Brevet FR2588969A1 — publié le 19870424

DISPOSITIF DE DETECTION DE SUBSTANCES PAR EXEMPLE EXPLOSIVES La présente invention concerne un dispositif de détection de substances et en particulier d'expLo- sifs. Elle permet notamment un contrôle non destructif d'objets tels que les colis suspects pour savoir s'ils contiennent un explosif, en mesurant par exemple le rapport N/O de ces objets, rapport qui est une bonne signature de la plupart des explosifs. Etant donné un objet susceptible de contenir une substance telle qu'un explosif, il importe de pouvoir installer le dispositif de détection près de l'objet pour contr8ler celui-ci en vue de savoir s'il contient ou non la substance. La présente invention a pour but de résoudre ce problème. Elle a pour objet un dispositif de détection d'une substance susceptible d'être contenue dans un objet, caractérisé en ce qu'il comprend: - des moyens de production de neutrons dont L'énergie est comprise entre environ 7 et 14 MeV, ces moyens étant destinés à envoyer des neutrons sur l'ob- jet, - un détecteur destiné à être placé à proxi- mité de l'objet, le détecteur étant sensible aux pho- tons y émis par au moins un élément chimique contenu dans la substance sous L'impact des neutrons, et apte à fournir un signal représentatif de ces photons y, ce détecteur étant protégé des rayonnements directement émis par les moyens de production de neutrons et des rayonnements induits dans l'environnement du disposi- tif par ces moyens de production, et - des moyens électroniques d'analyse, aptes à analyser le signal particulier, correspondant aux pho- 2 2588969 tons y prompts émis par l'objet sous l'impact des neu- trons, et à fournir ses informations permettant d'iden- tifier l'élément. S'il s'agit d'un élément contenu dans la substance, on peut alors penser que l'objet contient cette substance et faire d'autres investigations en vue d'avoir la confirmation du fait qu'elle en contient. On choisit l'énergie des neutrons au moins égale à environ 7 MeV pourpouvoirproduire des photons y prompts sur un élément léger tel que l'oxygène dont le premier niveau excité se situe à 6,130 MeV. L'énergie des neutrons pourrait être choisie au-delà de 14 MeV mais les moyens de production de neutrons correspondants sont difficilement transporta- bles. Contrairement aux systèmes, notamment utili- sés pour la prospection géologique, qui sont fondés sur la détection des photons y de capture émis par des noyaux après capture des neutrons incidents ralentis par le milieu analysé, le dispositif -bjet de l'invention est fondé sur la détection de rayonnements y prompts, émis par l'objet sensiblement en coïncidence avec les neutrons incidents issus de leurs moyens de production et correspondant notamment à la diffusion inéLastique de ces neutrons ou à des réactions nucléai- res du genre (n, p y), ce qui permet de placer le dispo- sitif de l'invention à proximité de l'objet susceptible de contenir la substance pour contrôler cet objet.- De préférence, le détecteur est sensible aux photons y émis par au moins deux éléments chimiques contenus dans la substance et les moyens électronique sont en outre aptes à fournir des informations permet- tant de déterminer le pourcentage atomique relatif de ces éléments dans l'objet à partir du signal particulier. 3 2588969 On peut ainsi comparer ce pourcentage à ceLui qui correspond à la substance pour savoir si l'objet contient cette substance. De préférence également, l'énergie des neu- trons est de L'ordre de-14 MeV. En effet, une source de neutrons d'environ 14 MeV est facile à utiLiser et à transporter. Dans un mode de réalisation préféré du dispo- sitif objet de l'invention, les moyens de production de neutrons comprennent un générateur de neutrons pulsé. Un générateur continu pourrait être utilisé mais le rapport signal/bruit est meilleur avec un géné- rateur pulsé. Dans un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, le détecteur est un détecteur au germanium. De préférence, le germanium est intrinsèque. En effet, contrairement à un détecteur au germanium dopé, par exemple au lithium, qui est détérioré s'il n'est pas conservé à une température au plus égale à la température de l'azote Liquide, un détecteur au germa- nium intrinsèque peut être stocké à la température am- biante lorsqu'il n'est pas utilisé. Dans un autre mode de réalisation particu- lier, La substance étant un explosif, le détecteur est un détecteur au germanium (de préférence intrinsèque) et les moyens électroniques sont prévus pour fournir des informations permettant de déterminer le pourcenta- ge atomique relatif de l'azote et de l'oxygène dans l'objet à partir du signal particulier. De préférence, Le détecteur est séparé des moyens de production de neutrons par un écran qui pro- tège ce détecteur des neutrons et va en s'évasant à partir des moyens de production, afin de ne pas augmen- ter le fond de rayonnement ambiant lors de l'émission des neutrons par leurs moyens de production. Le dispositif objet de l'invention comprend en outre avantageusement des moyens de refroidissement du détecteur afin que celui-ci puisse fonctionner le plus correctement possible. Enfin, les moyens électroniques peuvent être également aptes à analyser un autre signal, correspon- dant aux photons y de capture susceptibles d'être émis par l'objet sous l'impact des neutrons. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de La description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre purement indicatif et nulle- ment limitatif, en référence à la figure unique annexée sur laquelle on a représenté schématiquement un mode de réalisation particulier du dispositif objet de L'inven- tion, appliqué à la détection d'un explosif. Le dispositif représenté sur cette figure comprend: un générateur puLsé 2 de 14 MeV, du genre de ceux qui sont par exemple commercialisés par la Société SODERN et capables d'émettre des bouffées de neutrons dont on peut choisir la fréquence et la Largeur tempo- relle, et une chaîne de spectrométrie y comprenant un détecteur 4 au germanium pour photons y, un préamplifi- cateur 6 couplé au détecteur, un amplificateur 8 relié au préamplificateur et un analyseur muLti-canaux 10 relié à l'amplificateur. L'ensemble formé par le détecteur 4 et le pré-amplificateur 6 est placé dans une enceinte desti- née à protéger cet ensemble des neutrons directs issus du générateur 2 et du fond de rayonnement ambiant induit par ces neutrons. Cette enceinte comprend une partie 12 allant en s'évasant du générateur audit en- semble et par exemple de forme tronconique, et une autre partie 14 qui est par exemple de forme cyLindri- que, de même axe que la partie 12 et en contact avec la 2588969 grande base de cette dernière par une extrémité, et qui contient le détecteur et le pré-amplificateur, une ouverture 9 étant prévue dans l'autre partie 14 pour le passage d'un câble électrique isolé 11 reliant le préamplificateur à l'amplificateur 8 qui est extérieur à L'enceinte. Un cavité 16 de forme allongée, jouant le rôle de collimateur, est pratiquée dans cette autre partie 14 perpendiculairement à l'axe commun aux par- ties 12 et 14 et débouche, d'un côté, sur le détecteur 4 et de l'autre, à l'extérieur de l'enceinte. Le colli- mateur a une section par exemple circulaire ou carrée et ses dimensions, qui définissent une ouverture angu- laire pour le détecteur, sont choisies en fonction de la taille des objets que l'on souhaite examiner avec le dispositif selon l'invention. Ce dispositif comprend également des moyens de refroidissement du détecteur 4 et du préamplifica- teur 6, par exemple constitués par un réservoir 18 placé dans L'autre partie 14, au contact du préamplifi- cateur. Ce réservoir 18 est pourvu d'une ouverture de remplissage 20 qui traverse l'autre partie 14 pour déboucher à l'extérieur de celle-ci, par exemple à l'opposé de ladite partie 12, et qui est fermée par un bouchon 22. Le réservoir peut être conçu de façon à avoir une autonomie de 36 ou de 72 heures par exemple. La partie tronconique 12 peut comprendre, en allant du générateur 2 au détecteur 4, une première pièce 24 en tungstène, une seconde pièce 26 en poly- éthylène boré et une troisième pièce 28 également en tungstène, ces trois pièces étant fixées les unes aux autres et la troisième 28 étant fixée à L'autre partie 14 qui peut aussi être faite en tungstène. On peut réaliser un dispositif démontable, ce qui facilite son transport, et peu encombrant. A cet effet, on peut prévoir des fixations démontables du 6 2588969 générateur à la pièce 24, de celle-ci à La pièce 26 et de cette dernière à l'autre partie 14, la pièce 26 étant par exemple vissée axialement aux pièces adjacen- tes 24 et 28. Le dispositif objet de l'invention est utilisé de la façon suivante: étant donné un objet 30 à contrôler pour savoir s'il contient un explosif, on apporte le dispositif (démonté) à proximité de l'objet et on le monte de façon que l'objet soit en regard du générateur 2 et du collimateur 16. On fait fonctionner le générateur et la chaîne de spectrométrie y. Les bouffées de neutrons émis par le générateur interagis- sent avec l'objet 30 qui émet de ce fait divers photons y et notamment des photons y prompts qui interagissent à leur tour avec le détecteur 4. La chaîne de spectro- métrie est réglée pour détecter les photons y émis en quasi-coincidence avec les bouffées de neutrons, c'est- à-dire les photons y prompts. Le spectre des photons y prompts ainsi acquis par la chaÂne de spectrométrie est alors affiché sur un écran (non représenté). On identifie les pics du spec- tre et, après calibration, les énergies de ces pics et enfin les éléments présents dans l'objet. On peut ainsi par exemple déterminer le rapport de l'aire du pic de l'azote à l'aire du pic de l'oxygène (si ces pics sont présents dans le spectre) et donc le rapport N/O du nombre d'atomes d'azote au nombre d'atomes d'oxygène. En comparant ce rapport aux rapports N/O des divers explosifs connus, on peut savoir si l'objet contient ou non un explosif. En fait, on connaît des chaines de spectromé- trie y capables d'afficher directement ce rapport N/O. Bien d'autres éléments sont identifiables avec les y prompts. IL est également possible de faire l'acquisi- tion des photons y retardés, ou photons y de capture, émis entre deux bouffées de neutrons successives, ce qui permet d'identifier l'élément chLore, présent dans certains explosifs et plus généralement des éLéments présentant une production importante de photons y de capture lorsque l'objet joue le rôle de ralentisseur. L'accession au rapport N/O est permise du fait que les raies principales d'identification de L'azote et de l'oxygène ont des énergies voisines, d'o une auto-absorption identique. Le dispositif objet de l'invention permet de déterminer ce rapport N/O assez rapidement, en un temps de l'ordre de 40 à 50 minutes. La production de neutrons dont l'énergie est comprise entre environ 7 et 14 MeV peut être obtenue au moyen d'un générateur de neutrons d'environ 14 MeV, associé à un convertisseur d'énergie approprié et connu, apte à fournir ces neutrons d'énergie comprise entre environ 7 et 14 MeV. 8 2588969 REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection d'une substance susceptible d'être contenue dans un objet (30), carac- térisé en ce qu'il comprend: - des moyens (2) de production de neutrons dont l'énergie est comprise entre environ 7 et 14 MeV, ces moyens étant destinés à envoyer des neutrons sur l'objet, - un détecteur (4) destiné à être placé à proximité de l'objet, ce détecteur étant sensible aux photons y émis par au moins un élément chimique contenu dans la substance sous l'impact des neutrons, et apte à fournir un signal représentatif de ces photons y, ce détecteur étant protégé des rayonnements directement émis par les moyens de production de neutrons et des rayonnements induits dans l'environnement du disposi- tif par ces moyens de production, et - des moyens électroniques d'anaLyse (6, 8, ), aptes à analyser le signal particulier, correspon- dant aux photons y prompts émis par l'objet sous l'im- pact des neutrons et à fournir des informations permet- tant d'identifier L'élément. 2. Dispositif selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que le détecteur (4) est sensible aux photons y émis par au moins deux éléments chimiques contenus dans La substance et en ce que les moyens électroniques (6, 8, 10) sont en outre aptes è fournir des informations permettant de déterminer le pourcenta- ge atomique relatif de ces éLéments dans l'objet (30) à partir du signal particulier. 3. Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'énergie des neutrons est de l'ordre de 14 MeV. 4. Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 3, caractérisé en ce que Les moyens de production de neutrons comprennent un générateur de neutrons pulsé. 5. Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 4, caractérisé en ce que Le détecteur (4) est un détecteur au germanium. 6. Dispositif selon la revendication 5, ca- ractérisé en ce que le germanium est intrinsèque. 7. Dispositif selon L'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que, la subs- tance étant un explosif, les moyens électroniques (6, 8, 10) sont prévus pour fournir des informations per- mettant de déterminer le pourcentage atomique relatif de l'azote et de l'oxygène dans l'objet (30) à partir du signal particulier. 8. Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications I à 7, caractérisé en ce que le détecteur (4) est séparé des moyens de production de neutrons par un écran (12) qui protège ce détecteur des neutrons et va en s'évasant à partir des moyens de production. 9. Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (18) de refroidissement du détecteur (4). 10. Dispositif seLon L'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les moyens électroniques (6, 8, 10) sont également aptes à analy- ser un autre signal, correspondant aux photons y de capture susceptibles d'être émis par l'objet (30) sous L'impact des neutrons. 11. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (2) de production de neutrons comprennent un générateur de neutrons d'envi- ron 14 MeV, associé à un convertisseur d'énergie apte à fournir des neutrons dont l'énergie est comprise entre environ 7 et 14 MeV.