Развој и унапређeње недеструктивних метода за анализу радиоактивног и нуклеарног материјала

Abstract

У овој докторској дисертацији обрађена је проблематика везана за анализу радиоактивног и нуклеарног материјала употребом гама спектрометрије као аналитичке технике а такође и технике којом би се потенцијално могли превазићи практични проблеми мерења и анализе поменутих материјала. Теоријски део дисертације обухвата прво друго и треће поглавље. У оквиру првог поглавља дате су основне дефиниције нуклеарне форензике као научно-истраживачке дисциплине и појмова сковезаних за исту. У другом поглављу се дефинише место нуклеарне форензике на међународном нивоу у оквиру међународних регулатива и организација. У трећем поглављу дат је преглед основних карактеристика нуклеарних и других радиоактивних материјала који се могу наћи ван регулаторне контроле. Експериментални део докторске дисертације започиње четвртим поглављем које се бави коришћеним експерименталним техникама и методама мерења и анализе нуклеарних и других радиоактивних материјала. У оквиру овог поглавља дат је приказ гама спектрометрије као методе нуклеарне форензике као и софтверских пакета који су коришћени као математички алат за унапређење и развој недеструктивне методе анализе нуклеарних и других радиоактивних материјала. Специфичности узорака који се могу наћи на терену у погледу геометрије, састава и густине део су петог поглавља заједно са резултатима анализе. Добијени резултати указују да су и Angle и EFFTRAN софтвер за трансфер ефикасности са адекватном дефиницијом узорка било у погледу геометрије или састава и матрице дали задовољавајуће резултате који су у складу са резултатима који се добијају употребом GEANT4 софтверског пакета. Такође је установљено да уколико су у датој инстанци (криминалној истрази) потребни резултати у кратком временском интервалу, EFFTRAN софтвер представља добар алат за 'screening' методу, која даје брзе резултате концентрације активности са задовољавајућим нивоом поверења. Анализе спектара стандардних референтних нуклеарних материјала коришћењем софтверског пакета PC FRAM дате су у шестом поглављу, где су прокоментарисана основна запажања везана за специфичности анализе оваквог материјала. У закључку су прокоментарисане предности и мане потребе различитих математичких калкулација као помоћног алата у анализи спектара нецилиндричних узорака радиоактивних материјала и специфичности анализе нуклеарних материјала. Кроз целокупну докторску дисертацију дат је преглед нуклеарне форензике као научне исциплине, као и њеног места у оквиру националне и међународне нуклеарне безбедности. Поред тога показано је на који начин се рутинска гама спектрометријска мерења могу искористити за мерење специфичних материјала за потребе нуклеарне форензике уз очување састава и облика самог узорка који се мери.

U ovoj doktorskoj disertaciji obrađena je problematika vezana za analizu radioaktivnog i nuklearnog materijala upotrebom gama spektrometrije kao analitičke tehnike a takođe i tehnike kojom bi se potencijalno mogli prevazići praktični problemi merenja i analize pomenutih materijala. Teorijski deo disertacije obuhvata prvo drugo i treće poglavlje. U okviru prvog poglavlja date su osnovne definicije nuklearne forenzike kao naučno-istraživačke discipline i pojmova skovezanih za istu. U drugom poglavlju se definiše mesto nuklearne forenzike na međunarodnom nivou u okviru međunarodnih regulativa i organizacija. U trećem poglavlju dat je pregled osnovnih karakteristika nuklearnih i drugih radioaktivnih materijala koji se mogu naći van regulatorne kontrole. Eksperimentalni deo doktorske disertacije započinje četvrtim poglavljem koje se bavi korišćenim eksperimentalnim tehnikama i metodama merenja i analize nuklearnih i drugih radioaktivnih materijala. U okviru ovog poglavlja dat je prikaz gama spektrometrije kao metode nuklearne forenzike kao i softverskih paketa koji su korišćeni kao matematički alat za unapređenje i razvoj nedestruktivne metode analize nuklearnih i drugih radioaktivnih materijala. Specifičnosti uzoraka koji se mogu naći na terenu u pogledu geometrije, sastava i gustine deo su petog poglavlja zajedno sa rezultatima analize. Dobijeni rezultati ukazuju da su i Angle i EFFTRAN softver za transfer efikasnosti sa adekvatnom definicijom uzorka bilo u pogledu geometrije ili sastava i matrice dali zadovoljavajuće rezultate koji su u skladu sa rezultatima koji se dobijaju upotrebom GEANT4 softverskog paketa. Takođe je ustanovljeno da ukoliko su u datoj instanci (kriminalnoj istrazi) potrebni rezultati u kratkom vremenskom intervalu, EFFTRAN softver predstavlja dobar alat za 'screening' metodu, koja daje brze rezultate koncentracije aktivnosti sa zadovoljavajućim nivoom poverenja. Analize spektara standardnih referentnih nuklearnih materijala korišćenjem softverskog paketa PC FRAM date su u šestom poglavlju, gde su prokomentarisana osnovna zapažanja vezana za specifičnosti analize ovakvog materijala. U zaključku su prokomentarisane prednosti i mane potrebe različitih matematičkih kalkulacija kao pomoćnog alata u analizi spektara necilindričnih uzoraka radioaktivnih materijala i specifičnosti analize nuklearnih materijala. Kroz celokupnu doktorsku disertaciju dat je pregled nuklearne forenzike kao naučne iscipline, kao i njenog mesta u okviru nacionalne i međunarodne nuklearne bezbednosti. Pored toga pokazano je na koji način se rutinska gama spektrometrijska merenja mogu iskoristiti za merenje specifičnih materijala za potrebe nuklearne forenzike uz očuvanje sastava i oblika samog uzorka koji se meri.

In this doctoral dissertation, the issues related to the analysis of radioactive and nuclear material using gamma spectrometry as an analytical technique and also a technique that could potentially overcome the practical problems of measuring and analyzing the mentioned materials are discussed. The theoretical part of the dissertation includes the first, second and third chapters. In the first chapter, the basic definitions of nuclear forensics as a scientific-research discipline and concepts related to it are presented. The second chapter defines the place of nuclear forensics at the international level within international regulations and organizations. The third chapter provides an overview of the basic characteristics of nuclear and other radioactive materials that can be found outside of regulatory control. The experimental part of the doctoral dissertation begins with the fourth chapter, which deals with the used experimental techniques and methods of measurement and analysis of radioactive and nuclear material. This chapter presents gamma spectrometry as a method of nuclear forensics, as well as software packages that were used as a mathematical tool for the improvement and development of a non-destructive method of analyzing nuclear and other radioactive materials. The specifics of the samples that can be found in the field in terms of geometry, shape and density are part of the fifth chapter together with the results of the analysis. The obtained results indicate that both Angle and EFFTRAN software for efficiency transfer with adequate sample definition either in terms of geometry or composition and matrix gave satisfactory results which are consistent with the results obtained using the GEANT4 software package. It was also established that if in a given instance (criminal investigation) results are needed in a short time interval, the EFFTRAN software is a good tool for the 'screening' method, which gives quick results of activity concentration with a satisfactory level of confidence. Analyzes of the spectra of standard reference nuclear materials using the PC FRAM software package are given in the sixth chapter, where the basic observations related to the specifics of the analysis of this material are commented. In the conclusion, the advantages and disadvantages of the use of various mathematical calculations as an auxiliary tool in the analysis of the spectra of non-cylindrical samples of radioactive materials and the specifics of the analysis of nuclear materials are commented. Throughout the doctoral dissertation, an overview of nuclear forensics as a scientific discipline, as well as its place within national and international nuclear security, was given. In addition, it was shown how routine gamma spectrometric measurements can be used to measure specific materials for the needs of nuclear forensics while preserving the composition and shape of the sample being measured.