Brevet FR3034857A1 — publié le 20161014

La présente invention relève du domaine de la détection des particules appliquée à la recherche des munitions enfouies. Le problème des munitions anciennes enfouies dans le sol est un problème particulièrement grave dans de nombreux pays. Dans toutes les zones de combat, et particulièrement dans l'est de la France, mais aussi dans le sud-est asiatique, des munitions non explosées subsistent en grand nombre dans le sol. Malgré la corrosion des parties en métal ferreux, ces engins restent toujours une menace pour les agriculteurs et les promeneurs. Un grand nombre de ces munitions contiennent des agents chimiques (Ypérite, Arsines) qui sont encore dangereux plus de 100 ans après le premier conflit mondial. I. Etat de la technique La recherche des mines et munitions non explosées s'effectue selon deux méthodes principales : La détection électromagnétique et la détection manuelle. Les systèmes de détection électromagnétiques à l'aide de « détecteurs de métaux » (familièrement appelés « poêles à frire ») mesurent la déformation d'un champ magnétique variable par des masses métalliques enfouies. Ils sont aussi sensibles aux multiples éclats d'obus présents dans le sol des champs de bataille, ainsi qu'à toute pièce métallique enfouie dans le sol. Par ailleurs, les concepteurs de mines se sont évertués à concevoir des engins sans parties métalliques. (Mines en verre de la seconde guerre mondiale, et aujourd'hui mines en plastique.) La technique de base pour le déminage reste donc le sondage à la main, à l'aide d'un baïonnette enfoncée avec précaution à 45 degrés, décimètre carré par décimètre carré. C'est une méthode très dangereuse, très longue et très coûteuse. Il. Description de l'invention a) L'invention est basée sur le fait que les mines et munitions non explosées doivent contenir de façon obligatoire un détonateur. Ce détonateur contient un explosif primaire constitué de styphnate de plomb, d'azoture de plomb ou de fulminate de mercure. Ces composés contiennent un métal lourd : le plomb ou bien le mercure. L'invention est d'autre part basée sur le fait que les rayons cosmiques qui frappent notre planète provoquent la fission des métaux lourds ou bien leur spallation avec émission de neutrons. On distingue la fission, qui consiste dans la séparation du noyau de métal lourd en deux noyaux fils accompagnée d'un ou plusieurs neutrons, et la spallation, qui consiste en une séparation du noyau de métal lourd en un nombre de 3034857 2 noyaux fils supérieur à deux, avec dans ce cas aussi une émission de neutrons. Les noyaux de mercure et de plomb des détonateurs contenus dans les mines et munitions enterrées sont exposés aux rayons cosmiques de haute énergie, et subissent donc la fission et la spallation, en émettant des neutrons. Chaque détonateur va donc émettre 5 un faible nombre de neutrons par minute, et ceci dans toutes les directions. Les munitions « intelligentes » actuelles, qui contiennent un ou plusieurs microprocesseurs, et au moins un récepteur de coordonnées satellitaires GPS, Glonass ou Galileo contiennent aussi de faibles quantités d'or, notamment au niveau des connexions des microprocesseurs. L'or est un métal lourd et il émet lui aussi des neutrons sous l'effet 10 des rayons cosmiques. On trouve aussi de l'or dans les projectiles antiaériens comportant un détonateur activé par un radar embarqué, ou bien dans les projectiles à explosion programmée, type 40 mm Bofors. On en trouve évidemment dans tous les missiles guidés. Le nombre de neutrons émis durant chaque minute par les munitions non explosées et les mines est extrêmement faible. Néanmoins, à proximité de celles- 15 ci, le nombre de neutrons par minute sera situé au dessus du bruit de fond naturel, y compris dans un champ de bataille pollués par de nombreuses explosions. En effet, les métaux lourd libérés par l'explosion d'autre projectiles seront pulvérisés sur de larges surfaces, alors que les métaux lourds contenus dans les amorces des détonateurs sont concentrés en un même point. De plus, après plusieurs années, le mercure et le plomb 20 seront lessivés par les précipitations. Cependant la détection d'un taux aussi faible de neutrons ne peut pas se faire par les techniques habituelles, ce qui explique que la détection des munitions enterrées par mesure des neutrons de fission n'à jamais été utilisée jusqu'à aujourd'hui. La figure 1 résume le phénomène d'émission de neutrons par les munitions enterrées : un rayon cosmique primaire (1) frappe un noyau d'un 25 atome de l'atmosphère terrestre (2) et une gerbe de rayons cosmiques secondaires est émise (3) Ces rayons cosmiques secondaires vont frapper le détonateur (5) d'une munition enterrée (4) provoquant la spallation des noyaux lourds. Quelques neutrons (6) sont émis et diffusent vers la surface. 30 b) Etat de la technique concernant la détection des neutrons. Dans l'art antérieur, les neutrons sont détectés par trois procédés principaux : -Le premier procédé utilise la capture radiative par des noyaux d'hélium-3 selon par 35 réaction : He3 + n He4 + gamma L'hélium-3 est ajouté au gaz de remplissage de compteurs Geiger ou de chambres à ionisation spéciales et l'arrivée des neutrons se traduit par des impulsions électriques 3034857 3 mesurables. Néanmoins, le rendement de tels dispositif est relativement faible : l'hélium est utilisé sous basse pression, la section efficace de capture des neutrons rapportée à la surface des tubes de mesure est faible, et le rendement de transformation des rayons gamma en impulsions est faible lui aussi. Sous formes de tubes de petite taille 5 pressurisés et scellés, cette technique reste la meilleure, si l'on considère la sensibilité aux radiations cosmique qui doit rester faible. Néanmoins, eu égard à la pénurie croissante d'hélium 3, à laquelle il faut ajouter les problèmes techniques, le coût des chambres de grande taille pourrait devenir rédhibitoire pour des applications au déminage. 10 On peut aussi utiliser des tubes proportionnels ou des tubes Geiger-Muller contenant du trifluorure de bore, donnant lieu à la réaction : B10 + n Li7 + He4 Les deux noyaux rapides Li7 et alpha sont aisément détectables. En utilisant cette réaction, on peut utiliser des chambres proportionnelles planes des 15 grande surface, dont la face interne est recouverte d'une couche mince de composé boré. De tels chambres peuvent avoir une surface relativement grande (plusieurs décimètres) mais elles restent d'utilisation délicate. Leur sensibilité aux gerbes de rayons cosmique est notable. 20 Les tubes de détection à hélium 3 et à trifluorure de bore 10 sont d'un volume limité pour des raisons techniques. Ils ne peuvent détecter les neutrons émis que dans un angle solide faible. 25 -Le troisième procédé utilise le recul des noyaux d'hydrogène frappés par les neutrons rapides. Chaque noyau d'hydrogène devient un proton rapide ayant grosso modo la moitié de la vitesse du neutron incident. Ce proton dit « proton de recul » va ioniser le milieu qu'il va traverser. On peut utiliser un milieu solide, par exemple un matériau hydrogéné transparent, par 30 exemple une matière plastique et ajouter un composé scintillateur dans ledit milieu hydrogéné. Chaque neutron traversant le milieu va provoquer l'émission d'un ou plusieurs photons de lumière visible, et cette lumière pourra être captée par un photomultiplicateur. En théorie, on peut donc utiliser des blocs de matière hydrogénée scintillante d'une taille quelconque. Cependant l'augmentation de la taille des blocs de 35 matière scintillante va diminuer le rendement de détection des photons. En effet, ceux- ci devront subir de nombreuses réflexions internes avant d'atteindre les photomultiplicateurs. D'autre part, l'ensemble des blocs scintillants seront sensibles aux rayons cosmiques ou bien à la radioactivité ambiante. A l'aide de dispositifs bien 3034857 4 conçus, il devrait être possible de commencer à détecter des munitions enterrés avec ce système de détection des neutrons. Cependant, on se situe encore à la limite des possibilités de détection pratique. Pour utiliser les principes physiques détaillés ci-dessus de façon pratique, il est nécessaire d'améliorer la détection des neutrons à 5 l'aide du procédé constituant l'invention. On peut aussi détecter les neutrons en mesurant la radioactivité artificielle induite par la capture des neutrons par des noyaux stables possédant une grande section efficace de capture. Malheureusement, cette méthode n'est pas très efficace car les noyaux 10 radioactifs produits par la capture de neutrons sont dispersés dans une grande quantité de matière non radioactive. A titre d'exemple, on peut utiliser l'activation de l'argent ou du manganèse, dont la section efficace pour les neutrons thermiques est de 62 barns et 13 barns respectivement. 15 Le manganèse est un élément pratique : l'isotope majoritaire Mn 55 (100%) a une section efficace de 13 barns, et l'isotope Mn 56 formé une demi-vie de 2,59 heures. Il décroit avec émission de rayons bêta de 2,81 MeV; 1,04 MeV et 0,75 MeV et émission de rayons gamma de 0,8 MeV; 1,77 MeV et 2,06 MeV. Dans le cas du manganèse, on peut séparer les noyaux radioactifs des noyaux stables. 20 Juste après capture d'un neutron, le noyau excité de manganèse 56 se désexcite en émettant un ou plusieurs photons de haute énergie (8 MeV environ). Le recul du noyau est suffisant pour rompre une liaison chimique. (Effet Szilard-Chalmers) Si l'atome de manganèse se trouve dans un état de valence 7, par exemple dans du permanganate de sodium en solution, il va se retrouver éjecté de l'ion permanganate et va s'oxyder au 25 contact de l'eau, sous forme de bioxyde. (valence 4). L'oxyde de manganèse est insoluble, et ce composé va donc précipiter. La technique de l'art antérieur consiste à filtrer la solution de permanganate sur un papier filtre. On mesure ensuite la radioactivité du papier filtre. Les noyaux radioactifs sont donc séparés de la grande masse de noyaux qui n'ont pas réagi. La technique est 30 cependant fastidieuse et lente. On utilisera du permanganate de sodium, plutôt que du permanganate de potassium, de façon à diminuer le bruit de fond provoqué par adsorption du potassium 40 radioactif sur le matériel de détection. La concentration de la solution sera d'environ 670 g/I. 35 La présente invention est caractérisée par le fait que le bioxyde de manganèse radioactif formé lors de la capture de neutrons est séparé en continu de la solution de permanganate par différents moyens dont la description suit : 3034857 5 Dans une manière de réaliser l'invention, schématisée dans la figure 2, on utilise un filtre constitué d'un faisceau de fibres plastiques luminescentes de diamètre convenable.(2) Le faisceau de fibres est réuni par un collage à l'aide d'une résine transparente sur la fenêtre optique d'un tube photomultiplicateur.(1) Le faisceau de 5 fibres est tassé dans un récipient à usage d'entonnoir (5), réalisant un filtre (6). la solution de permanganate de sodium arrive en (3), et ladite solution percole à travers les fibres en abandonnant les nanoparticules de bioxyde de manganèse radioactives. Les rayons bêta et gamma émis provoquent l'émission de photons dans les fibres luminescentes. Ces photons sont guidés par les fibres jusqu'au photomultiplicateur et 10 les impulsions sont comptées. La solution de permanganate s'écoule en (7) et est repompée vers la cuve principale. Bien entendu, dans le cas d'une application industrielle, l'ensemble du circuit de circulation de la solution de permanganate sera clos. Les parties métalliques seront doublées par une matière plastique résistant au contact de la solution corrosive de permanganate. 15 La cuve principale peut être portée par un véhicule blindé. Elle n'a pas besoin d'être elle-même blindée. Par contre, Les filtres et le photomultiplicateur seront évidemment protégés des rayons cosmiques par un blindage de plomb convenable. 20 Dans une manière de réaliser l'invention, schématisée sur la figure 3, les fibres luminescentes sont tissées pour former un filtre conique ou tubulaire (2), Les fibres forment aussi un faisceau collé sur le tube photomultiplicateur (1). Ce filtre (5) est relevé autour du photomultiplicateur, et maintenu en place par un moyen adéquat, par exemple un joint torique. La solution de permanganate arrive en (4). Bien entendu, 25 dans le cas d'une application industrielle, l'ensemble du circuit de circulation de la solution de permanganate sera clos. Les parties métalliques seront doublées par une matière plastique résistant au contact de la solution corrosive de permanganate. Dans une manière de réaliser l'invention, schématisée sur la figure 4, on sépare les 30 nanoparticules radioactives par électroprécipitation. On utilise des brins de matière plastique luminescente (2), d'une rigidité suffisante pour demeurer en place dans la solution. Ces brins sont recouverts d'un couche de platine mince par dépôt sous vide suivi de galvonoplastie. Cette couche de platine est suffisamment mince pour laisser passer les rayons bêta et gamma, en leur adjoignant au passage des électrons 35 secondaires et des rayons X. On applique une tension convenable au moyen d'une électrode (4) elle aussi en platine. (Ou constituée d'un autre métal inaltérable dans les conditions d'utilisation) Les nanoparticules de bioxyde viennent se coller contre les brins (2). Le caractère semiconducteur du bioxyde fait que la fixation de celui-ci 3034857 6 n'interfère pas avec l'application de la tension d'électroprécipitation. Les brins sont collés à un photomultiplicateur (1) avant dépôt du platine. La solution arrive en 3 et quitte le récipient d'électroprécipitation en (5) 5 Dans une manière de réaliser l'invention, on peut utiliser non pas une seule cuve principale contenant le permanganate, mais une série d'une dizaine de cuves tubulaires posées sur une remorque. Chaque cuve contenant environ 100 litres. Une deuxième série de cuves est placée au dessus de la première, de façon perpendiculaire, chaque cuve est reliée à son propre filtre, ou bien à son propre 10 récipient d'électroprécipitation. On voit qu'il est possible de traiter très rapidement le contenu de chaque cuve. La présence d'une source de neutrons située sous l'intersection de deux cuves fera augmenter immédiatement le niveau des impulsions de comptage dans ces deux cuves spécifiquement. Le blindé tractant la remorque fera des stations d'environ une heure ou deux sur le terrain à déminer. Un algorithme de 15 l'art antérieur, traitant les données provenant de la vingtaine de cuves tubulaires pourra donner une image grossière de l'émission neutronique du sous-sol, presque en temps réel. (100 pixels). Le blindé tracteur pourra avantageusement être doté d'une programmation le faisant effectuer ses déplacements de manière automatique. Bien entendu, le nombre de cuves tubulaires n'est limité que par les possibilités de la 20 technique. On conçoit qu'en utilisant un véhicule suffisamment puissant, il soit possible de déminer un terrain d'une dizaine de mètres de coté, voire un peu plus. La vitesse de progression du véhicule, quelle que soit la sensibilité de la technique, sera limité par la période de décroissance du manganèse qui est de 2,59 heures. Le cuves sont exposées au rayonnement cosmique et à la radioactivité ambiante, mais 25 cela n'a aucune importance, ce qui ne serait pas le cas avec des compteurs de même surface utilisant les techniques de l'art antérieur (tubes à Hélium 3 ou bien plastiques scintillateurs au bore ou au lithium) Par contre, les filtres ou les récipients d'électroprécipitation correspondants à chaque cuve peuvent être réunis dans la même enceinte blindée en plomb. Ces dispositifs de mesure de la radioactivité des 30 nanoparticules interagiront relativement peu entre eux. Dans une manière de réaliser l'invention, schématisée sur la figure 5, on utilise une cuve rotative (3) recouverte intérieurement d'un enduit luminescent (5). La solution arrive en (2), tombe dans la cuve, forme un film le long de la paroi interne, en 35 abandonnant les nanoparticules de bioxyde contre l'enduit luminescent, puis ladite solution s'échappe tangentiellement pour s'écouler le long de le carter (6), et s'en échapper en (7). Le tambour de cette centrifugeuse est entraîné par le moteur (8) Les 3034857 7 photons (9) formés par l'interaction des radiations avec l'enduit luminescent vont frapper le photomultiplicateur (1). 5 Références : - L. Szilard and T. A. Chalmers (1934). "Chemical separation of the radioactive element from its bombarded isotope in the Fermi effect". Nature. 134: 462 10 15 20 25 30 35