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Development of a novel tension fluid sensor for neutron directionality detection
RÃos López, William N.
RÃos López, William N.
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Abstract
Threats from illicit diversion of nuclear material from power reactors across the United States borders have prompted homeland security agencies to revise their security protocols against nuclear proliferation. Acoustic tension metastable fluid detectors (ATMFDs) have demonstrated to be an innovative alternative to the current state-of-the-art neutron diagnostic technology, possessing unprecedented proficiency in fast neutron sensitivity, even in gamma-saturated environments. The latest ATMFDs prototypes are capable of discerning directionality information through enhanced signal processing, signal analysis, refined computation algorithms, and on-demand expansion of the detector-sensitive volume. However, inherent limitations of the established mapping technique compromise real-time data acquisition and post-processing rates, rendering it impractical for a commercially viable directional neutron detector. This research explores an alternative ATMFD design that leverages an asymmetric sensitive volume to extract directionality information from incidence neutron fluence. Novel advanced manufacturing technique and ultrasonic PZT transducers were implemented while adhering to the standards for handheld detectors set by nations. COMSOL’s multi-physics simulation platform provided 2D and 3D assessments of acoustic, structural, and electromagnetic interactions of the improved ATMFD, enabling the determination of optimal design parameters. Experimental validation of pressure profile and frequency response served as characterization and validation tools for the as-built detector prototype and its numerical model. The final design successfully complied with national borderland security standards for handheld radiation sensing instruments, and demonstrated intrinsic radiation mapping technique neutron rate sensitivity, comparable to more sophisticated neutron directionality capable techniques.
Las amenazas derivadas de la desviación ilÃcita de material nuclear desde reactores nucleares a través de las fronteras de Estados Unidos han llevado a las agencias de seguridad nacional a revisar sus protocolos de seguridad contra la proliferación nuclear. Los detectores acústicos de fluido metaestable de tensión (ATMFD, por sus siglas en inglés) han demostrado ser una alternativa innovadora a la tecnologÃa actual de diagnóstico de neutrones de última generación, mostrando una sensibilidad sin precedentes a los neutrones rápidos, incluso en entornos saturados de gamma. Los últimos prototipos de ATMFD son capaces de discernir información direccional mediante un procesamiento de señales mejorado, análisis de señales, algoritmos de computación refinados y expansión bajo demanda del volumen sensible del detector. Sin embargo, las limitaciones inherentes a la técnica de mapeo propuesta comprometen la adquisición de datos en tiempo real y las tasas de postprocesamiento, lo que la hace impráctica para un detector direccional de neutrones comercialmente viable. Esta investigación explora un diseño alternativo de ATMFD que aprovecha un volumen sensible asimétrico para extraer información direccional a partir de la fluencia de neutrones incidentes. Se implementaron nuevas técnicas de manufactura avanzada y transductores ultrasónicos de PZT, cumpliendo con los estándares para detectores portátiles establecidos por la nación. La plataforma de simulación multifÃsica COMSOL proporcionó evaluaciones en 2D y 3D de las interacciones acústicas, estructurales y electromagnéticas del ATMFD mejorado, lo que permitió determinar los parámetros óptimas del diseño. La validación experimental del perfil de presión y la respuesta en frecuencia sirvió como herramientas de caracterización y validación para el prototipo de detector construido y su modelo numérico. El diseño final cumplió con éxito los estándares nacionales de seguridad fronteriza para instrumentos portátiles de detección de radiación y demostró una sensibilidad comparable a las técnicas más sofisticadas de extracción de direccionalidad de neutrones.
Las amenazas derivadas de la desviación ilÃcita de material nuclear desde reactores nucleares a través de las fronteras de Estados Unidos han llevado a las agencias de seguridad nacional a revisar sus protocolos de seguridad contra la proliferación nuclear. Los detectores acústicos de fluido metaestable de tensión (ATMFD, por sus siglas en inglés) han demostrado ser una alternativa innovadora a la tecnologÃa actual de diagnóstico de neutrones de última generación, mostrando una sensibilidad sin precedentes a los neutrones rápidos, incluso en entornos saturados de gamma. Los últimos prototipos de ATMFD son capaces de discernir información direccional mediante un procesamiento de señales mejorado, análisis de señales, algoritmos de computación refinados y expansión bajo demanda del volumen sensible del detector. Sin embargo, las limitaciones inherentes a la técnica de mapeo propuesta comprometen la adquisición de datos en tiempo real y las tasas de postprocesamiento, lo que la hace impráctica para un detector direccional de neutrones comercialmente viable. Esta investigación explora un diseño alternativo de ATMFD que aprovecha un volumen sensible asimétrico para extraer información direccional a partir de la fluencia de neutrones incidentes. Se implementaron nuevas técnicas de manufactura avanzada y transductores ultrasónicos de PZT, cumpliendo con los estándares para detectores portátiles establecidos por la nación. La plataforma de simulación multifÃsica COMSOL proporcionó evaluaciones en 2D y 3D de las interacciones acústicas, estructurales y electromagnéticas del ATMFD mejorado, lo que permitió determinar los parámetros óptimas del diseño. La validación experimental del perfil de presión y la respuesta en frecuencia sirvió como herramientas de caracterización y validación para el prototipo de detector construido y su modelo numérico. El diseño final cumplió con éxito los estándares nacionales de seguridad fronteriza para instrumentos portátiles de detección de radiación y demostró una sensibilidad comparable a las técnicas más sofisticadas de extracción de direccionalidad de neutrones.
Description
Date
2025-05-15
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Keywords
Acoustic Chamber, Neutron Detector, Finite Element Analysis, Acoustic Tension Metastable Fluid Detector, Radiation Induced Cavitation