Advanced Techniques for Border Security: Contributions to the ENTRANCE and MULTISCAN 3D Projects.

The objective of this Ph.D. thesis is to make significant contributions to the advancement of neutron interrogation and photofission techniques within the framework of the ENTRANCE and MULTISCAN 3D projects. Both are EU-funded initiatives dedicated to developing and testing innovative, non-intrusive inspection systems to combat the illicit trafficking of hazardous materials or contraband items in cross-border cargo containers. This research encompasses simulation studies, experimental testing, participation in field campaigns, and the development of novel detection systems. First, this work involved a detailed simulation study of the tagged neutron interrogation system using 14 MeV neutrons within the ENTRANCE project. The simulation focused on optimizing the system’s geometry and provided valuable insights into key aspects such as time-of-flight spectra, energy deposition, and back-scattered neutron effects. Furthermore, this thesis presents the results of field tests conducted to evaluate the performance of the neutron interrogation system developed as part of the ENTRANCE project. These tests, carried out at the Port of Rijeka in May 2023, demonstrated the system's high accuracy in identifying explosives and moderate effectiveness in detecting drugs across a total of 18 mock-up containers and 18 commercial containers. This research also explored the use of the 9Be(d,n)10B nuclear reaction to generate the neutron source needed for the interrogation technique in the MULTISCAN 3D project. This approach was motivated by the need to replace the tritium-based neutron source (14 MeV) employed in ENTRANCE, thereby addressing safety and logistical challenges associated with tritium-based systems. Experiments conducted at the Van de Graaff accelerator (INFN in Legnaro) successfully demonstrated the ability of this reaction to produce a continuous neutron spectrum. The detection of gamma-ray peaks in certain materials further confirmed the reaction’s effectiveness and its potential for neutron interrogation applications. Additionally, this thesis introduces two innovative detection systems for photofission applications in both projects. The first is a ZnS:Ag/LiBO/PDMS neutron scintillator, which demonstrated excellent thermal neutron detection efficiency, flexibility, and strong gamma-ray rejection capabilities. The second system is a compact gamma-ray detection unit consisting of an organic scintillator coupled with a SiPM array. This setup was evaluated in various configurations, including two organic scintillators (EJ-276G and EJ-309) and three SiPM arrays (AdvanSiD-NUV, Hamamatsu, and Ketek). Each configuration was studied in terms of its energy resolution, time resolution, and neutron/gamma-ray discrimination.

L'obiettivo di questa tesi di dottorato è fornire contributi significativi all'avanzamento delle tecniche di interrogazione a neutroni e fotofissione nell'ambito dei progetti ENTRANCE e MULTISCAN 3D. Entrambi sono iniziative finanziate dall'UE dedicate allo sviluppo e alla sperimentazione di sistemi innovativi di ispezione non invasivi per contrastare il traffico illecito di materiali pericolosi o merci di contrabbando all'interno di container merci transfrontalieri. Questa ricerca comprende studi di simulazione, test sperimentali, partecipazione a campagne sul campo e lo sviluppo di nuovi sistemi di rilevamento. In primo luogo, questo lavoro ha realizzato uno studio di simulazione dettagliato del sistema di interrogazione a neutroni etichettati utilizzando neutroni da 14 MeV all'interno del progetto ENTRANCE. La simulazione si è concentrata sull'ottimizzazione della geometria del sistema e ha fornito importanti intuizioni su aspetti chiave come gli spettri di tempo di volo, la deposizione di energia e gli effetti dei neutroni retro-diffusi. Inoltre, questa tesi presenta i risultati dei test sul campo condotti per valutare le prestazioni del sistema di interrogazione a neutroni sviluppato come parte del progetto ENTRANCE. Questi test, svolti al Porto di Rijeka nel maggio 2023, hanno dimostrato l'alta precisione del sistema nell'identificare esplosivi e una moderata efficacia nel rilevare droghe, su un totale di 18 container simulati e 18 container commerciali. Questa ricerca ha anche esplorato l'uso della reazione nucleare 9Be(d,n)10B per generare la sorgente di neutroni necessaria per la tecnica di interrogazione nel progetto MULTISCAN 3D. Questo approccio è stato motivato dalla necessità di sostituire la sorgente di neutroni a base di trizio (14 MeV) utilizzata in ENTRANCE, affrontando così le problematiche di sicurezza e logistiche associate ai sistemi a base di trizio. Gli esperimenti condotti all'acceleratore Van de Graaff (INFN di Legnaro) hanno dimostrato con successo la capacità di questa reazione di produrre uno spettro continuo di neutroni. Il rilevamento di picchi di raggi gamma in determinati materiali ha ulteriormente confermato l'efficacia della reazione e il suo potenziale per le applicazioni di interrogazione a neutroni. Inoltre, questa tesi introduce due innovativi sistemi di rilevamento per applicazioni di fotofissione in entrambi i progetti. Il primo è uno scintillatore a neutroni ZnS:Ag/LiBO/PDMS, che ha dimostrato eccellente efficienza di rilevamento dei neutroni termici, flessibilità e forti capacità di rifiuto dei raggi gamma. Il secondo sistema è un'unità compatta di rilevamento dei raggi gamma costituita da uno scintillatore organico accoppiato con un array SiPM. Questa configurazione è stata valutata in diverse configurazioni, comprese due scintillatori organici (EJ-276G e EJ-309) e tre array SiPM (AdvanSiD-NUV, Hamamatsu e Ketek). Ogni configurazione è stata studiata in termini di risoluzione energetica, risoluzione temporale e discriminazione neutroni/raggi gamma.