Institutionen för fysik och astronomi

Detektion av kärnvapenexplosioner

Kontakt: henrik.sjostrand@physics.uu.se

Goal of the project

Develop a new method for improved radioxenon isotope identification using pulses shape analysis and triple coincidence detection.

Populärvetenskaplig beskrivning

Syftet med atmosfäriska mätningar av radionuklider är att bygga upp förtroende mellan stater och på det viset bidra till kärnvapennedrustning och icke-spridning av kärnvapen. Icke­prov­sprägnings­­­avtalet (Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty, CTBT) har undertecknats av 184 stater i ett internationellt åtagande för att uppnå en värld fri från kärnvapenprov. För att kontrollera att avtalet efterföljs har ett internationellt kontrollsystem bestående av ett globalt nätverk, det så kallade Internationella Monitorerings-Systemet – IMS, med mer än 300 mätstationer upprättats.
Ett kärnvapenprov frigör stora mängder energi och radioaktiva ämnen. Den frigjorda energin mäts med seismiska detektorer, samma typer som används för att identifiera jordbävningar. De radioaktiva ämnena mäts med olika typer av kärntekniska detektorer. Kärnvapenprov har både genomförts ovan och under jord, varav de underjordiska är svårare att upptäcka. I en underjordisk kärnvapenexplosion stannar de flesta radioaktiva ämnena kvar i hålrummet som bildas av explosionen.  De radioaktiva ädelgaser som produceras kommer dock inte att reagera med de omgivande materialen och kan därmed nå upp till ytan. Genom att mäta mängden radioaktiva ädelgaser i atmosfären, bland annat xenon, går det att bestämma att det just är en kärnvapenexplosion som ägt rum. Denna teknik ingår som en del av IMS.

Förutom från kärnvapenexplosioner kommer radioaktivt xenon från en del andra källor, främst medicin och kärnkraft. Beroende på källan till xenonet kommer förhållandet mellan de olika xenonisotoperna att vara väldigt olika och följaktligen är det viktigt att kunna bestämma detta förhållande. På det viset går det med säkerhet att veta att det xenon som upptäcks verkligen kommer från en explosion.

Historiskt sett har Sverige varit mycket aktiv i nedrustningsförhandlingar. Kontroll av provstoppet är en viktig del av dessa förhandlingar. Sverige har därför också varit ledande i mätningar av utsläpp av xenon genom Totalförsvarets forskningsinstituts (FOI) arbete med att ta fram xenonmätningssystemet ”SAUNA”. Sedan två år tillbaka samarbetar FOI, Uppsala Universitet och Texas Universitet med att förbättra detta mätsystem. Xenon avger både elektronstrålning och gammastrålning och genom att mäta på båda dessa strålningar samtidigt går det att bestämma hur mycket av de olika isotoperna som finns. En av xenonisotoperna avger två elektroner efter vandra med ett tidsmellanrum på mindre än en 100 miljondelssekund. I examensarbetet går ut på att på ett nytt sätt försöka identifiera den här isotopen genom att detektera båda dessa elektroner och på det sättet förbättra känsligheten i detektorn.

Survey of the field

In an international commitment to achieve a world free of nuclear testing, and thus contribute to nuclear disarmament and non-proliferation of nuclear arms, the Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty (CTBT) [1] has been signed by 184 states. To verify the compliance of the treaty a global verification regime consisting of a global network (the International Monitoring System - IMS) of more than 300 measurement facilities has been established. There are two main signals from a nuclear test: energy release and radionuclide production. This diploma work concerns the latter. In an underground nuclear explosion most of the created fission and activation products remain in the cavity formed by the explosion. However, a significant fraction of the radioactivity comes in the form of noble gases, which do not react with the surrounding material and thus can reach the surface . This makes the detection of radioactive noble gases, in particular xenon, an important technology to establish the nuclear nature of an explosion, and the technology is included as part of the IMS. The radioxenon nuclides of interest are 133Xe, 135Xe, 131mXe, and 133mXe. Besides nuclear detonations, radioxenon can come from other sources (mainly medicine and nuclear power production). The ratio between the different isotopes is dependent on the source and consequently, the ability to determine the ratio of the different xenon isotopes is important .

This diploma work concerns development of radioxenon isotope identification by electron-photon coincidence measurement. FOI has developed a unit based on this principle: the Swedish Automatic Unit for Noble gas Acquisition (SAUNA) , which is used within the IMS. In this detector the electrons (beta and conversion electrons) are detected by a cylindrical hollow plastic scintillator cell (referred to as the beta-cell), and gamma-rays and X-rays are detected by a surrounding NaI(Tl) crystal. The beta-cell works as a container for the xenon sample during the measurement and is red out by two photomultiplier tubes (PMTs); the NaI(Tl) crystal is red out by a single PMT. The signals are sampled and stored using a transient recorder card (TRC) and the result is a 2D collected charge electron- photon coincidence spectrum (2D ADC-spectrum). The different isotopes can be identified in this coincidence spectrum where they end up in 5 different regions of interest (ROI) :

  • ROI 1 135Xe: 250 keV gamma ray and a 0-910 keV beta electron
  • ROI 2 133Xe: 81 keV gamma ray and a 0-346 keV beta electron
  • ROI 3 133Xe: 30 keV X-ray and a 0-346 keV beta electron. A 45 keV conversion electron (CE) emitted shortly after the beta decay (from the first excited state of 133Cs with a lifetime of 6.4 ns) is added to the beta energy resulting in a shifted electron spectrum.
  • ROI 4 133mXe: 30 keV X-ray and 199keV CE
  • ROI 5 131mXe: 30 keV X-ray and 129keV CE

By counting the number of events in the different ROIs it is possible to determine the isotope ratios.

One limitations to coincident measurement is that the ROI 5 and ROI 4 are superimposed on ROI 3 and consequently 133Xe constitute a background in determining 133mXe and 131mXe. Furthermore, ROI 4 and ROI 5 are close and there can be a crosstalk between the two.

Project description

The signal of 133Xe interferes with the determination of the 131mXe and 133mXe. However the interfering electron-signal is composed of both a beta-electron and a delayed CE from the first excited state of 133Cs. This fact can be exploited since the scintillator pulses from 133Xe can have a double humped shape. In practice the shape of the obtained electric pulse is governed by the rise time of the PMT, the decay time of the scintillator and the length of the cables, which results in a smeared out signal. Nevertheless the pulse shape from the 133Xe is different (broader) than the pulse shapes for 133mXe and 131mXe. This pulse shape difference should enable a pulse shape identification (PSI) of the different isotopes and allow for a triple coincident identification (beta, CE, X-ray). Delayed coincident techniques have previously been used to distinguish between the different isotopes, however with a significant loss in efficiency . The method is a novel approach to detect radioxenon isotopes, which could be implemented in existing detector systems and should retain most of the detector efficiency.

A modeling tool of PSI is to be developed. The frequency of the TRC sampling and the TRC resolution affects the PSI performance. Therefore a TRC requirement specification coupled to a performance evaluation is the first milestone. How the choice of PMT, scintillators and cabling affect the performance is also to be included in the modeling and analysis tool.

References

[1]www.ctbto.org
[2]C. R. Carrigan, R. A. Heinle, G. B. Hudson, J. J. Nitao, and J. J. Zucca, “Trace gas emissions on geological faults as indicators for underground nuclear testing,” Nature, vol. 382 528–531, (1996)
[3]R.W. Perkins and L.C.Casey, “radioxenons: their role in monitoring a comprehensive testban treaty”, DOE/RL-96-51 (1996)
[4]A. Ringbom, T. Larsson, A. Axelsson, K. Elmgren, and C. Johansson, “SAUNA - a system for automatic sampling, processing, and analysis of radioactive xenon,” Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 508 3 542–553 (2003)
[5]A. Axelsson and A. Ringbom, “Xenon air activity concentration analysis from coincidence data”, FOI-R—0913—SE (2003)
[6]P. L. Reeder, T. W. Bowyer, J. I. McIntyre and W. K. Pitts, “Determination of 131mXe and 133mXe in the presence of 133gXe via combined beta-spectroscopy and delayed coincidence”, Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry Volume 248 3 617-622 (2001)