Brevet FR2788599A1 — publié le 20000721

Système de discrimination de matières organiques et inorganiques L'invention concerne un système de discrimination de matières organiques et inorganiques en utilisant un rayonnement électromagnétique (X ou y) à haute énergie, pour l'inspection d'objets volumineux, notamment du fret de camions, de palettes ou de conteneurs pour des besoins de politique douanière ou de sécurité. Des systèmes de discrimination de matières organiques et inorganiques sont déjà couramment utilisés, en particulier dans les ports et les aéroports, pour détecter la présence de drogues, d'armes ou d'autres marchandises interdites ou réglementées dans des bagages. On utilise alors des rayonnements de faibles énergies ( Mais les systèmes utilisés actuellement ne font pas de discrimination à hautes énergies (>1 MeV). Le procédé utilisé consiste à bombarder l'objet à inspecter au moyen d'un rayonnement électromagnétique (X ou y). Un moyen d'obtenir ce rayonnement est d'utiliser des particules chargées de haute énergie qui sont ralenties en traversant une cible et donnent naissance à un rayonnement de freinage constitué de photons. On peut aussi utiliser des sources radioactives. Les rayonnements sont issus, soit de sources radioactives, soit de l'interaction de particules chargées (électrons par exemple) avec la matière. L'utilisation de ces particules chargées implique, dans le cas d'objets de grande taille à inspecter, de les accélérer jusqu'à obtenir des photons ayant des énergies supérieures à I MeV. Les photons traversent l'objet à inspecter ou sont en partie diffusés ou carrément absorbés. Les photons ayant traversé l'objet interagissent avec des détecteurs. Un dispositif utilisé (représenté sur la figure 1) consiste en une source I de rayons X disposée au bord de la voie empruntée par l'objet 7 à inspecter, et en une série de détecteurs 4 alignés verticalement, de l'autre côté de la voie par rapport à la source. L'émission de photons dans le plan o se trouve la ligne de détecteurs associée au déplacement de l'objet, permet d'obtenir un signal d'information liée au nombre de ces photons et leur énergie. Ce signal est transmis au système d'exploitation 5 qui produit une image en transmission à deux dimensions de la quantité de photons qui ont interagi avec le contenu de l'objet à inspecter. 2 2788599 En raison des lois régissant les processus d'interaction photon/matière, chaque pixel de l'image en transmission obtenue exprime essentiellement l'épaisseur plus ou moins grande et la densité plus ou moins élevée de la matière traversée. A densité constante, plus l'épaisseur est importante, plus le signal détecté est faible. Donc, dans une image exprimée en niveaux de gris avec des pixels blancs pour un signal maximum et noirs pour un signal minimum, plus le signal est faible, plus le pixel est sombre. De même, à épaisseur constante, plus la densité est élevée plus le signal est faible et le pixel sombre. Toutefois, vis à vis de ces rayonnements X ou y, la matière ne se caractérise pas seulement par les deux paramètres qui sont l'épaisseur ep et la densité p. mais aussi par un troisième qui est le numéro atomique Z. En effet, la transmission s'exprime par: Tr (E)- I(E) = exp( (E Z) p *ep) (E) p o E est l'énergie, g le coefficient linéaire d'atténuation, I(E) est l'intensité du spectre avant l'objet à inspecter et I(E) l'intensité du spectre après l'objet et pJp le coefficient massique d'atténuation linéaire qui, pour une énergie donnée, ne dépend que du numéro atomique Z uniquement. Avec des rayons X de basses énergies (autour de 100 KeV), il est assez facile de discriminer les matières constituant les corps traversés de petite taille. Par contre, le problème se complique avec des corps de grande taille qui ne peuvent être inspectés qu'avec un rayonnement de hautes énergies (au-delà de 1 MeV) Les systèmes de contrôle d'objets volumineux aux rayons X de hautes énergies utilisés jusqu'ici fournissent une image dont chaque pixel symbolise, par un niveau de gris ou de la fausse couleur, la transmission Tr(E) ou son logarithme népérien ln(Tr(E)). Mais ils présentent un inconvénient, à savoir que l'utilisateur du dispositif ne peut affirmer si l'image montre par exemple 10 cm de fer ou 35 cm de Téflon. Dans la majorité des cas, il ne peut donc identifier la matière constituant le corps représenté. Une tentative de solution à ce problème a été apportée par la demande de brevet internationale W093/14419. Le système revendiqué dans ce document permet de faire de la discrimination de matière avec un rayonnement de hautes énergies. Il utilise pour cela les différences de distribution spatiale des effets Compton et de 3 2788599 création de paires. Aux hautes énergies, l'effet Compton conduira à une émission de photon vers l'avant (même direction que le rayonnement), tandis que l'émission de paires conduira à une émission isotrope de photons (toutes directions). Les détecteurs sont constitués par des scintillateurs disposés hors du faisceau qui, de ce fait, ne détectent que des photons diffusés. Le détecteur disposé le plus près de la source, c'est à dire sur le côté et à l'arrière de l'objet à inspecter, va interagir principalement avec des photons issus de la création de paires, tandis que le détecteur le plus éloigné de la source, c'est à dire situé sur l'autre côté et vers l'avant de l'objet à inspecter, va interagir avec les photons Compton. Les photons diffusés sont issus d'interactions se produisant dans un convertisseur. La comparaison des signaux fournis par les détecteurs permet de faire de la discrimination organique/inorganique en mesurant comment se déforme le spectre lors de l'interaction avec un objet à inspecter. Ce système présente plusieurs inconvénients: en raison de l'utilisation d'un convertisseur, c'est à dire un matériau lourd qui permet aux photons de subir des interactions pour produire des photons diffusés, la dose d'irradiation pour obtenir un bon fonctionnement est beaucoup plus élevée que les doses habituelles; ce procédé est complexe et coûteux; enfin, du fait qu'il travaille au niveau des détecteurs il est très sensible à la diaphonie, qui dégrade considérablement la qualité de l'image de discrimination, et aux défauts d'alignement. L'invention vise à éliminer ces inconvénients et est basée sur les constatations suivantes. Lorsque les photons ont une énergie supérieure à 1,022 MeV, il peut se produire deux types d'interaction avec la matière la diffusion incohérente après une interaction avec un électron, le photon est reémis avec une énergie plus faible; c'est ce que l'on appelle l'effet Compton. - la production de paires le photon s'annihile dans le champ coulombien de l'atome et produit des paires électron-positron; le positron s'annihile dès qu'il rencontre un autre électron et produit deux photons de 51 I KeV. A ces valeurs d'énergie, la diffusion incohérente (effet Compton) est indépendante du numéro atomique Z, alors que la production de paires a comme loi d'échelle: z2 A avec A la masse atomique. Seul l'ajout du processus de production de paires permet de faire de la discrimination en Z. Les probabilités d'obtenir de tels processus prennent des valeurs non négligeables à partir d'une énergie de 4 MeV et varient selon la matière. A titre d'exemple, lorsqu'il y a une interaction avec un photon dont l'énergie est de 4 MeV, il y a 6% de chances que ce soit pour une production de paires dans de l'azote, 10% dans de l'aluminium et 18% dans du fer. Cette proportion croit avec l'énergie pour tendre vers 100% aux très hautes énergies (80% à 100 MeV). Ce type de comportement montre qu'il devrait être, théoriquement, d'autant plus aisé de faire de la discrimination que les énergies mises en jeu seront plus importantes. Il en résulte que deux mesures seront nécessaires et suffisantes pour faire de la discrimination de numéros atomiques. L'une d'elles doit utiliser une gamme d'énergies o il y a préférentiellement de la diffusion Compton et l'autre une gamme d'énergies o il y a préférentiellement de la production de paires. Ou encore les deux gammes sont bien disjointes en énergie et permettent préférentiellement de la création de paires. L'objet de l'invention sera donc la définition d'un procédé et d'un dispositif permettant de produire deux spectres de photons. Les spectres ayant des formes différentes en fonction de l'énergie, l'un au moins de ces deux spectres produit des processus de création de paires. La comparaison des résultats des interactions des photons de ces deux spectres permet de distinguer les numéros atomiques. Selon l'invention, le procédé de discrimination de corps organiques et inorganiques par un rayonnement électromagnétique (X ou y) à hautes énergies, est caractérisé en ce que pour chaque zone examinée de l'objet on effectue successivement, à partir d'au moins une source de rayonnement d'énergies élevées, deux mesures révélatrices du nombre de photons, ayant chaque fois traversé l'objet et de leur énergie, la seconde mesure au moins étant effectuées 2788599 avec interposition d'un filtre entre la source et l'objet à inspecter afin d'augmenter l'énergie des photons, on élabore après chaque mesure un signal représentatif du spectre des photons ayant traversé l'objet, on intègre ces signaux pour obtenir une paire de valeurs d'intégration dont le rapport, pour chaque zone de l'objet, est représentatif du numéro atomique Z de l'élément principal constituant l'objet traversé par les photons et on élabore à partir de ces signaux une image sur laquelle la matière constituant l'objet traversé, ou une zone de celui-ci, et l'épaisseur ou la densité du Io corps constitué par cette matière sont indiquées par un code. Selon une première forme de réalisation, la première mesure est effectuée avec une première source électromagnétique à hautes énergies, filtrée ou non, et la deuxième mesure avec une seconde source électromagnétique à énergies plus élevées ou non que celles de la première et pourvue d'un filtre intercalé entre elle et l'objet à inspecter. Selon une deuxième forme de revendication les deux mesures sont effectuées au moyen d'une même source électromagnétique à hautes énergies entre laquelle et l'objet à inspecter on intercale successivement un premier filtre puis un second filtre qui augmente l'énergie des photons de la source. Le premier filtre peut être constitué par une matière filtrante ou par aucune matière filtrante. Le second filtre est constitué par exemple par du bore et de préférence 80 g/cm2 de bore. Selon l'invention, le code utilisé pour caractériser la matière est un code de couleurs, chaque couleur étant spécifique d'une matière. Le code utilisé pour caractériser l'épaisseur ou la densité est constitué par l'intensité de la couleur spécifique de la matière. Le dispositif de discrimination de corps organiques et inorganiques selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte au moins un système de filtration destiné à interposer un filtre entre une source de photons de haute énergie et l'objet à inspecter, un dispositif informatique de commande et de synchronisation des systèmes de filtration et d'acquisition et un système de visualisation. Le dispositif informatique établit, à partir des signaux d'au moins deux mesures effectuées avec des filtres différents ou de deux sources dont au moins une est pourvue d'un filtre, le 6 2788599 numéro atomique Z de la matière traversée dans les différentes zones de l'objet et élabore une image de l'objet en affectant un code à ces zones selon leur nature organique ou inorganique. Selon une première forme de réalisation de l'invention, le dispositif de discrimination de corps organiques et inorganiques selon l'invention est caractérisé en ce que le système de filtration est constitué par un cylindre rotatif comportant plusieurs secteurs composés d'une matière filtrante. L'axe de rotation du cylindre peut être disposé parallèlement au rayonnement issu de la source pour interposer, dans une position de rotation, chaque fois un filtre particulier dans ledit rayonnement. 11 peut être aussi disposé perpendiculairement au rayonnement issu de la source pour interposer, dans une position de rotation, chaque fois une paire de filtres particuliers dans ledit rayonnement. Selon une deuxième forme de réalisation de l'invention, le système de filtration peut être constitué par des lames de matière filtrante vibrant à une fréquence déterminée par le système informatique pour s'interposer ou non dans le rayonnement issu de la source. L'invention sera mieux comprise au moyen d'un exemple de réalisation représenté sur le dessin annexé dans lequel: La figure 1 montre le principe de balayage d'un objet à inspecter selon l'art antérieur, La figure 2 montre le principe de balayage d'un objet à inspecter, avec un rayonnement filtré, pour la discrimination de numéros atomiques, selon l'invention, La figure 3 montre les spectres (l'intensité N(E) en fonction de l'énergie (E)) obtenus avec et sans filtration, La figure 4 montre le cylindre porte-filtre du système selon l'invention, Les figures 5a et 5b montrent le déroulement de l'acquisition avec le filtre cylindrique tournant, La figure 6 montre le diagramme des épaisseurs d'objets pour un Z donné, obtenu en intégrant les courbes des spectres filtré (ordonnées) et non filtré (abscisses) à chaque point de mesure. On a représenté schématiquement sur la figure 2 un dispositif selon l'invention 7 2788599 Ce dispositif comporte une source de photons de hautes énergies 1, un système de filtration 2, un dispositif de déplacement 3 des objets 7 à inspecter, une ligne de détecteurs 4 reliés à un dispositif informatique de commande et de synchronisation 5 des systèmes de filtration et d'acquisition et un dispositif de visualisation 6. La source de photons I peut être électrique ou radioactive. On peut par exemple utiliser un accélérateur amenant les électrons à une énergie de 10 MeV qui vont interagir dans du tungstène afin de produire un spectre de rayonnement X (ces électrons entrent en collision avec une cible et produisent les photons nécessaires). On peut aussi par exemple utiliser du gallium 64 qui émet des photons de 0,8, 0,9, 1, 1,3, 1,4, 2,2, 2,4 et 3,4 MeV. Lorsque les photons, émis à partir de l'une quelconque de ces sources 1, ont traversé l'objet à inspecter 7 (par exemple un camion), qui est déplacé entre la source 1 et les détecteurs 4 au moyen du dispositif de déplacement 3, et ont interagi avec la ligne de détecteurs 4, le dispositif peut définir deux spectres. Ces spectres sont deux spectres filtrés ou, par exemple, l'un sans filtration et l'autre avec interposition d'un filtre 2 entre la source et l'objet à inspecter. Ces spectres sont montrés à la figure 3. On peut par exemple utiliser un filtre de 80 g/cm2 de bore qui favorise les hautes énergies. Grâce à cela, le spectre du rayonnement non filtré se distingue nettement du spectre filtré. La mise en oeuvre de la filtration peut être faite au moyen d'un cylindre rotatif dont l'axe de rotation est parallèle au plan du faisceau de photons. Comme le montre la figure 4, le cylindre est divisé dans le sens longitudinal en secteurs constitués ou non de matière de filtrage. L'acquisition des photons par les détecteurs 4 est synchronisée avec la position en rotation du cylindre, chaque position en rotation correspondant à un secteur, donc un filtre particulier. Selon l'exemple représenté à la figure 5, le cylindre est divisé en quatre secteurs dont deux, diamétralement opposés, ne constituent pas un filtre et les deux autres également diamétralement opposés opposent au faisceau de photons 80g/cm2 de bore. 8 2788599 L'acquisition commence par exemple lorsque le faisceau de photons passe par les secteurs non filtrants. Comme le montre la figure 5a le spectre est le même avant et après le cylindre. Le résultat de la mesure est: G0(x,y) = Io0(E).Tr (E,x,y).Rep (E).dE Rep(E) étant la réponse du détecteur lorsqu'il interagit avec un photon d'énergie E et x et y les positions cartésiennes indiquant le lieu o se fait la mesure. Puis, le cylindre, entraîné par son moteur commandé par le dispositif de commande et de synchronisation 5, passe dans une position o les photons traversent le filtre de bore. Le résultat de la mesure est alors: G (x, y) = o(E).Tr filtre (E).Tr(E,x,y) Rep (E).dE Trfit,,(E) étant la transmission du filtre. G1 (x, y) Le rapport Go (xy) des deux mesures ou l'expression de GI(x,y) en fonction de Go(x,y), permet de distinguer les numéros atomiques Z de l'objet inspecté et d'en faire une image en deux dimensions, avec des nuances de gris et/ou des fausses couleurs. A partir du moment o le numéro atomique Z a été déterminé, les deux mesures vont être exploitées par l'électronique 5 pour donner une image. La première mesure, effectuée sans le filtre, va donner la forme de l'objet détecté et le niveau de gris ou de fausse couleur en fonction à la fois de sa densité, de son épaisseur et du numéro atomique de la matière. En y associant la deuxième mesure, on définit une couleur, fonction de la valeur de Z pour cette matière. L'exploitation des spectres montrés sur la figure 3 s'effectue par intégration des courbes, ou par spectroscopie, pour chaque acquisition de photons par un détecteurs 4. Sur la figure 6 on a représenté un diagramme dont les abscisses représentent les valeurs d'intégration du spectre non filtré pour chaque point de mesure et les ordonnées la valeur d'intégration du spectre filtré aux mêmes points de mesure. Si le point ainsi obtenu est situé sur la courbe inférieure ou au-dessous, c'est à dire des valeurs élevées de Z, les éléments détectés sont inorganiques, de faible épaisseur 9 2788599 dans la zone supérieure et de forte épaisseur dans la zone inférieure du diagramme. Si par contre il se situe sur la courbe supérieure ou au-dessus, c'est à dire des Z faibles, il s'agit alors d'un corps organique. On obtient ainsi une image dans laquelle des zones colorées avec une intensité variable vont indiquer la présence d'un composant plus ou moins dense ou plus ou moins épais et de numéro atomique Z plus ou moins élevé. On a décrit ci-dessus un procédé et un dispositif utilisant une seule source de rayonnement entre laquelle et l'objet à inspecter, on intercale un filtre différent pour chacune des deux mesures, voire pour la première mesure pas de filtre du tout. On peut également envisager d'utiliser deux sources différentes dont une au moins, la seconde, est filtrée, sources que l'on présenterait successivement devant l'objet pour faire les deux mesures, de la même manière que l'on présente successivement des filtres devant une source unique fixe dans l'exemple ci-dessus. o10 2788599 Revendications 1. Procédé de discrimination de corps organiques et inorganiques par un rayonnement électromagnétique (X ou y) à hautes énergies, dans lequel des photons à haute énergie sont émis par au moins une source située d'un côté d'un objet à inspecter et transmis à travers ledit objet à des détecteurs situés de l'autre côté de l'objet par rapport à la source pour élaborer un signal de mesure, caractérisé en ce que pour chaque zone examinée de l'objet on effectue successivement, à partir d'au moins une source de rayonnement d'énergies élevées, deux mesures révélatrices du nombre de photons, ayant chaque fois traversé l'objet et de leur énergie, la seconde mesure au moins étant effectuée avec interposition d'un filtre entre la source et l'objet à inspecter afin d'augmenter l'énergie des photons, on élabore après chaque mesure un signal représentatif du spectre des photons ayant traversé l'objet, on intègre ces signaux pour obtenir une paire de valeurs d'intégration dont le rapport, pour chaque zone de l'objet, est représentatif du numéro atomique Z de l'élément principal constituant l'objet traversé par les photons et on élabore à partir de ces signaux une image sur laquelle la matière constituant l'objet traversé, ou une zone de celui-ci, et l'épaisseur ou la densité du corps constitué par cette matière sont indiquées par un code. 2. Procédé de discrimination de corps organiques et inorganiques selon la revendication I caractérisé en ce que la première mesure est effectuée avec une première source électromagnétique à hautes énergies, filtrée ou non, et la deuxième mesure avec une seconde source électromagnétique à énergies plus élevées ou non que celles de la première et pourvue d'un filtre intercalé entre elle et l'objet à inspecter. 3. Procédé de discrimination de corps organiques et inorganiques selon la revendication I caractérisé en ce que les deux mesures sont effectuées au moyen d'une même source électromagnétique à hautes énergies entre laquelle et l'objet à inspecter on intercale successivement un premier filtre puis un second filtre qui augmente l'énergie des photons de la source. ] 2788599 4 Procédé de discrimination de corps organiques et inorganiques selon la revendication 3 caractérisé en ce que le premier filtre n'est constitué par aucune matière filtrante. 5. Procédé de discrimination de corps organiques et inorganiques selon la revendication 3 caractérisé en ce que le premier filtre est constitué par une matière filtrante. 6. Procédé de discrimination de corps organiques et inorganiques selon la revendication 3 caractérisé en ce que le second filtre est constitué par du bore. 7. Procédé de discrimination de corps organiques et inorganiques selon la revendication 3 caractérisé en ce que le second filtre est constitué par 80 g/cm2 de bore. 8. Procédé de discrimination de corps organiques et inorganiques selon la revendication I caractérisé en ce que le code utilisé pour caractériser la matière est un code de couleurs, chaque couleur étant spécifique d'une matière. 9. Procédé de discrimination de corps organiques et inorganiques selon l'ensemble des revendications 1 et 8, caractérisé en ce que le code utilisé pour caractériser l'épaisseur ou la densité est constitué par l'intensité de la couleur spécifique de la matière. 10. Dispositif de discrimination de corps organiques et inorganiques comprenant au moins une source de photons de haute énergie, un dispositif de déplacement des objets à inspecter et un système d'acquisition constitué par au moins une ligne de détecteurs destinés à interagir avec les photons ayant traversé l'objet à inspecter, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un système de filtration (2) destiné à interposer un filtre entre une source (1) de photons de haute énergie et l'objet (7) à inspecter, un dispositif informatique de commande et de synchronisation (5) des systèmes de filtration (2) et d'acquisition (4) et un système de visualisation (6), le dispositif informatique (5) établissant, à partir des signaux d'au moins deux mesures effectuées avec des filtres différents ou de deux sources dont au moins une est pourvue d'un filtre, le numéro atomique Z de la matière traversée dans les différentes zones de l'objet (7) et élaborant une image de l'objet en affectant un code à ces zones selon leur nature organique ou inorganique. 12 2788599 I 1. Dispositif de discrimination de corps organiques et inorganiques selon la revendication 10, caractérisé en ce que le système de filtration (2) est constitué par un cylindre rotatif comportant plusieurs secteurs composés d'une matière filtrante. 12 Dispositif de discrimination de corps organiques et inorganiques selon l'ensemble des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que l'axe de rotation du cylindre est disposé parallèlement au rayonnement issu de la source pour interposer, dans une position de rotation, chaque fois un filtre particulier dans ledit rayonnement. 13. Dispositif de discrimination de corps organiques et inorganiques selon l'ensemble des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que l'axe de rotation du cylindre est disposé perpendiculairement au rayonnement issu de la source pour interposer, dans une position de rotation, chaque fois une paire de filtres particuliers dans ledit rayonnement. 14. Dispositif de discrimination de corps organiques et inorganiques selon la revendication 10, caractérisé en ce que le système de filtration (2) est constitué par des lames de matière filtrante vibrant à une fréquence déterminée par le système informatique (5) pour s'interposer ou non dans le rayonnement issu de la source.