische Bild wird dann durch eine elektro-optische Ausleseeinheit betrachtet, die ein Neutronentransmissionsbild für eine vorgegebene Neutronenenergie erstellen kann. Dieses Energiefenster ist dabei ein Ausschnitt aus dem im Neutronenstrahl verfügbaren breitbandigen Energiespektrum. Das Energiefenster wird definiert durch die Selektion eines entsprechenden Fensters auf die Neutronenflugzeit von einigen Nanosekunden Breite. Die Flugzeitselektion erfolgt wiederum durch schnelle Belichtungssteuerung der eingesetzten Bildverstärker. Bei der ersten Ausführung des TRION-Detektors erforderten Bilder bei unterschiedlichen Neutronenenergien aufeinanderfolgende Messungen, da nur jeweils ein Bild bei einer Energie gleichzeitig gemacht werden konnte. Dies ist nicht sehr wirtschaftlich, da von dem verfügbaren breiten Neutronenspektrum nur wenige Neutronen (nämlich die, die gerade die richtige Energie haben) verwendet werden, während die anderen nur zur Strahlungsdosis auf die Probe beitragen, ohne irgendetwas Sinnvolles zur Messung beizutragen. Daher werden derzeit Methoden entwickelt, mit denen quasi gleichzeitig bei mehreren vorwählbaren Energie- (oder TOF-) Fenstern Bilder aufgenommen werden. Vor kurzem wurde ein 4-Energiesystem in Betrieb genommen, das in Abbildung 2 und 3 skizziert ist und 2008 einem ersten Test im Neutronenstrahl unterzogen wurde. Dabei wurde die bisherige einkanalige optische Ausleseeinheit durch einen großflächigen Vorverstärker für sichtbares Licht (OPA für Optical Pre-Amplifier) und 4 unabhängig steuerbare intensivierte Hochgeschwindigkeitskameras ersetzt. Im Vergleich zum Vorgängersystem ist es nun möglich, Bilder bei 4 unterschiedlichen Energien gleichzeitig aufzunehmen. Das neue System ermöglicht darüber hinaus kürzere Belichtungszeiten und damit auch kürzere Neutronenflugbahnen, bzw. alternativ eine bessere Energieauflösung im Vergleich zum Vorgängersystem. Mehr Einzelheiten über das neue System und die Ergebnisse der letzten Tests finden Sie in [5, 6]. Mit Hilfe dieses Systems wurden Anfang 2008 tomographische Messungen an einfachen Gegenständen ausgeführt, wobei die räumliche Auflösung, die Kontrastempfindlichkeit und die Signal/Rausch-Leistung des Systems bewertet wurden. Auf der Grundlage dieses Experiments wird das System weiter verbessert - insbesondere in Bezug auf die Verstärkungsstabilität der 4 ICCD-Kanäle, an die die Tomographie hohe Anforderungen stellt. Zu diesem Zweck wurde eine stabilisierte, LED-basierende Referenzlichtquelle in Zusammenarbeit mit dem Fachbereich "Optik" der PTB (AG 4.15) entwickelt, die eine Korrektur für die Verstärkung für alle Kameras während einer tomographischen Messung ermöglicht.

Abbildung 2 : Konstruktionszeichnung eines Mehrfachenergie-TRION-Detektors, dessen Anzeige auf einem optischen Eingangsverstärker (OPA) und einzeln angeschlossenen intensivierten CCD-Kameras (ICCD) basiert.

Abbildung 3 : Foto des neuen TRION-Detektors, hier nur mit 2 ICCD Kameras ausgestattet. Stand der Entwicklung sind 4 ICCDs.

Literatur

  1. V. Dangendorf, C. Kersten, G. Laczko, D. Vartsky, I. Mor, M. B. Goldberg, G. Feldman, O. Jagutzki, U. Spillman, A. Breskin, R. Chechik:
    Detectors for energy resolved fast neutron imaging,
    Nucl. Instr. and Meth. A 535, S. 93, 2004
  2. V. Dangendorf, R. Lauck, F. Kaufmann, J. Barnstedt, A. Breskin, O. Jagutzki, M. Kraemer, D. Vartsky:
    Time-Resolved Fast-Neutron Imaging with a Pulse-Counting Image Intensifier,
    Proc. of International Workshop on Fast Neutron Detectors and Applications, PoS(FNDA2006)008, 2006, available: pos.sissa.it//archive/conferences/025/008/FNDA2006_008.pdf
  3. D. Vartsky, I. Mor, M. B. Goldberg, I. Mardor, G. Feldman, D. Bar, A. Shor, V. Dangendorf, G. Laczko, A. Breskin, R. Chechik:
    Time Resolved Fast Neutron Imaging: Simulation of Detector Performance,
    Nucl. Instr. Meth. A542, S. 197, 2005
  4. I. Mor, D. Vartsky, I. Mardor, M.B. Goldberg, D. Bar, G. Feldman, V. Dangendorf:
    Monte-Carlo simulations of time-resolved, optical readout detector for fast-neutron transmission spectroscopy,
    Proc. Int. Workshop on Fast Neutron Detectors and Applications, POS(FNDA2006)064, 2006, available: http://pos.sissa.it//archive/conferences/025/008/FNDA2006_064.pdf
  5. I. Mor:
    Energy resolved fast neutron imaging via time resolved optical readout,
    MScThesis, 2006, available: jinst.sissa.it/theses/2006_JINST_TH_002.jsp
  6. V. Dangendorf et al:
    Multi-Frame Energy-Selective Imaging System for Fast-Neutron Radiograph,
    submitted to IEEE Transactions of Nuclear Science, Jul. 2008
  7. I Mor et al:
    A Time-Resolved Integrative Optical Neutron Imaging System for Fast-Neutron Resonance Imaging,
    in Vorbereitung, zur Veröffentlichung in JINST (http://www.iop.org/EJ/journal/jinst)