Brevet FR3115610A1 — publié le 20220429

Dispositif de tomographie densitométrique par particules élémentaires, comportant : - un détecteur de particules élémentaires muni d’au moins deux plaques de détection ; - un module électronique de commande (6) connecté au détecteur de particules élémentaires et adapté à détecter la présence de particules élémentaires sur chacune des plaques de détection ; - un premier axe de visée dans lequel le détecteur de particules élémentaires présente une première acceptance ; - un deuxième axe de visée, non parallèle au premier axe de visée, dans lequel le détecteur de particules élémentaires présente une deuxième acceptance. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Dispositif et procédé de tomographie densitométrique par particules élémentaires L’invention concerne le domaine de la tomographie densitométrique qui est mise en œuvre pour détecter les différentes densités présentes par exemple dans le sol, dans des formations géologiques, ou dans des constructions. L’invention concerne plus particulièrement la tomographie densitométrique par particules élémentaires, tels que les muons. Les muons, particules élémentaires produites par la rencontre des rayons cosmiques avec la haute atmosphère terrestre, balayent les objets présents sur terre, jusque dans les sous-sols, et l’analyse des flux de muons traversant un objet est couramment employée pour réaliser une tomographie de cet objet. ART ANTÉRIEUR Le document « Theoretical sudies of in-situ rock density determinations using underground cormic-ray muon intensity measurements with application in mining geophysics », L. Malmqvist et al., Geophysics Vol.44, Nº9, September 1979; P.1549-1569, décrit la mise en œuvre de divers télescopes réalisés chacun par deux plaques de scintillateurs qui sont parallèles et en vis-à-vis l’une de l’autre. Chaque muon traversant les deux plaques de détection est pris en compte pour former une image représentative des différentes densités des objets ou du terrain traversés. Ce document décrit notamment l’influence de l’écartement des plaques de détection sur l’angle d’ouverture du détecteur ainsi formé et sur son acceptance, c’est-à-dire sa capacité à détecter les particules en provenance de différentes directions. Le document « Muon tomography: Plans for observations in the Lesser Antilles », Gibert, D., Beauducel, F., Déclais, Y., Lesparre, N., Marteau, J., Nicollin, F., & Tarantola, A. (2010), Earth, planets and space, 62(2), 153, décrit une méthodologie de tomographie tridimentionnelle par muons. Le document « Three-dimensional density structure of La Soufrière de Guadeloupe lava dome from simultaneous muon radiographies and gravity data », Rosas-Carbajal et al., Geophysical Research Letters, American Geophysical Union, 2017, 44 (13), pp.6743-6751, décrit le sondage d’un volcan par trois télescopes disposés autour du volcan. L’ouvrage de Nagamine, K. (2003) « Introductory muon science », Cambridge University Press, aborde les points techniques et applicatifs de la densitométrie par muons. L’invention a pour but d’améliorer les dispositifs de tomographie densitométrique de l’art antérieur. À cet effet, l’invention vise un dispositif de tomographie densitométrique par particules élémentaires, comportant : - un détecteur de particules élémentaires muni d’au moins deux plaques de détection ; - un module électronique de commande connecté au détecteur de particules élémentaires et adapté à détecter la présence de particules élémentaires sur chacune des plaques de détection. Dans ce dispositif, le détecteur de particules élémentaires comporte au moins : - un premier axe de visée dans lequel le détecteur de particules élémentaires présente une première acceptance ; - un deuxième axe de visée, non parallèle au premier axe de visée, dans lequel le détecteur de particules élémentaires présente une deuxième acceptance. Dans toute la description et les revendications, la notion d’axe de visée désigne une direction dans laquelle l’acceptance d’une paire de plaques de détection est maximale. Dans le cas courant de plaques de détection parallèles et situées en vis-à-vis l’une de l’autre, l’axe de visée est une direction normale aux plaques de détection. L’acceptance est ici définie comme la grandeur qui représente la capacité des détecteurs à collecter les particules élémentaires provenant d'un ensemble de directions. Cet ensemble de directions définit un « champ visuel » qui est généralement caractérisé par un angle solide (comme le champ visuel d'un œil). Plus l'angle solide est ouvert et plus on collecte de particules mais, dans ce cas, la direction des particules détectées est moins bien déterminée. On évite en général un angle solide trop ouvert pour garder une bonne directivité de détection (ce qui est préférable pour réaliser une tomographie fine des cibles). Pour compenser la diminution de l'angle solide, la surface du détecteur peut être augmentée. L'acceptance est le produit de ces deux paramètres : l’angle solide et la surface de détection. L'acceptance définie ci-dessus correspond à un détecteur parfait qui détecte toutes les particules. La notion d'acceptance peut être affinée si on considère l'efficacité de détection, c’est-à-dire si l’on prend en compte le fait que les détecteurs échouent à détecter certains passages de particules pour diverses raisons (temps morts de l'électronique, imperfections des photomultiplicateurs, des fibres optiques, des scintillateurs, etc.). On peut ainsi également considérer l’acceptance efficace qui serait égale au produit de l’angle solide évoqué, de la surface de détection, et d’un coefficient d’efficacité des détecteurs de particules. Optionnellement, Certains détecteurs de particules (appelés « détecteurs sandwichs ») peuvent être utilisés. Ces détecteurs permettent de déterminer directement ce coefficient d’efficacité en exploitant une redondance dans les moyens de détection. Un autre objet de l’invention vise un procédé de tomographie densitométrique par particules élémentaires comportant la détection de flux de particules élémentaires traversant au moins un ensemble d’au moins deux plaques de détection, ce procédé comportant les étapes suivantes : - détecter un flux de particules élémentaires selon un premier axe de visée relatif à une première acceptance ; - détecter un flux de particules élémentaires selon un deuxième axe de visée, non parallèle au premier axe de visée, relatif à une deuxième acceptance qui est différente de la première acceptance. Le dispositif et le procédé selon l’invention mettent en œuvre différents axes de visée correspondant chacun à une acceptance différente. Le dispositif selon l’invention peut être adapté à un milieu particulier de mise en œuvre en adaptant les différents axes de visée et leur acceptance correspondante. Par exemple, le flux de particules selon un axe de visée zénithal est bien plus important que le flux de particules selon un axe de visée proche de l’horizontale. Dans ce cas, le détecteur de particules peut comporter un axe de visée zénithal avec une acceptance moindre que celle d’un axe de visée proche de l’horizontale. Le dispositif de tomographie présente ainsi une acceptance adaptative permettant tout d’abord d’adapter l’acceptance à un axe de visée particulier et donc au flux de particules correspondant à cet axe de visée, et permettant de plus d’établir des correspondances entre les flux de particules captés suivant les différents axes de visée. Le caractère adaptatif des acceptances correspondant aux différents axes de visée est particulièrement adapté à un dispositif de tomographie mobile tel que ceux montés dans certains tunneliers. Le dispositif de tomographie selon l’invention permet de produire des données de qualité statistique identique pour toutes les directions visées, le caractère adaptatif de l’acceptance permettant d’obtenir un rapport signal bruit similaire pour toutes ces directions. Le dispositif selon l’invention peut comporter les caractéristiques additionnelles suivantes, seules ou en combinaison : – le deuxième axe de visée est plus proche de la direction zénithale que le premier axe de visée et la première acceptance est supérieure à la deuxième acceptance ; – le module électronique de commande est adapté à calibrer, notamment de manière continue, les informations de flux de particules élémentaires reçues selon le premier axe de visée sur la base des informations de flux de particules élémentaires reçues selon le deuxième axe de visée ; – le détecteur de particules élémentaires comporte un châssis dans lequel est monté au moins : un premier ensemble de plaques de détection parallèles orientées angulairement selon le premier axe de visée ; un deuxième ensemble de plaques de détection parallèles orienté angulairement selon le deuxième axe de visée ; – dans le premier ensemble de plaques de détection parallèles, les plaques de détection sont d’une surface supérieure à celle des plaques de détection du deuxième ensemble de plaques de détection parallèles ; – dans le premier ensemble de plaques de détection parallèle, l’écartement des plaques de détection est supérieur à l’écartement des plaques de détection du deuxième ensemble de plaques de détection parallèles ; – le détecteur de particules élémentaires comporte en outre des ensembles supplémentaires de plaques de détection parallèles présentant chacun une acceptance différente des autres ensembles de plaques de détection parallèles, ces ensembles supplémentaires de plaques de détection parallèles correspondant chacun à un axe de visée situé angulairement entre le premier axe de visée et le deuxième axe de visée ; – les différents ensembles de plaques de détection parallèles sont imbriqués ; – le détecteur de particules élémentaires comporte un châssis mobile en rotation autour d’un axe, un ensemble d’au moins deux plaques de détection parallèles étant monté sur le châssis ; et le module électronique de commande est adapté à commander le pivotement du châssis autour de l’axe et orienter l’ensemble d’au moins deux plaques de détection parallèles alternativement selon le premier axe de visée avec un premier temps d’exposition, et selon le deuxième axe de visée avec un deuxième temps d’exposition ; – le dispositif électronique de commande est adapté à commander le pivotement du châssis en oscillation continue entre les positions correspondant au premier axe de visée et au deuxième axe de visée ; – le dispositif électronique de commande est adapté à commander le pivotement du châssis : aux alentours de la position correspondant au premier axe de visée, selon une première vitesse de pivotement ; et aux alentours de la position correspondant au deuxième axe de visée, selon une deuxième vitesse de pivotement, supérieure à la première vitesse de pivotement ; – le dispositif électronique de commande est adapté à commander le pivotement du châssis selon une première position discrète correspondant au premier axe de visée et selon une deuxième position discrète correspondant au deuxième axe de visée ; – le dispositif électronique de commande est adapté à maintenir le châssis plus longtemps dans la première position discrète que dans la deuxième position discrète ; – le module électronique de commande est en outre adapté à commander le pivotement du châssis suivant des positions angulaires supplémentaires correspondant chacune à un axe de visée supplémentaire situé angulairement entre le premier axe de visée et le deuxième axe de visée, et présentant une acceptance différente des autres axe de visée ; – le détecteur de particules élémentaires est un détecteur de muons. Le procédé selon l’invention peut comporter les caractéristiques additionnelles suivantes, seules ou en combinaison : – le procédé comporte en outre l’étape de calibrer les informations de flux de particules élémentaires reçues selon le premier axe de visée sur la base des informations de flux de particules élémentaires reçues selon le deuxième axe de visée ; – les particules élémentaires détectées sont des muons. PRÉSENTATION DES FIGURES D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - La illustre un dispositif de tomographie densitométrique par particules selon un premier mode de réalisation de l’invention ; - La illustre un dispositif de tomographie densitométrique par particules selon un deuxième mode de réalisation de l’invention ; - La illustre un dispositif de tomographie densitométrique par particules selon un troisième mode de réalisation de l’invention ; - La illustre un dispositif de tomographie densitométrique par particules selon un quatrième mode de réalisation de l’invention ; - La représente schématiquement les acceptances relatives au dispositif de la . Dispositif de tomographie densitométrique par particules élémentaires, comportant : - un détecteur de particules élémentaires muni d’au moins deux plaques de détection ; - un module électronique de commande (6) connecté au détecteur de particules élémentaires et adapté à détecter la présence de particules élémentaires sur chacune des plaques de détection ; caractérisé en ce que le détecteur de particules élémentaires comporte au moins : - un premier axe de visée dans lequel le détecteur de particules élémentaires présente une première acceptance ; - un deuxième axe de visée, non parallèle au premier axe de visée, dans lequel le détecteur de particules élémentaires présente une deuxième acceptance. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième axe de visée est plus proche de la direction zénithale que le premier axe de visée et la première acceptance est supérieure à la deuxième acceptance. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le module électronique de commande (6) est adapté à calibrer, notamment de manière continue, les informations de flux de particules élémentaires reçues selon le premier axe de visée sur la base des informations de flux de particules élémentaires reçues selon le deuxième axe de visée. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le détecteur de particules élémentaires comporte un châssis dans lequel est monté au moins : - un premier ensemble de plaques de détection parallèles (1A, 1B) orientées angulairement selon le premier axe de visée (L1) ; - un deuxième ensemble de plaques de détection parallèles (5A, 5B) orienté angulairement selon le deuxième axe de visée (L5). Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que, dans le premier ensemble de plaques de détection parallèles (1A, 1B), les plaques de détection sont d’une surface supérieure à celle des plaques de détection du deuxième ensemble de plaques de détection parallèles (5A, 5B). Dispositif selon l’une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que, dans le premier ensemble de plaques de détection parallèle (1A, 1B), l’écartement des plaques de détection est supérieur à l’écartement des plaques de détection du deuxième ensemble de plaques de détection parallèles (5A, 5B). Dispositif selon l’une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le détecteur de particules élémentaires comporte en outre des ensembles supplémentaires de plaques de détection parallèles (2A, 2B ; 3A, 3B ; 4A, 4B) présentant chacun une acceptance différente des autres ensembles de plaques de détection parallèles, ces ensembles supplémentaires de plaques de détection parallèles correspondant chacun à un axe de visée (L2, L3, L4) situé angulairement entre le premier axe de visée (L1) et le deuxième axe de visée (L2). Dispositif selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que les différents ensembles de plaques de détection parallèles sont imbriqués. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que : - le détecteur de particules élémentaires comporte un châssis mobile en rotation autour d’un axe (7), un ensemble d’au moins deux plaques de détection parallèles (8A, 8B) étant monté sur le châssis ; - le module électronique de commande (6) est adapté à commander le pivotement du châssis autour de l’axe (7) et orienter l’ensemble d’au moins deux plaques de détection parallèles (8A, 8B) alternativement selon le premier axe de visée (L8) avec un premier temps d’exposition, et selon le deuxième axe de visée (L8’) avec un deuxième temps d’exposition. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le module électronique de commande est adapté à commander le pivotement du châssis en oscillation continue entre les positions correspondant au premier axe de visée (L8) et au deuxième axe de visée (L8’). Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le module électronique de commande (6) est adapté à commander le pivotement du châssis : - aux alentours de la position correspondant au premier axe de visée (L8), selon une première vitesse de pivotement ; - aux alentours de la position correspondant au deuxième axe de visée (L8’), selon une deuxième vitesse de pivotement, supérieure à la première vitesse de pivotement. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le module électronique de commande (6) est adapté à commander le pivotement du châssis selon une première position discrète correspondant au premier axe de visée (L8) et selon une deuxième position discrète correspondant au deuxième axe de visée (L8’). Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le module électronique de commande est adapté à maintenir le châssis plus longtemps dans la première position discrète que dans la deuxième position discrète. Dispositif selon l’une des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que le module électronique de commande (6) est en outre adapté à commander le pivotement du châssis suivant des positions angulaires supplémentaires correspondant chacune à un axe de visée supplémentaire situé angulairement entre le premier axe de visée (L8) et le deuxième axe de visée (L8’), et présentant une acceptance différente des autres axe de visée. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le détecteur de particules élémentaires est un détecteur de muons. Procédé de tomographie densitométrique par particules élémentaires comportant la détection de flux de particules élémentaires traversant au moins un ensemble d’au moins deux plaques de détection parallèles, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes : - détecter un flux de particules élémentaires selon un premier axe de visée relatif à une première acceptance ; - détecter un flux de particules élémentaires selon un deuxième axe de visée, non parallèle au premier axe de visée, relatif à une deuxième acceptance qui est différente de la première acceptance. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce qu’il comporte en outre l’étape de calibrer les informations de flux de particules élémentaires reçues selon le premier axe de visée sur la base des informations de flux de particules élémentaires reçues selon le deuxième axe de visée. Procédé selon l’une des revendications 16 ou 17, caractérisé en ce que les particules élémentaires détectées sont des muons.