Neutron Backscattering Technique for the Detection of Buried Organic Objects

Abstract

Abstract. The subject of the present work is to study through a Monte Carlo simulation (Geant4) and experimentally, the neutron backscattering technique for the detection of hydrogen-rich materials. This technique is based on the efficiency of these kind of materials to thermalize fast neutrons. The number of backscattered low energy, or thermal, neutrons is a direct indication of the presence of an hydrogen-rich objects. It was studied the influence of several geometrical parameters and in particular the influence of the moisture content on the technique response. The effect that produces the moisture in the range 0-10% by weight (an increment in the amplitude of the signal) had not been seen previously in related works. This effect was interpreted and checked by means of simulations and a theoretical approximation as an effect of pre-thermalización, where the moisture in this range of homogeneous values ¨helps¨ to the detection of the object. Extrapolating the results obtained experimentally to soils with a larger saturation moisture (related to the capacity of water retention) and supported on the realized simulations, there were obtained results that describe the possibility of detecting the buried object to high moisture values looking for inverse signals (negative values of the relative amplitude).

El tema del presente trabajo es estudiar mediante una simulación Monte Carlo (Geant4) y experimentalmente la técnica de retrodispersión de neutrones para la detección de elementos ricos en hidrógeno enterrados. Esta técnica se basa en la efectividad de estos tipos de materiales para termalizar un haz de neutrones rápidos. El número de neutrones retrodispersados de baja energía, o térmicos, es una indicación directa de la presencia de elementos ricos en hidrógeno. Se estudió la influencia en la respuesta de la técnica de varios parámetros geométricos y en particular la influencia de la presencia de humedad en el suelo. El efecto que produce la humedad en el rango 0-10 % (aumento en la amplitud de la señal) no había sido visto anteriormente en los trabajos relacionados. Este efecto se interpretó y verificó mediante simulaciones y una aproximación teórica como un efecto de pre-termalización, en donde la humedad en ese rango de valores homogéneos ¨ayuda¨ a la detección del objeto. Extrapolando los resultados obtenidos experimentalmente a suelos con un valor de humedad de saturación mayor (relacionado con la capacidad de retención de agua) y apoyados en las simulaciones realizadas se obtuvieron resultados que describen la posibilidad de detectar el objeto enterrado a altos valores de humedad buscando señales inversas (valores negativos de la amplitud relativa).