Brevet FR2945631A1 — publié le 20101119

PROCEDE D'ANALYSE D'UN OBJET PAR INTERROGATION NEUTRONIQUE, PAR LA TECHNIQUE DE LA PARTICULE ASSOCIEE, ET DISPOSITIF POUR LA MISE EN îUVRE DU PROCEDE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un procédé d'analyse d'un objet, par interrogation neutronique, par la technique de la particule associée (en anglais, associated-particle technique). L'invention concerne aussi un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé. Elle s'applique notamment au contrôle d'objets abandonnés ou suspects, effectué par des équipes d'intervention. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Au sujet (1) de la technique de la particule associée, (2) des générateurs de neutrons à tube scellé (en anglais, sealed-tube neutron generators), plus simplement appelés � tubes neutroniques scellés �, équipés d'un détecteur de particules alpha pour la mise en oeuvre de cette technique, et (3) des dispositifs d'analyse à particule associée (en anglais, associated-particle analysis devices) utilisant de tels générateurs, on se reportera aux documents suivants : [1] E. Rhodes et C.W. Peters, � APSTNG : neutron interrogation for detection of drugs and other contraband �, Contraband and cargo inspection technology international symposium, 28-30 octobre 1992, Washington, D.C., USA. [2] E. Rhodes, C.E. Dickerman et M. Frey, � Advances in associated-particle neutron probe diagnostics for substance detection �, Neutron techniques of conference on substance identification, analysis, and technologies for law enforcement of European symposium on optics for environmental and public safety �, 19-23 juin 1995, Munich, Allemagne. [3] L.E. Ussery et C.L. Hollas, "Design and development of the associated-particle threedimensional imaging technique", LA-12847-MS, UC-706 et UC-700, octobre 1994. [4] J.D. Wood, "A sealed-off 14 MeV neutron source incorporating a solid state alpha-particle detector", Nuclear Instruments and Methods 21 (1963), pp. 49-52. [5] WO 2004/064462, Coded target for neutron source, Invention de Philippe Le Tourneur. [6] FR 2 738 669, Tube générateur de neutrons équipé d'un détecteur de particules alpha, invention de Yves Serge Cluzeau. [7] US 6 297 507, Sealed tube neutron generator incorporating an internal associated-ALP, 25 invention de Z. Chen et al. Selon un procédé connu d'analyse d'un objet par interrogation neutronique, par la technique de la particule associée, on effectue une seule acquisition de données, pour une position donnée du tube 30 neutronique scellé par rapport à l'objet. On obtient ainsi une cartographie tridimensionnelle de l'objet. Mais les parties de l'objet, qui sont éloignées du tube neutronique scellé, conduisent à des parties peu claires sur la cartographie tridimensionnelle. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a pour but notamment de remédier à cet inconvénient. Elle permet d'obtenir de meilleures informations sur un objet analysé, en cumulant les informations obtenues lors de plusieurs acquisitions, effectuées dans différentes positions du tube neutronique scellé autour de l'objet. De façon précise, la présente invention concerne un procédé d'analyse d'un objet par interrogation neutronique, par la technique de la particule associée, dans lequel - on utilise un dispositif comprenant un 20 générateur de neutrons à tube scellé, équipé d'un détecteur de particules alpha et d'au moins un détecteur de rayonnements gamma, le détecteur de particules alpha permettant le suivi des neutrons émis par le générateur dans un angle solide déterminé, en 25 détectant des particules alpha associées aux neutrons émis, le détecteur de rayonnements gamma permettant de détecter des rayonnements gamma émis par l'objet lorsque ce dernier est placé dans l'angle solide déterminé et reçoit les neutrons émis, et 15 - on place le dispositif dans une position déterminée par rapport à l'objet, ce dernier étant placé dans l'angle solide déterminé, le procédé comprenant les étapes consistant 5 à: - envoyer des neutrons du générateur vers l'objet, - effectuer une acquisition de données qui sont alors fournies par le détecteur de particules 10 alpha et le détecteur de rayonnements gamma, et - traiter les données ainsi acquises, pour obtenir une cartographie tridimensionnelle de l'objet, ce procédé étant caractérisé en ce que - on effectue au moins un déplacement du 15 dispositif autour de l'objet, pour placer le dispositif dans une autre position déterminée par rapport à l'objet, ce dernier étant maintenu fixe, dans l'angle solide déterminé, - on répète les étapes, - on corrige géométriquement chaque cartographie tridimensionnelle de façon à pouvoir recaler cette cartographie tridimensionnelle par rapport à l'ensemble des cartographies tridimensionnelles, et on fusionne les cartographies tridimensionnelles pour obtenir une cartographie tridimensionnelle unique. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, on effectue plus d'un déplacement du 30 dispositif autour de l'objet, pour obtenir plus de deux cartographies tridimensionnelles de l'objet. 20 25 Selon un premier mode de réalisation particulier du procédé, objet de l'invention, on détermine les positions successives du dispositif par rapport à un repère absolu. Selon un deuxième mode de réalisation particulier, on détermine les positions successives du dispositif les unes par rapport aux autres. La présente invention concerne aussi un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, objet de l'invention, ce dispositif comprenant un générateur de neutrons à tube scellé, équipé d'un détecteur de particules alpha et d'au moins un détecteur de rayonnements gamma, le détecteur de particules alpha permettant le suivi des neutrons émis dans un angle solide déterminé, en détectant des particules alpha associées aux neutrons émis, le détecteur de rayonnements gamma permettant de détecter des rayonnements gamma émis par l'objet lorsque ce dernier est placé dans l'angle solide déterminé et reçoit les neutrons émis, dans lequel le dispositif est muni : - de moyens pour déterminer les positions successives du générateur de neutrons à tube scellé par rapport à un repère absolu ou les unes par rapport aux autres, et - de moyens électroniques de traitement, adaptés pour traiter des données fournies par le détecteur de particules alpha et par le détecteur de rayonnements gamma, déterminer les cartographies tridimensionnelles, et recaler et fusionner celles-ci. Les moyens pour déterminer les positions successives du générateur peuvent comprendre un capteur de déplacement. Et le dispositif peut comprendre en outre un engin mobile sur lequel sont montés le générateur de neutrons à tube scellé et les moyens pour déterminer les positions successives de celui-ci. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif connu, permettant de mettre en oeuvre la technique de la particule associée, - la figure 2 illustre schématiquement un mode de réalisation particulier du dispositif, objet de 20 l'invention, et - les figures 3 à 5 illustrent schématiquement un mode de réalisation particulier du procédé, objet de l'invention. 25 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La figure 1 est une vue schématique d'un dispositif connu 3, permettant de mettre en oeuvre la technique de la particule associée, pour analyser un objet 2. Ce dispositif 3 comprend un tube neutronique scellé 4, comportant une cible 6 et équipé d'un détecteur de particules alpha 8, plus simplement appelé � détecteur alpha �. Le dispositif comprend aussi un détecteur gamma 10 (mais il pourrait y en avoir plusieurs), un blindage 12, qui protège ce détecteur gamma 10 de l'émission du tube neutronique 4, et des moyens 14 pour acquérir les données fournies par les détecteurs 8 et 10, traiter les données acquises et obtenir une cartographie tridimensionnelle de l'objet (les moyens 14 étant munis de moyens d'affichage non représentés). La cible 6 du tube 4 est le lieu de la réaction nucléaire D+T-*a+n (D : deutérium ; T : tritium ; a : particule alpha ; n : neutron). Ainsi, à un neutron émis vers l'objet 2 en suivant une trajectoire 16, est associée une particule alpha qui suit une trajectoire 18 à 180° de la trajectoire 16. La détection de la particule alpha associée au neutron, par le détecteur 8, permet de connaître la trajectoire 16 du neutron. Si l'on détecte un photon gamma 20 issu de l'interaction de ce neutron et d'un atome inconnu 22 de l'objet, l'énergie du photon gamma permet d'identifier la nature de l'atome. En outre, l'écart de temps entre la détection de la particule alpha et la détection du photon gamma, et la connaissance des vitesses respectives de la particule alpha, du neutron et du photon gamma permettent de savoir également où se situe l'atome 22 dans l'objet 2. A la fin de l'acquisition et du traitement des données, l'objet est connu par la nature de ses atomes et la localisation de ces derniers. On dispose ainsi d'une cartographie tridimensionnelle de l'objet. Venons-en maintenant à un exemple du procédé, objet de l'invention, que l'on va décrire en faisant référence à la figure 2. Ce procédé permet d'analyser un objet 24 par interrogation neutronique, par la technique de la particule associée. Pour sa mise en oeuvre, le procédé utilise un dispositif 26 du genre de celui qui a été décrit en faisant référence à la figure 1. Ce dispositif 26 comprend donc un générateur de neutrons à tube scellé (non représenté), équipé d'un détecteur de particules alpha (non représenté) et d'au moins un détecteur de rayonnements gamma (non représenté). Le détecteur de particules alpha permet le suivi des neutrons émis par le générateur dans un angle solide déterminé, en détectant des particules alpha associées aux neutrons émis. Le détecteur de rayonnements gamma permet, quant à lui, de détecter des rayonnements gamma émis par l'objet 24 lorsque ce dernier est placé dans l'angle solide déterminé et reçoit les neutrons émis. Conformément à l'invention, on place le dispositif 26 dans une position déterminée P1 par rapport à l'objet 24, ce dernier étant placé dans l'angle solide déterminé. Puis on effectue les étapes suivantes : - on envoie des neutrons du générateur vers l'objet 24, - on effectue une acquisition des données qui sont alors fournies (sous forme de signaux électriques) par le détecteur de particules alpha et par le détecteur de rayonnements gamma, et - on traite les données ainsi acquises, pour obtenir une cartographie tridimensionnelle de l'objet 24. Conformément à l'invention, on effectue ensuite un déplacement, ou plusieurs déplacements successifs du dispositif 26, autour de l'objet 24, pour placer ce dispositif 26 dans une autre position déterminée, ou successivement dans plusieurs autres positions déterminées, par rapport à l'objet, ce dernier étant maintenu fixe et toujours placé dans l'angle solide déterminé. Dans l'exemple considéré, on effectue trois déplacements successifs, de sorte que le dispositif 26 occupe successivement des positions P2, P3 et P4 après avoir occupé la position Pl. Pour chacune des positions : - on corrige géométriquement chaque cartographie tridimensionnelle obtenue de façon à pouvoir recaler cette cartographie tridimensionnelle par rapport à l'ensemble des cartographies tridimensionnelles, et - on fusionne les cartographies tridimensionnelles pour obtenir une cartographie tridimensionnelle unique. On reviendra sur ces aspects de l'invention par la suite. Pour la mise en œuvre du procédé, le dispositif 26 est muni : - de moyens 28 pour déterminer ses positions successives P1 à P4 (en d'autres termes, les positions successives du générateur de neutrons à tube scellé), et - de moyens électroniques de traitement 30 permettant non seulement d'acquérir et de traiter les données fournies par le détecteur de particules alpha et par le détecteur de rayonnements gamma, et de déterminer les cartographies tridimensionnelles, comme le permettent les moyens 14 de la figure 1, mais permettant aussi de recaler les cartographies tridimensionnelles, à l'aide des positions déterminées, et de fusionner ces cartographies. On précise que les moyens 28 sont prévus pour déterminer les positions successives du générateur de neutrons soit par rapport à un repère absolu R, soit les unes par rapport aux autres. Pour ce faire, dans l'exemple, les moyens 28 sont constitués par un capteur de déplacement, par exemple du genre des centrales inertielles. En outre, le dispositif 26 peut tout simplement être un dispositif portable. Mais il peut aussi être monté sur un engin mobile. On voit sur la figure 2 un tel engin mobile 32 sur lequel sont montés le dispositif 26 et le capteur de déplacement 30, permettant de déterminer les positions successives du dispositif. Revenons à présent sur la technique de la particule associée et son utilisation dans l'invention. Comme on l'a vu, cette technique est mise en oeuvre grâce à l'emploi d'un tube neutronique scellé qui utilise la réaction de fusion deutérium-tritium pour produire des neutrons et qui est équipé d'un détecteur de particules alpha permettant le suivi des neutrons émis dans un certain angle solide. Le principe de l'analyse de l'objet consiste à envoyer des neutrons sur lui et à collecter les rayonnements gamma en retour. Par une technique de coïncidence entre les rayonnements gamma et les particules alpha qui sont en quelque sorte attachés au début et à la fin de la trajectoire du neutron, on ajoute une composante spatiale à l'information obtenue (qui est la nature de la matière constituant l'objet). Le résultat final est une cartographie en trois dimensions de l'objet. Chaque volume élémentaire de ce dernier est décrit par la nature de la matière (carbone, oxygène, azote, fer, silicium, ...) et par la quantité de cette matière que le volume contient. Par extension, on a coutume d'appeler la grille que constitue la cartographie, une � image en trois dimensions � de l'objet. Comme on l'a vu, cette grille tridimensionnelle est acquise en positionnant l'instrument, ou dispositif, à proximité de l'objet (position notée pl) et en effectuant l'acquisition (émission neutronique et collection des rayonnements 30 gamma issus de l'objet). Si l'on déplace l'instrument autour de l'objet (qui reste fixe) pour placer cet instrument dans une nouvelle position p2 conformément à l'invention, on est capable d'acquérir une nouvelle description de l'objet dans une nouvelle grille tridimensionnelle qui n'est pas superposable à la précédente en l'état. L'invention vise à permettre la fusion de ces deux grilles. La base de cette fusion est la connaissance du déplacement géométrique (translation et rotation) qui est effectué lors du passage de l'instrument de la première position p1 à la deuxième position p2. Ceci est schématiquement illustré par les figures 3 à 5. On y a représenté la grille g1, obtenue pour la position p1 de l'instrument 34 (figure 3), ainsi que la description dl de l'objet dans cette grille g1. De même, on a représenté la grille g2, obtenue pour la position p2 de l'instrument 34 (figure 4), ainsi que la description d2 de l'objet dans cette grille g2. On rappelle que l'objet n'a pas bougé entre les deux acquisitions conduisant respectivement aux grilles g1 et g2 : on a seulement déplacé l'instrument. Dans les figures 3 et 4, les parties de l'objet, qui sont éloignées de l'instrument, sont représentées de façon plus sombre que le reste de l'objet, pour symboliser le fait que ces parties sont moins bien vues. Conformément à l'invention, les résultats des deux acquisitions (figures 3 et 4) sont sommés grâce à la connaissance du déplacement de l'instrument entre ces deux acquisitions. Le résultat est présenté sur la figure 5. On y a symbolisé le fait que l'objet est maintenant bien connu : sa description d3 n'a plus de parties sombres. L'intérêt de l'invention réside dans le fait qu'elle permet d'obtenir une bonne vision de l'objet en multipliant les points de vue et en les rendant cohérents dans une unique vision finale. Dans les applications de sécurité, où l'instrument neutronique est portable et permet de vérifier le contenu de colis ou de bagages abandonnés, trois ou quatre positions successives de l'instrument autour de l'objet peuvent être utiles. Dans une autre utilisation de l'invention, on embarque l'instrument neutronique sur un engin mobile tel qu'un robot par exemple. Chaque acquisition peut être comparée à une sorte de prise de vue contribuant à une image finale de l'objet, les différentes prises de vue étant intégrées dans l'image finale après indexation géométrique, c'est-à-dire que chaque acquisition élémentaire, naturellement repérée par rapport à l'instrument, est également repérée géométriquement par rapport à l'objet inspecté, puis ces acquisitions sont sommées après avoir été recalées dans un repère géométrique commun. Cette indexation géométrique peut être 30 effectuée par repérage de la position de l'instrument lors de chaque acquisition élémentaire. Comme on l'a vu, l'invention nécessite de réaliser la fusion des différentes images, c'est-à-dire de recaler les images entre elles, en tenant compte des repères géométriques de chacune d'elles. Pour ce faire, il est nécessaire : - de connaître les positions successives de l'instrument en référence par rapport à un repère absolu ou de connaître ces positions successives relativement les unes aux autres, et - de corriger géométriquement chaque acquisition, par rapport à la scène analysée (l'objet) et non par rapport à l'instrument, de façon à pouvoir recaler cette acquisition par rapport à l'ensemble des acquisitions. La correction géométrique de chaque acquisition peut être effectuée par transfert des positions des atomes identifiés dans le repère géométrique de l'instrument vers le repère géométrique de l'objet analysé. Le recalage de cette acquisition peut être effectué par addition des images de repère géométrique commun. L'invention peut donc être mise en œuvre à l'aide d'un instrument neutronique dont on peut repérer 25 manuellement les différentes positions dans un repère géométrique donné, ou à l'aide d'un instrument neutronique qu'on équipe d'un capteur de déplacement qui est capable de fonctionner en temps réel. Le logiciel de l'instrument effectue les calculs qui sont 30 nécessaires aux recalages des images élémentaires. 10 15 20 On dispose donc d'un instrument neutronique, qui est portable ou embarqué sur un robot, et qui est équipé d'un tube neutronique pour la mise en oeuvre de la technique de la particule associée. Cet instument est muni d'un capteur de déplacement (centrale inertielle) permettant une indexation des acquisitions effectuées et il est équipé d'un logiciel permettant le recalage et la fusion des différentes acquisitions. En variante, l'indexation géométrique des acquisitions est effectuée par un procédé manuel et l'instrument est encore équipé d'un logiciel permettant le recalage et la fusion des différentes acquisitions. REVENDICATIONS1 Procédé d'analyse d'un objet (24) par interrogation neutronique, par la technique de la 5 particule associée, dans lequel - on utilise un dispositif (26) comprenant un générateur de neutrons à tube scellé (3), équipé d'un détecteur de particules alpha (8) et d'au moins un détecteur de rayonnements gamma (10), le détecteur de 10 particules alpha permettant le suivi des neutrons émis par le générateur dans un angle solide déterminé, en détectant des particules alpha associées aux neutrons émis, le détecteur de rayonnements gamma permettant de détecter des rayonnements gamma émis par l'objet (24) 15 lorsque ce dernier est placé dans l'angle solide déterminé et reçoit les neutrons émis, et - on place le dispositif (26) dans une position (P1) déterminée par rapport à l'objet, ce dernier étant placé dans l'angle solide déterminé, 20 le procédé comprenant les étapes consistant à : - envoyer des neutrons du générateur vers l'objet (24), - effectuer une acquisition de données qui 25 sont alors fournies par le détecteur de particules alpha et le détecteur de rayonnements gamma, et - traiter les données ainsi acquises, pour obtenir une cartographie tridimensionnelle (dl) de l'objet, 30 ce procédé étant caractérisé en ce que- on effectue au moins un déplacement du dispositif (26) autour de l'objet (24), pour placer le dispositif dans une autre position déterminée (P2, P3, P4) par rapport à l'objet, ce dernier étant maintenu fixe, dans l'angle solide déterminé, - on répète les étapes, - on corrige géométriquement chaque cartographie tridimensionnelle (dl, d2) de façon à pouvoir recaler cette cartographie tridimensionnelle par rapport à l'ensemble des cartographies tridimensionnelles, et - on fusionne les cartographies tridimensionnelles pour obtenir une cartographie tridimensionnelle unique (d3). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on effectue plus d'un déplacement du dispositif (26) autour de l'objet (24), pour obtenir plus de deux cartographies tridimensionnelles de l'objet. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel on détermine les positions successives (P1, P2, P3, P4) du dispositif (26) par rapport à un repère absolu (R). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel on détermine les positions successives du dispositif les unes par rapport aux autres. 20 25 30 5. Dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon la revendication 1, ce dispositif (26) comprenant un générateur de neutrons à tube scellé (3), équipé d'un détecteur de particules alpha (8) et d'au moins un détecteur de rayonnements gamma (10), le détecteur de particules alpha permettant le suivi des neutrons émis dans un angle solide déterminé, en détectant des particules alpha associées aux neutrons émis, le détecteur de rayonnements gamma permettant de détecter des rayonnements gamma émis par l'objet lorsque ce dernier est placé dans l'angle solide déterminé et reçoit les neutrons émis, dans lequel le dispositif est muni : - de moyens (28) pour déterminer les 15 positions successives (P1, P2, P3, P4) du générateur de neutrons à tube scellé par rapport à un repère absolu (R) ou les unes par rapport aux autres, et - de moyens électroniques de traitement (30), adaptés pour traiter des données fournies par le 20 détecteur de particules alpha et par le détecteur de rayonnements gamma, déterminer les cartographies tridimensionnelles (dl, d2), et recaler et fusionner celles-ci. 25 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel les moyens pour déterminer les positions successives du générateur comprennent un capteur de déplacement (28). 30 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, comprenant en outre un enginmobile (32) sur lequel sont montés le générateur de neutrons à tube scellé (3) et les moyens (28) pour déterminer les positions successives de celui-ci.