Brevet FR2985817A1 — publié le 20130719

Procédé de détection de changement d'activité dans un spectre construit à partir d'interactions corpusculaires L'invention concerne un procédé de détection de changement 5 d'activité clans un spectre et un dispositif apparenté. L'invention s'applique notamment au domaine de la spectrométrie pour la détection du changement d'activité dans un spectre construit à partir d'interactions corpusculaires. Des méthodes de mesures existantes permettent de détecter l'activité de sources corpusculaires comme des sources radioactives et 10 l'évolution de cette activité au cours du temps. Ces méthodes mettent en oeuvre des traitements statistiques par analyse spectrométrique et permettent d'obtenir une bonne fiabilité de mesures. L'analyse de données spectrométriques a notamment pour objectif l'identification d'un nombre inconnu de pics superposés à un fond également 15 inconnu, lesdits pics étant représentatifs de quantités physiques présentes dans le milieu à analyser. Plusieurs méthodes d'analyse automatique de spectres sont proposées dans l'état de la technique pour faciliter l'analyse de données spectrométriques. Deux catégories des méthodes peuvent être distinguées. 20 Une première catégorie comprend des méthodes d'analyse s'appuyant sur des bases de données. Ces techniques sont répandues dans le domaine de la spectrométrie nucléaire et de la spectrométrie de masse. Le principe est de rechercher les pics au sein d'une base de données qui les caractérise en position et en intensité. Ce type de méthode permet de 25 chercher les positions et intensités sur des espaces continus en fixant le nombre de composantes. Il est alors possible d'estimer la quantité de chaque élément composant la base de données en minimisant une fonction de coût. La forme des pics est dans ce cas supposée déterministe et connue. Pour ce qui est du fond, celui-ci est modélisé au préalable sous chaque pic d'une 30 région d'intérêt donnée par une fonction polynomiale. 1 2 9 8 5 8 1 7 2 Une deuxième catégorie de méthodes comprend les méthodes d'analyse se basant sur une détection automatique de pics. Cette approche ne requiert pas l'utilisation de bases de données mais suit une approche statistique fondée sur la minimisation d'un risque ou la maximisation de vraisemblance. La recherche de la position desdits pics est effectuée sur un espace discret constitué des canaux du spectre acquis. Il est également possible d'utiliser des tests statistiques. Ainsi l'article de A. Lechner, A. Pfeiffer, M. Grazia Pia, et A. Ribon intitulé Analysis of Statistical Algorithms for the Comparison of Data Distributions in Physics Experiments, Nuclear Science Symposium Conference Record, pages 19231926, IEEE, 2007 décrit l'utilisation de tests statistiques en physique expérimentale. Ces tests sont applicables à des données dites « binnées », c'est-à-dire à des données présentées sous forme d'histogramme et réparties sur des canaux d'accumulation. Cependant, l'utilisation de ces tests pour détecter une source corpusculaire, par exemple une source radioactive, avec fiabilité sur une courte durée de mesure, n'est pas envisagée. L'expression « courte durée de mesure » fait référence à des durées de mesure de l'ordre de la seconde. Dans de nombreuses applications, il peut être intéressant de pouvoir détecter des sources corpusculaires, par exemple radioactives, sur la base de mesures de courtes durées. Les solutions existantes ne permettent pas de détecter une source radioactive sur la base de mesures établies sur de courtes durées. En effet, il est difficile d'obtenir des pics représentatifs d'une activité radioactive se détachant du fond du spectre mesuré. Les besoins en détection de sources corpusculaires sur de courtes durées sont cependant réels. A titre d'exemple, dans des zones géographiques devant être sécurisées comme des aéroports, la mise en oeuvre de dispositifs de détection de sources radioactives est d'une importance cruciale. Si ces dispositifs ne sont pas capables de détecter la présence de sources radioactives sur de courtes durées de mesure, un porteur d'une telle source passant rapidement devant un tel dispositif ne sera pas repéré. A titre d'exemple, si le dispositif de détection est de type portique de sécurité, il est difficile de détecter une source radioactive avec fiabilité lorsqu'un porteur passe au travers du portique en marchant. Un but de l'invention est notamment de pallier les inconvénients précités. A cet effet l'invention a pour objet un procédé de détection de changement d'activité dans un spectre d'énergie. Ledit spectre est mesuré périodiquement, le résultat de ces mesures étant présenté sous forme des spectres cumulés, un spectre cumulé correspondant à un histogramme, un histogramme étant composé d'une pluralité de canaux d'accumulation, un canal d'accumulation (j) étant représentatif d'un nombre de particules mesurées dans une bande d'énergie donnée (Si), au moins une région Ri étant sélectionnée, ladite région (101, 102) regroupant une pluralité de 15 canaux d'accumulation dans lequel un pic d'énergie à détecter peut apparaître. Le procédé comprenant une étape de construction pour la région Ri d'au moins deux spectres différentiels sDAR.; et SD, le premier spectre 5D" correspondant à la différence entre deux spectres cumulés obtenus avec un écart de Al secondes, le second spectre SDAR correspondant à la 20 différence entre deux spectres cumulés obtenus avec un écart de ti?, secondes, l'écart de temps A2 étant plus grand que l'écart de temps Ai. Il comprend en outre une étape mettant en oeuvre un test statistique non paramétrique de comparaison d'au moins deux échantillons, les deux échantillons utilisés correspondant aux deux spectres différentiels SDARit et 25 SDAR lt de manière à détecter un changement d'activité dans la région Ri. Selon un aspect de l'invention, les écarts de temps 3/ et sont de l'ordre de la seconde. A titre d'exemple, A2 eee 5 x A. Dans un mode de réalisation, le procédé comprend une étape de détection d'au moins une source corpusculaire, une source corpusculaire étant détectée lorsqu'un changement d'activité est détecté sur l'ensemble des régions lui étant associées. Le procédé est par exemple adapté pour détecter une source radioactive. Le test statistique de comparaison d'échantillons est par exemple un test d'Epps-Singleton à deux échantillons. Alternativement, le test statistique de comparaison d'échantillons est un test de Kolmogorov-Smirnov à deux échantillons. Alternativement, le test statistique de comparaison d'échantillons 10 est un test de Cramer-Von Mises à deux échantillons. Dans un mode de réalisation, un nombre d'échantillons supérieur à deux est utilisé pour la comparaison. Par exemple, les étapes de détermination de spectres différentiels et de test de comparaison sont appliquées simultanément sur une pluralité 15 de régions présélectionnées des spectres cumulés. Le test statistique de comparaison d'échantillons est, par exemple, un test d'Anderson-Darling à au moins deux échantillons. L'invention a aussi pour objet un portique de sécurité permettant la détection de changement d'activité dans un spectre construit à partir 20 d'interactions corpusculaires mettant en oeuvre le procédé décrit précédemment. L'invention a aussi pour objet un dispositif de détection pour la surveillance d'installations nucléaires mettant en oeuvre le procédé décrit précédemment. 25 L'invention a aussi pour objet un robot destiné à l'extraction de minerais et/ou à la recherche de sources radioactives cachées mettant en oeuvre le procédé décrit précédemment. Avantageusement, le procédé selon l'invention et les dispositifs 30 apparentés ne requièrent pas de mise en oeuvre de modélisation des données d'entrées, c'est-à-dire des données spectrométriques fournies par un capteur, ni de la forme de pics ou de fond. L'invention peut donc être mise en oeuvre pour tout type de spectre, quel que soit le capteur ou le spectromètre l'ayant construit. En outre, le procédé permet une détection en ligne de 5 changement d'activité dans un spectre sur une liste préétablie et comportant un nombre fini de raies. En d'autre terme, la détection peut être réalisée de manière continue au cours du temps. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront to à l'aide de la description qui suit donnée à titre illustratif et non limitatif, faite en regard des dessins annexés parmi lesquels : la figure 1 donne un exemple de mesure de spectre présenté sous forme d'histogramme ; 15 la figure 2 illustre de manière simplifiée un procédé de détection de changement d'activité dans un spectre ; la figure 3 donne un exemple de chaîne de mesure de spectrométrie ; La figure 4 donne un exemple de portique de sécurité 20 permettant la détection de changement d'activité dans un spectre construit à partir d'intéractions corpusculaires. La figure 1 donne un exemple de mesure de spectre présenté sous forme d'histogramme. 25 Des analyseurs multicanaux sont habituellement utilisés pour analyser des spectres tels que des spectres X, y ou fluorescent. Des contraintes techniques, comme par exemple la résolution limitée des convertisseurs analogiques-numériques, ne permettent pas de générer directement un spectre continu. C'est pourquoi ces analyseurs présentent 30 comme données de sortie des histogrammes 100 composés de plusieurs canaux. Un canal d'histogramme j correspond par exemple à un intervalle d'énergie B. Les quantités à mesurer, par exemple des photons, sont classées par canaux en fonction de leur niveau d'énergie. Ces canaux sont appelés canaux d'accumulation. L'ensemble des canaux d'accumulation 1 5 représentatifs d'un spectre composent un histogramme 100. La quantité mesurée pour un canal correspond à un nombre d'évènements mesurés appelés aussi coups. Pour chaque canal d'accumulation, les coups mesurés sont comptabilisés ce qui permet de déterminer la valeur associée auxdits canaux. Les coups correspondent à 10 des mesures représentatives des interactions entre les particules à mesurer et le capteur utilisé pour obtenir l'histogramme, lesdites particules pouvant être par exemple des neutrons ou des photons. En d'autres termes, lorsqu'une particule est détectée par le capteur, un coup est comptabilisé. L'histogramme est habituellement représenté en indiquant le 15 niveau d'énergie en abscisse et le nombre de coups c en ordonnées. Si un pic d'activité existe dans la réalité mais que le nombre de coups accumulés n'est pas suffisamment significatif, il sera alors difficile de le distinguer du fonds et une détection d'activité classique aura peu de chances d'aboutir à un résultat correct. 20 Ces données présentées sous forme d'histogramme peuvent être utilisées en entrée du procédé de détection comme décrit ci-après. Le procédé de détection décrit ci-après peut être calibré pour détecter des radioéléments préalablement choisis. Pour cela des fenêtres en énergie 101, 102 appelées régions dans la suite de la description sont être préalablement 25 définies autour des raies à détecter. La figure 2 illustre de manière simplifiée un procédé de détection de changement d'activité dans un spectre. Un changement d'activité désigne une modification substantielle et 30 statistiquement significative d'une région de l'histogramme. Lorsqu'une telle 2 9 8 5 8 1 7 7 modification est détectée, celle-ci est apparentée à un pic associé à la présence d'un élément à détecter. Le procédé se base sur l'application d'un test non paramétrique sur les échantillons d'un spectre différentiel. Les données spectrométriques correspondent par exemple à des histogrammes et peuvent être obtenues à l'aide d'un spectromètre standard. En outre, le procédé peut être appliqué à tout spectre représenté sous forme discrète représentatif de données discrètes ayant pour origine des photons , Y, de fluorescence, des neutrons, ou tout autre type de particule. Lorsque l'on souhaite détecter un changement d'activité dans un spectre construit à partir d'interactions corpusculaires sur une courte période de mesure, le nombre d'événements codés permettant de construire le spectre, c'est-à-dire le nombre de coups, peut être très faible. Le procédé décrit ci-après se base sur l'utilisation d'un test statistique non paramétrique de comparaison d'au moins deux échantillons. Dans la suite de la description, le terme « échantillon » désigne un signal discret représentatif d'une région Ri de l'histogramme, les points composant ledit signal correspondant aux coups associés aux différents canaux d'accumulation de ladite région. L'un des avantages du procédé est que l'acquisition des données d'entrée et la détection d'un changement significatif dans le spectre peuvent être effectuées de manière continue, le critère de détection pouvant être appliqué sur la base de fenêtres temporelles glissantes. Le procédé comprend une étape 200 de construction de spectres dits différentiels. Pour une tentative de détection, deux spectres différentiels sont déterminés par région d'intérêt RI. Ainsi, pour une région Ri donnée, un premier spectre différentiel 201 et un second spectre différentiels 202 sont déterminés. A noter que la figure 2 est un exemple simplifié ne prenant en compte une détection d'activité dans une seule région du spectre. Cet 2985 817 8 exemple est donné à caractère illustratif et non limitatif, une pluralité de régions pouvant être traitée simultanément. Le premier spectre différentiel est contruit sur la base de mesures effectuées sur un premier intervalle temporel d1 et le deuxième spectre 5 différentiel est construit sur la base de mesures effectuées sur un second intervalle temporel à2. Dans la suite de la description, ces intervalles temporels sont appelés bases de temps. Un spectre différentiel si est un spectre obtenu en effectuant la 10 différence entre deux spectres cumulés 5(t) à deux instants différents t1 et t2 espacés de secondes, à étant appelé base de temps, soit : SD,1= S(t2) -5(t1) avec t2 - fi= à secondes (1) 15 Un spectre cumulé est une mesure de spectre présentée sous forme d'histogramme. A titre d'exemple, un analyseur multi-canaux peut être utilisé pour générer un tel histogramme. En fonction de l'équipement utilisé, un spectre cumulé est généré selon une période donnée. Ainsi, un nouvel histogramme peut être généré par exemple toutes les 0.1, 0.2 ou 0.3 20 secondes. Le procédé est applicable par exemple pour une liste prédéfinie de radio-éléments d'intérêt, cette liste pouvant être associée à une liste de N régions d'intérêt R. Pour chaque région Ri, deux spectres différentiels SD f et .514i sont déterminés. Le spectre différentiel SDAR; est déterminé sur une 25 base de temps et le spectre SDAle,' est déterminé sur une base de temps à2. Le procédé comprend ensuite plusieurs étapes 203 menant à la détection d'un potentiel changement d'activité. Pour cela, une étape 204 met 2 9 8 5 8 1 7 9 en oeuvre pour chaque région Ri un test de comparaison non paramétrique à deux échantillons. Ce type de test est habituellement désigné en utilisant l'expression anglo-saxonne « two-sample test ». En fonction de l'application, différents types de tests peuvent être 5 utilisés. Un premier test pouvant être utilisé est le test d'Anderson-Darling à deux échantillons. Ce test est adapté aux distributions continues ou discrètes. Ce test est détaillé décrit notamment dans l'article de A. N. Pettitt intitulé a two-sample Anderson-Darling rank statistic, Biometrika, 63(1), 10 pages 161-168, 1976. Un second test pouvant être utilisé est le test d'Epps-Singleton. Ce test est adapté aux distributions continues ou discrètes. Ce test est décrit notamment dans l'article de T. W. Epps and K. J. Singleton, intitulé an omnibus test for the two-sample problem using the empirica! characteristic 15 function, Journal of Statistical Computation and Simulation, 26 (3-4) : pages 177-203, 1986. Un troisième test pouvant être utilisé est le test de KolmogorovSmirnov à deux échantillons. Ce test est uniquement adapté pour la comparaison de deux échantillons dont les distributions sous-jacentes sont 20 continues. Un quatrième test pouvant être utilisé est le test de Cramer-Von Mises à deux échantillons. Tout comme le test de Kolmogorov-Smirnov, ce test est adapté pour la comparaison de deux échantillons dont les distributions sous-jacentes sont continues. 25 Cette liste de quatre tests ne doit cependant pas être considérée comme limitative. En effet, tout test de comparaison non paramétrique de deux échantillons peut être utilisé pour détecter le changement d'activité. En fonction du type de corpuscule dont l'activité est à surveiller, le choix du test est déterminant pour obtenir une bonne puissance du test. La 30 puissance d'un test est définie comme étant l'aptitude dudit test à mettre en évidence, lorsqu'elle existe, une différence entre deux échantillons. En effet, la puissance de test diminue lorsque les conditions d'application du test choisi ne sont pas respectées. Les deux échantillons d'entrée du test sont considérés sur une 5 même région issue de deux spectres différentiels construits à des instants différents. Comme explicité précédemment, le premier échantillon est cumulé sur une première base de temps A. Le second échantillon est cumulé sur une seconde base de temps Az. Ai et A, sont choisis de manière à ce que 10 > A. Dans un mode de réalisation préféré, /12 = 5 x Ai. Par exemple = 1 seconde et A2 = 5 secondes. En outre, Ai et à, peuvent être ajustés à volonté. Dans un mode de réalisation alternatif, il est possible de mettre en en oeuvre un test à kéchantilions (k > 2) de manière à comparer k spectres 15 différentiels, lesdits spectres différentiels étant calculés sur k bases de temps distinctes. Le test d'Anderson-Darling est un exemple de test permettant de mettre en oeuvre ce mode de réalisation. La figure 3 donne un exemple de chaîne de mesure de 20 spectrométrie. Cette chaîne est une chaîne classique se composant d'un détecteur de rayonnement 300, d'un circuit électronique d'amplification 301, un analyseur multi-canaux 302 et un détecteur de changement d'activité 303 comportant des moyens pour mettre en oeuvre le procédé tel que décrit précédemment. Les rayonnements sont détectés par exemple par des 25 capteurs Ge, Nal, CdTe ou LaBr3, d'autres types de capteurs pouvant être utilisés dans le cadre de l'invention. Préalablement à toute acquisition, il est nécessaire d'établir une liste d'éléments à détecter et des raies énergétiques leurs étant associées. Ces données peuvent être tirées de tables nucléaires et permettre ainsi de 2 9 8 5 8 1 7 11 déterminer les régions d'intérêt sur lesquelles la détection de changement d'activité va être effectuée. Le spectre d'énergie doit ensuite être calibré. Cela signifie qu'un facteur multiplicatif appelé usuellement « kevcanal » doit être défini de manière à faire correspondre les canaux de l'histogramme des énergies avec des valeurs d'énergies physiques et peut être fait au niveau de l'analyseur multicanaux 302. Une fois que la liste des radio-éléments d'intérêt a été établie, l'utilisateur définit des régions d'énergie autour des raies caractéristiques de cette liste. Cela aboutit à une fenêtre en énergie pour chacune des raies à détecter. Par exemple, si le Cesium fait partie de la liste des radioéléments identifiés, la raie à 662 keV doit pourvoir être détectée. La région d'énergie définie par l'intervalle [655, 669] keV peut, par exemple, être utilisée. La taille de ces intervalles peut être de valeur constante. De 15 manière alternative, la taille de ces intervalles peut varier en fonction de l'énergie. Une variation linéaire de la taille de la fenêtre en fonction de l'énergie est par exemple utilisée. La figure 4 donne un exemple de portique de sécurité permettant 20 la détection de changement d'activité dans un spectre construit à partir d'interactions corpusculaires. Ce portique 400 comprend des moyens pour mettre en oeuvre le procédé de détection de changement d'activité tel que décrit précédemment. Il peut, par exemple, inclure une chaîne de détection 404 telle que celle décrite à l'aide de la figure 3. Il comprend en outre un 25 dispositif sonore 403 émettant une alarme lorsque le porteur 401 d'une source radioactive passe au travers du portique. Un des avantages conféré par la mise en oeuvre du procédé selon l'invention est que les individus devant être contrôlés peuvent passer en marchant au travers dudit portique sans y stationner tout en garantissant un bonne fiabilité de détection. 30 D'autres types de dispositifs peuvent tirer avantage de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Ainsi, le procédé de détection d'activité dans un spectre construit à partir d'interactions corpusculaires peut être mis en oeuvre au sein d'un dispositif de détection pour la surveillance d'installations nucléaires pour vérifier par exemple la radioactivité d'éléments combustibles usagés, par 5 exemple des barreaux, appelés aussi crayons. Les temps de mesure requis étant réduits, le nombre d'éléments combustibles vérifiés par unité de temps peut être augmenté, des gains en productivité peuvent ainsi être réalisés par les industriels, par exemple pour la mesure du taux de combustion résiduel d'éléments combustibles, habituellement désigné par l'expression anglo10 saxonne « burn-up ». Le procédé peut également être mis en oeuvre dans un robot destiné à l'extraction de minerais ou à la recherche de sources radioactives cachées. Un tel robot peut par exemple être utilisé pour détecter la présence d'uranium ou de sources radioactives lors de son passage dans des zones 15 d'extraction (par exemple des galeries souterraines). Avantageusement, du fait que les durées de mesure requises sont faibles, ledit robot n'est pas obligé de s'arrêter dans les zones d'extraction quand une zone potentiellement fortement radioactive peut être détectée ce qui limite son exposition aux radiations. Un tel robot a donc moins de chance de tomber en 20 panne du fait de la dégradation de ses circuits électroniques.