Brevet FR2945402A1 — publié le 20101112

GENERATEUR DE NEUTRONS A TUBE SCELLE, EQUIPE DE DETECTEURS DE PARTICULES ALPHA, ET SYSTEME DE MESURE A PARTICULE ASSOCIEE UTILISANT LE GENERATEUR DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne l'analyse de la matière par interrogation neutronique, par la technique de la particule associée (en anglais, associated-particle technique). Plus précisément, l'invention concerne un générateur de neutrons à tube scellé (en anglais, sealed-tube neutron generator), plus simplement appelé � tube neutronique scellé �, ainsi qu'un système de mesure à particule associée (en anglais, associatedparticle measurement system) utilisant le générateur. Elle s'applique notamment à la détermination de l'emplacement et de la composition chimique de matériaux dissimulés tels que des drogues ou des explosifs. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Au sujet de la technique de la particule associée, des générateurs de neutrons à tube scellé, équipés d'un détecteur de particules alpha, et des systèmes de mesure à particule associée, 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 internat associated-ALP, 25 invention de Z. Chen et al. Les générateurs de neutrons à tube scellé connus, équipé d'un seul détecteur de particules alpha, posent des problèmes, sur lesquels on reviendra par la 30 suite, lors de leur utilisation pour la mise en oeuvre de la technique de la particule associée. En effet, les systèmes de mesure à particule associée connus comportent un ou plusieurs détecteurs de rayonnements gamma ainsi qu'un blindage qui protège ces derniers vis-à-vis des neutrons émis par le générateur. Mais, certains des neutrons qui sont envoyés vers les détecteurs interagissent avec ce blindage (ou directement dans le détecteur, après avoir traversé le blindage - voir plus loin) et créent des événements indésirables qui contribuent au bruit affectant les mesures. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a pour but de réduire ce bruit, ce qui permet d'améliorer la performance des 15 systèmes de mesure à particule associée. De façon précise, la présente invention a pour objet un générateur de neutrons à tube scellé, équipé d'un premier détecteur de particules alpha, pour le suivi des neutrons qui sont émis dans un premier 20 angle solide, ce générateur étant caractérisé en ce qu'il est en outre équipé d'au moins un deuxième détecteur de particules alpha, pour le suivi des neutrons qui sont émis dans un deuxième angle solide, différent du premier angle solide. 25 Selon un mode de réalisation particulier du générateur, objet de l'invention, les premier et deuxième détecteurs de particules alpha sont adjacents. Les premier et deuxième détecteurs de particules alpha peuvent constituer respectivement des 30 première et deuxième parties d'un unique détecteur de particules alpha, la deuxième partie permettant ainsi d'étendre l'angle solide qui est associé à la première partie. Les premier et deuxième détecteurs de particules alpha peuvent être faits a partir de matériaux choisis parmi les semiconducteurs et les scintillateurs. Par exemple, les premier et deuxième détecteurs de particules alpha peuvent être faits à partir de matériaux choisis parmi YAP, ZnO, LSO, ZnS et LaBr3. La présente invention concerne aussi un système de mesure à particule associée, pour analyser un objet à partir des rayonnements gamma induits par des neutrons qui interagissent avec l'objet, le système comprenant : - le générateur de neutrons à tube scellé, objet de l'invention, - au moins un détecteur de rayonnements gamma, - un système d'acquisition de données qui sont fournies par les premier et deuxième détecteurs de particules alpha, dont est équipé le générateur, et par le détecteur de rayonnements gamma, et - un système de traitement des données 25 ainsi acquises, dans lequel le premier détecteur de particules alpha est destiné à détecter des particules alpha associées aux neutrons qui interagissent avec l'objet, et le deuxième détecteur de particules alpha 30 est destiné à détecter des particules alpha associées à des neutrons qui sont susceptibles d'être envoyés vers le détecteur de rayonnements gamma, en vue de protéger ce dernier de façon immatérielle vis-à-vis des neutrons et donc de réduire le bruit affectant les mesures. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le système est dépourvu de blindage protecteur vis-à-vis des neutrons, entre le générateur de neutrons à tube scellé et le détecteur de rayonnements gamma. 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 système de mesure à particule associée connu, la figure 2 illustre schématiquement des inconvénients présentés par ce système connu, - la figure 3 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du système de mesure à particule associée, objet de l'invention, et - la figure 4 illustre de façon plus détaillée un exemple du système de mesure à particule 25 associée, objet de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La technique de la particule associée est mise en oeuvre grâce à l'emploi d'un tube neutronique 30 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. Par une technique de coïncidence des événements, on améliore le rapport signal sur bruit de la mesure et l'on ajoute une composante spatiale à l'information obtenue. Conformément à la présente invention, on ajoute un second détecteur de particules alpha, ou l'on étend l'angle solide couvert par le premier, de façon à inclure dans cet angle solide le ou les détecteurs gamma d'un système de mesure à particule associée. Ce détecteur de particules alpha supplémentaire permet donc de savoir quand un neutron a été envoyé vers le détecteur de rayonnements gamma, plus simplement appelé � détecteur gamma �, ce détecteur étant normalement chargé de détecter les rayonnements gamma provenant uniquement de l'objet qui est analysé grâce au système. En conséquence, l'événement éventuellement détecté à ce moment-là par le détecteur gamma pourra être rejeté car il sera identifié comme étant du bruit. Le système fait donc en sorte que le neutron envoyé vers le détecteur gamma n'induise par de bruit dans la détection : il agit donc comme une sorte de blindage électronique. Le principe de l'interrogation neutronique à particule associée est schématiquement illustré par la figure 1. On y voit un système de mesure à particule associée connu, pour analyser un objet 2. Ce système 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 système comprend aussi un détecteur gamma 10, un blindage 12, qui protège ce dernier de l'émission du tube neutronique 4, et un ensemble 14 de systèmes pour acquérir les données fournies par les détecteurs 8 et 10 et pour traiter les données acquises. La cible 6 du tube 4 est le lieu de la 10 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. 15 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 20 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 25 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. 30 La figure 2 illustre schématiquement ce qui peut se produire avec le système de la figure 1. Ce système fonctionne bien si le débit d'événements dans le détecteur gamma 10 n'est pas trop grand, de façon à ne pas confondre un photon intéressant et tout autre interaction dans le détecteur. En particulier, le détecteur gamma 10 doit donc être protégé de l'émission du tube neutronique 4 (qui émet des neutrons dans un angle solide de el stéradians) par un bon blindage 12, ce qui est difficile à faire avec les neutrons. A titre d'exemple, on voit la trajectoire 24 d'un neutron indésirable, issu de la cible 6. Ce neutron indésirable interagit avec le blindage 12 et engendre un photon gamma indésirable 26 qui est également détecté par le détecteur 10. Il existe ainsi un risque de confusion du photon intéressant 20 et du photon indésirable 26. Il convient de noter qu'une autre source de bruit est l'interaction directe du neutron dans le détecteur 10 (notamment via une création d'un photon gamma directement dans le matériau du détecteur ou non), après que ce neutron a traversé le blindage. La figure 3 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du système de mesure à particule associée, objet de l'invention. Le système représenté sur la figure 3 est encore destiné à l'analyse de l'objet 2 et comprend, comme précédemment : un tube neutronique scellé 28, comportant une cible 30, et équipé d'un détecteur alpha 32, l'objet 2 étant placé dans l'angle solide défini par le détecteur alpha 32 et la cible 30 ; un détecteur gamma 34 muni d'un blindage 36 ; et un ensemble 38 de systèmes d'acquisition et de traitement. On a encore représenté : la trajectoire 40 d'un neutron issu de la cible ; la trajectoire 42 de la particule alpha associée ; le photon gamma 44 résultant de l'interaction du neutron avec un atome inconnu 46 de l'objet 2 ; et un neutron indésirable 48 qui est envoyé vers le détecteur 34, interagit avec le blindage 36 (ou directement dans le détecteur, après avoir traversé le blindage - voir plus haut) et engendre ainsi un photon indésirable 50 détecté par le détecteur 34. Conformément à l'invention, on place dans le tube neutronique 28 un deuxième détecteur alpha 52 qui va informer l'ensemble 38 de l'envoi du neutron indésirable 48 vers le détecteur 34. Tout événement qui est synchrone (le temps de propagation étant pris en compte) de cet envoi n'est pas pris en compte par le système de mesure. Ainsi, le neutron indésirable est détecté et l'événement gamma correspondant n'est pas pris en compte. Dans le cas où l'on détecte 100% des particules alpha associées aux neutrons indésirables (en fait on peut généralement en détecter plus de 90%), tout se passe comme si le blindage 36 était infiniment opaque. En conséquence, l'invention permet : - de réduire le blindage matériel ou - de rapprocher le détecteur gamma du tube neutronique, ou - d'augmenter l'émission des neutrons par le tube, ou - toutes choses égales par ailleurs, d'obtenir une performance globale nettement meilleure pour le système de mesure, par réduction du bruit affectant les mesures. L'intérêt du tube neutronique conforme à l'invention est donc globalement d'améliorer la performance finale d'un tel système en réduisant le bruit dans les détecteurs gamma. Cet intérêt peut également se traduire par la suppression de tout blindage matériel entre le tube neutronique et les détecteurs gamma. Ceci est particulièrement intéressant dans le cas de petits systèmes où les détecteurs sont forcément proches de la source de neutrons. Cette suppression du blindage, qui est habituellement fait d'un matériau lourd tel que le plomb, se traduit par un allègement de poids. La mise en œuvre de ce blindage électronique (ou blindage immatériel, par opposition à un blindage matériel) implique tout d'abord la mise en place du détecteur alpha supplémentaire 52 dans le tube neutronique 28. Ce détecteur alpha 52 doit être placé de telle sorte que le(s) détecteur(s) gamma 34 du système soient dans l'angle solide défini par le détecteur alpha 52 et la cible 30 du tube neutronique 28. Plus précisément, le(s) détecteur(s) gamma 34 sont dans l'angle solide défini par le cône S2 dont le centre est le centre de la cible 30 et qui s'appuie sensiblement sur le détecteur alpha 52 ; et ce dernier permet le suivi des neutrons émis dans l'angle solide défini par le cône s2 opposé au cône S2. Et l'objet 2 est dans l'angle solide défini par le cône S1 dont le centre est le centre de la cible 30 et qui s'appuie sensiblement sur le détecteur alpha 34 ; et ce dernier permet le suivi des neutrons émis dans l'angle solide défini par le cône s1 opposé au cône S1. Les cônes S1 et S2 sont distincts l'un de l'autre et il en est de même pour les angles solides correspondants. De même, les cônes sl et s2 sont distincts l'un de l'autre et il en est de même pour les angles solides correspondants. Dans l'exemple de la figure 3, les détecteurs 32 et 52 sont adjacents et sensiblement en contact l'un avec l'autre, comme on le voit. Ils peuvent d'ailleurs être remplacés par un détecteur alpha unique, par exemple du genre de celui qui est représenté par les pointillés 54 sur la figure 3. Les deux détecteurs alpha constituent alors deux parties de ce détecteur unique (sur lesquelles s'appuient encore repectivement les cônes S1 et S2). La réalisation des détecteurs alpha 32 et 52 et du tube neutronique 28 fait appel à des technologies connues et maîtrisées. Les détecteurs alpha 32 et 52 doivent être dans une position telle que les particules alpha émises par la cible 30 lors de la réaction produisant les neutrons (D+T-->a+n) puissent les atteindre. Ils doivent 30 donc être en regard de la cible 30 et il ne doit pas y avoir d'obstacle entre eux et cette cible 30. Ces détecteurs peuvent être réalisés soit à partir de matériaux semiconducteurs, soit à partir de matériaux scintillateurs tels que YAP (pérovskite d'yttrium et d'aluminium), ZnO, LSO (orthosilicate de lutétium), ZnS, ou LaBr3 par exemple, soit encore à partir de tout autre principe de détection alpha (par exemple dépôt de diamant ou utilisation de galettes de microcanaux (en anglais, microchannel plates)). La mise en œuvre du blindage électronique implique aussi que le système de traitement des informations soit conçu de façon à pouvoir gérer les événements issus en coïncidence temporelle des détecteurs gamma et alpha. La figure 4 illustre le traitement de l'information d'un système d'interrogation neutronique à particule associée, ou système de mesure à particule associée, conforme à l'invention. Ce système comprend physiquement un tube neutronique 56 conforme à l'invention (que l'on peut appeler � tube à particule associée �), équipé d'un premier détecteur alpha 58 qui est muni d'un dispositif 60 pour la mise en forme des signaux qu'il fournit et qui est orienté de telle sorte que les particules alpha associées aux neutrons émis vers l'objet 62 à analyser soient détectées par ce détecteur 58. Le système comprend aussi des détecteurs gamma 64 qui sont munis d'un dispositif 66 pour la mise en forme des données qu'ils fournissent. Ces détecteurs analysent les rayonnements gamma émis par l'objet 56 et permettent d'analyser cet objet. Les signaux fournis par ces détecteurs 64 sont examinés par un circuit électronique de coïncidence 68 (détection des coïncidences alpha-gamma). On précise que le circuit 70 de la figure 4 (par l'intermédiaire duquel le dispositif 60 est relié au circuit 68, comme on le voit) a pour fonction de traiter les signaux reçus et d'en dégager les valeurs de date (mesure de l'instant d'arrivée de la particule alpha sur le détecteur) et de lieu (lieu d'interaction de la particule sur le détecteur). En outre, le circuit 72 de la figure 4 (par l'intermédiaire duquel le dispositif 66 est relié au circuit 76 (décrit plus loin), comme on le voit) a pour fonction de dater un événement gamma et de le localiser le cas échéant (lorsqu'il y a plusieurs détecteurs gamma, on retiendra par exemple simplement le numéro du détecteur concerné). Si les signaux fournis par les détecteurs gamma 64 sont coïncidents temporellement (à la nanoseconde près), cela signifie qu'ils proviennent d'événements physiques corrélés (détection d'une particule alpha dont le neutron associé a généré, par collision dans la matière de l'objet 62, un photon gamma qui est détecté par l'un des détecteurs gamma 64). Les fonctions des éléments référencés 74 et 76 sur la figure 4 sont des fonctions associées au blindage électronique. L'élément 74 représente le second détecteur alpha dont est équipé le tube 56. Il s'agit du détecteur alpha qui est relatif à la fonction de blindage électronique. Il est géométriquement positionné de telle sorte que les neutrons émis par le tube 56 vers les détecteurs gamma 64 aient leurs particules alpha associées dirigées vers ce détecteur alpha 74. L'élément 76 est un circuit qui constitue un suppresseur de bruit (en anglais, noise killer). Il examine un signal fourni par un dispositif 75 de mise en forme des signaux fournis par les détecteurs gamma. Si ce signal est en coïncidence temporelle avec le détecteur alpha 74, cela signifie que le signal considéré est probablement dû au neutron dont ce détecteur alpha 74 a détecté la particule alpha correspondante. Ce signal ne provient donc pas d'un photon gamma émis par l'objet 62 et en conséquence il est rejeté. Dans le système de mesure représenté sur la figure 4, l'acquisition des données fournies par les détecteurs alpha 58 et 74 et par les détecteurs gamma 64 est effectuée par le système 78 regroupant les éléments référencés 68, 70, 72 et 76. Sur cette figure 4, on voit également un système 80 de traitement des données ainsi acquises. Ce système de traitement 80 est muni d'une interface homme-machine 82. On voit sur la figure 4 les divers éléments constituant ce système de traitement 80 et les liaisons entre ces éléments. Ce système de traitement 80 comprend - un circuit d'ajustement en énergie (en anglais, energy adjustment) 84 relié au circuit 68, - un circuit de reconstruction en trois dimensions 86, - un circuit de déploiement spectral et de tri rapides (en anglais, fast spectral unfolding and sorting) 88, - un circuit de déploiement spectral 90, - une bibliothèque d'éléments 92, - un circuit de quantification d'éléments 94, - un circuit de reconnaissance de matériaux (en anglais, material recognition) 96, et - un logiciel de prise de décision (en anglais, décision making software) 98. On voit aussi sur la figure 4, les éléments constituant l'interface homme-machine 82 et les liaisons leur correspondant. Cette interface comprend : - des moyens 100 d'affichage rapide de la luminance gamma de l'objet (anglais, fast display of object gamma luminance), - des moyens 102 d'affichage d'images en trois dimensions (en particulier éléments chimiques et pourcentages), et - des moyens de décision 104 (alarme, matériaux et vraisemblances). Dans les exemples de l'invention, donnés plus haut, un seul détecteur alpha supplémentaire est prévu. Mais, si besoin est, par exemple si le nombre de détecteurs gamma est important, on peut équiper le tube neutronique scellé de plusieurs détecteurs alpha supplémentaires et adapter en conséquence les moyens d'acquisition et de traitement de données qui sont associés au tube neutronique et aux détecteurs gamma. REVENDICATIONS1. Générateur de neutrons à tube scellé (28, 56), équipé d'un premier détecteur de particules alpha (32, 58), pour le suivi des neutrons qui sont émis dans un premier angle solide, ce générateur étant caractérisé en ce qu'il est en outre équipé d'au moins un deuxième détecteur de particules alpha (52, 74), pour le suivi des neutrons qui sont émis dans un deuxième angle solide, différent du premier angle solide. 2. Générateur selon la revendication 1, dans lequel les premier et deuxième détecteurs de particules alpha (32, 52) sont adjacents. 3. Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel les premier et deuxième détecteurs de particules alpha constituent respectivement des première et deuxième parties d'un unique détecteur de particules alpha (54), la deuxième partie permettant ainsi d'étendre l'angle solide qui est associé à la première partie. 4. Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les premier et deuxième détecteurs de particules alpha (32, 52, 58, 74) sont faits à partir de matériaux choisis parmi les semiconducteurs et les scintillateurs.30 5. Générateur selon la revendication 4, dans lequel les premier et deuxième détecteurs de particules alpha (32, 52, 58, 74) sont faits à partir de matériaux choisis parmi YAP, ZnO, LSO, ZnS et LaBr3. 6. Système de mesure à particule associée, pour analyser un objet (2, 62) à partir des rayonnements gamma induits par des neutrons qui interagissent avec l'objet, le système comprenant : - le générateur de neutrons à tube scellé (28, 56) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, - au moins un détecteur de rayonnements gamma (34, 64), - un système (78) d'acquisition de données qui sont fournies par les premier et deuxième détecteurs de particules alpha dont est équipé le générateur, et par le détecteur de rayonnements gamma, et - un système (80) de traitement des données ainsi acquises, dans lequel le premier détecteur de particules alpha (32, 58) est destiné à détecter des particules alpha associées aux neutrons qui 25 interagissent avec l'objet, et le deuxième détecteur de particules alpha (52, 74) est destiné à détecter des particules alpha associées à des neutrons qui sont susceptibles d'être envoyés vers le détecteur de rayonnements (34, 64), en vue de protéger ce dernier de 30 façon immatérielle vis-à-vis des neutrons et donc de réduire le bruit affectant les mesures. 10 15 20 7. Système selon la revendication 6, dépourvu de blindage protecteur vis-à-vis des neutrons, entre le générateur de neutrons à tube scellé et le détecteur de rayonnements gamma (34, 64).