Optimization of the slow neutron detector array in the thermal neutron backscattering technique

Abstract

Abstract: In Colombia, after decades of conflict, many geographical areas are believed to be contaminated by antipersonnel mines (MAP), Improvised Explosive Devices (IED) and other explosive ordnance. Mines laid by non-state armed groups are found around schools, houses and roads in rural areas. In some cases only the mined area is established however the exactly location of mines is unknown, this situation generates a latent threat to the civilian population. One of the nuclear techniques that are being investigated in different countries in the field of explosives detection and demining is the Thermal Neutron Backscattering Technique (TNBT). The TNBT is based on the fact that the buried target is Hydrogen-rich and therefore if it is in a media with different Hydrogen content and it is exposed to a fast neutron source, the number of backscattered thermal neutrons produced by the moderation process will give us a signal from which we can infer the presence of the Hydrogen-rich target. The TNBT has been used in controlled conditions to locate buried hydrogen-rich objects using a Cf-252 fast neutron source and two He-3 neutron detector arrays, also in different types of soil (sand and farming soil). The results of experiments are presented with the purpose of showing different possibilities of the detector arrays location, number of detectors per array, dependence with different soils and the best performance in the data analysis.

Resumen: En Colombia, después de décadas de conflicto, se cree que muchas áreas geográficas están contaminadas por Minas Antipersonal (MAP), Municiones sin Explosionar (MUSE), Artefactos Explosivos Improvisados (AEI) y otros artefactos explosivos. Las minas colocadas por grupos armados se encuentran alrededor de las escuelas, las casas y caminos en zonas rurales. En algunos casos sólo se establece la zona minada pero la ubicación exacta de las minas es desconocida, esta situación genera un peligro latente para la población civil. Una de las técnicas que usa las radiaciones nucleares y que está siendo investigada en diferentes países en el campo de la detección de explosivos y desminado es la denominada retrodispersión de neutrones térmicos (TNBT, por sus siglas en inglés). La TNBT se basa en el hecho de que el objeto enterrado es rico en hidrógeno y por lo tanto si se encuentra en un medio con diferentes contenidos de hidrógeno y se expone a una fuente de neutrones rápidos, el número de neutrones térmicos retrodispersados producidos por el proceso de moderación nos dará una señal de la que podemos inferir la presencia del objeto rico en hidrógeno. La TNBT se ha utilizado en condiciones controladas para localizar objetos ricos en hidrógeno enterrados, utilizando una fuente de neutrones rápidos y dos arreglos de detectores de neutrones de He-3, también en diferentes tipos de suelo (arena y suelo franco o tierra de cultivo) y diferentes contenidos de agua del suelo. Los resultados de los experimentos son presentados con el propósito de mostrar las diferentes posibilidades de la ubicación de los detectores, el número de detectores por conjunto, la dependencia con diferentes suelos y el mejor rendimiento en el análisis de datos.