利用蒙特卡洛计算评估核材料形状变化对非侵入式验证系统性能的影响

《Applied Radiation and Isotopes》：Assessment of Variation of Nuclear Material Shape on the Performance of a Non-Intrusive Verification System Using Monte Carlo Calculations

非侵入式系统（NIS）验证铀样品时，不同形状及摆放方向对HPGe探测器响应（通过MCNP模拟）的影响评估，发现形状变化会导致能量峰效率（AFEPE）显著差异，建议多方向测量及多能线分析。

　　

M. Ibrahim|W. El-Gammal|M. Darweesh|N. Mostafa|M. Mohsen

埃及原子能局核保障与物理保护部门，开罗，埃及

摘要

非侵入式系统（NIS）用于验证敏感的核材料（NMs）。在此过程中，应考虑材料可能被篡改的可能性。这种篡改可能体现在核材料的质量、形状或容器等方面。通常情况下，需要验证的核材料的形状是未知的。在这种情况下，需要探讨的问题是：核材料形状的变化在多大程度上会影响验证结果。为了研究这个问题，采用了蒙特卡洛（MC）方法来估计这种影响。假设使用高纯度锗（HPGe）探测器测量了六种不同形状的铀样品（分布圆柱体、圆锥体、立方体、平行矩形、圆柱体和球体）。对于所有形状的样品，都假定它们是质量与体积相同、²³⁵U同位素含量为80%的铀金属。为此评估准备了九个蒙特卡洛输入文件。所有模型均使用蒙特卡洛N粒子传输（MCNP）代码，计算了平面HPGe探测器在对应²³⁵U和²³⁸U同位素的不同伽马能量线（143.7、163.2、185.7、205.1和1001.4 keV）下的绝对全能量峰效率（AFEPE）。根据所得结果，建议在不同样品方向上进行测量，并考虑不同的能量线。

引言

非侵入式检测（NII）技术的主要思想是在无需打开被检测物品的情况下对其进行检查和/或筛查。在辐射检测领域，这可以通过主动手段实现，例如使用X射线、伽马射线或中子等探测源；或者通过被动方式，检测物品自发发出的辐射来进行[1]、[2]、[3]。因此，NII技术可以用于验证敏感的核材料（NMs），包括核武器级材料、装有核材料的设备的敏感结构、不允许检测人员直接观察的伴随材料，以及核材料在设备内部的分布情况。M. Ibrahim等人提出了一种非侵入式系统（NIS）来验证这些敏感的核材料[4]。该系统接收来自操作员和检测人员的数据及信息（以蒙特卡洛（MC）输入文件的形式），以及检测人员进行的测量结果。然后系统进行计算，并将这些计算结果与检测人员的测量结果结合起来，以估算核材料的质量。由于所提出的NIS系统基于操作员的声明进行评估，而操作员的声明对检测人员来说是“黑箱”，因此必须考虑材料被篡改的可能性。这种篡改可能体现在核材料的质量、形状或容器等方面。为了评估该系统在核材料形状方面的准确性，本研究使用了蒙特卡洛N粒子传输（MCNP）代码，对假设由平面高纯度锗（HPGe）探测器测量的六种铀金属样品进行了建模。HPGe的响应通过MC模拟模型进行了广泛研究。然而，模拟模型的准确性取决于对探测器几何参数的了解[5]。MC模拟技术可以应用于模拟和优化各种类型的源、探测器及不同的测量条件，包括伽马射线检测过程[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。假设这些样品具有相同的质量、体积和²³⁵U同位素含量（80%富集度），但形状不同。通过一系列MC计算，估算了探测器对这些核材料样品的响应。为确保结果的可靠性，我们使用了制造商提供的探测器参数，并将相对不确定性控制在1%以下。

章节摘录

为评估NIS的准确性而对不同核材料形状进行建模

所提出的NIS[4]对核材料形状变化的敏感性是检测任何潜在篡改的重要因素。为了评估这一因素，使用MCNP代码对六种铀金属样品进行了建模。这些样品假设具有相同的质量（24公斤）、体积（1256.5立方厘米）和²³⁵U同位素含量（80%富集度），但形状不同。为此评估准备了九个蒙特卡洛输入文件。在三种情况下，源被建模为圆锥形，并考虑了不同的

结果与讨论

为了评估核材料的几何形状及其相对于探测器的方向对NIS[4]准确性的影响（即系统对核材料几何形状或设置配置变化的敏感性），进行了一系列额外的MC建模。核材料被建模为六种不同的形状，如图1所示。这些形状包括分布圆柱体、圆锥体、立方体、平行矩形和球体。圆锥形分别从三个不同的方向进行了建模

结论

通过MCNP模拟了六种不同形状的相同核材料作为非侵入式系统中的源材料，以估算平面HPGe探测器的响应。从模拟结果来看，即使体积、质量和密度相同，核材料形状的变化或相对于探测器晶体的方向变化也会影响伽马光谱中的AFEPE（绝对全能量峰效率）。

CRediT作者贡献声明

Wael El-Gammal：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、方法论。Marwa Ibrahim：撰写 – 初稿撰写、验证、软件开发、方法论、数据管理。Nemat Mostafa：监督。Moustafa Darweesh：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法论。Mona Mohsen：监督

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。