BR122019027691B1 - Sistema de inspeção para medir diversas assinaturas de fissão - Google Patents

Abstract

a presente especificação apresenta um sistema para detectar material nuclear baseado em ao menos uma fonte de radiação de sondagem e nas assinaturas de radiação geradas a partir da interrogação de um objeto sob inspeção. além disso, a presente especificação descreve um detector de limiar de ativação capaz de detectar nêutrons rápidos, por intermédio da ativação, após a radiação de blindagem da fonte ter terminado. o detector de limiar de ativação pode ser fabricado a partir de fluorocarbonos que permitem a detecção de radiação beta e raios-gama.

Description

REFERÊNCIA A PEDIDOS DE PATENTE CORRELATOS

[001] A presente especificação baseia-se no Pedido de Patente Provisório US No. 61/308.254, depositado em 25 de fevereiro de 2010, para prioridade, e está aqui incorporado por referência na sua totalidade. Além disso, a presente especificação também se baseia no Pedido de Patente Provisório US No. 61/313.200, depositado em 12 de março de 2010, para prioridade, e está aqui incorporado por referência na sua totalidade.

CAMPO DA INVENÇÃO

[002] A presente invenção refere-se a sistemas e métodos para detectar material nuclear e, especificamente, para detectar material nuclear em mercadorias, caminhões, containeres, ou outras estruturas que utilizam radiação de estimulação múltipla e assinaturas de fissão. Mais especificamente, a presente invenção incorpora a detecção de material nuclear pela medição de nêutrons rápidos liberados a partir de eventos de fissão induzidos no material nuclear por sondas de radiação.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[003] A ameaça de material nuclear e contrabando de dispositivos nucleares exige uma inspeção não-intrusiva rápida e confiável de todos os tipos de meios de transporte, tais como containeres e mercadorias no mar e aeroportos ou caminhões em portos terrestres de entrada. A detecção da emissão espontânea de radiação a partir de material nuclear tem limitações conhecidas, as quais podem ser superadas mediante utilização de interrogação ativa. Interrogação ativa tipicamente utiliza feixes estreitos ou largos de sondas de penetração tais como nêutrons ou raios- X (radiação de estimulação) para estimular fissões no material nuclear, se existir.

[004] Convencionalmente, material nuclear é detectado pela exposição de um container a radiação, tal como radiação de raios-X ou nêutrons, e indução de fissão por interação da radiação com o material nuclear, denominado de foto-fissão ou fissão de nêutrons, respectivamente. O processo de fissão faz com que o material nuclear emita múltiplas assinaturas de penetração tais como Nêutrons Rápidos, Nêutrons Retardados, raios-gama Rápidos e raios- gama Retardados. No passado, muitos sistemas foram projetados para detectar eventos de fissão pela detecção da assinatura de nêutrons retardados utilizando conjuntos de detectores posicionados externamente ao container irradiado. Nêutrons retardados, contudo, embora um indicador único da ocorrência de fissão, são muito poucos e de baixa energia, reduzindo deste modo severamente a eficácia do sistema de inspeção, especialmente para mercadorias hidrogenadas. Em alguns casos, a única assinatura de fissão medida é aquela devida aos raios-gama retardados. Esta assinatura pode ser altamente atenuada em mercadorias metálicas. Nestes casos, é muito mais desejável detectar nêutrons rápidos de fissão, os quais são mais abundantes e penetrantes. Contudo, os nêutrons rápidos de fissão são produzidos em virtualmente o mesmo tempo que os bem mais numerosos tipos de radiação de sondagem (radiação de estimulação) incidentes sobre o material nuclear que blindam todos os detectores. Geralmente, quando os detectores se restauram, não existe qualquer assinatura de nêutrons rápidos.

[005] Consequentemente, existe a necessidade de métodos e sistemas aperfeiçoados para detectar material nuclear que não dependam somente de uma assinatura, mas de múltiplas assinaturas onde as vulnerabilidades de uma assinatura são atenuadas pelo apoio das outras. De modo similar, múltiplos tipos de radiação de sondagem, tais como raios-X e nêutrons usados separadamente ou em série tornam o sistema de inspeção bem mais sensível para material nuclear escondido em toda a ampla gama de mercadorias encontradas no comércio.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[006] A presente especificação apresenta um sistema para medir diversas assinaturas de fissão, que compreende uma fonte de radiação, onde a referida fonte de radiação está configurada para produzir radiação e direcionar a referida radiação na direção de um objeto sob inspeção, onde a referida radiação induz fissão em qualquer material nuclear que possa existir no objeto; um primeiro detector onde o tipo do referido primeiro detector é ao menos um dentre um detector de limiar de ativação, um detector cintilador plástico, um detector moderado de He-3, ou um detector de substituição equivalente de He-3; e um segundo detector onde o tipo do referido segundo detector é ao menos um dentre um detector de limiar de ativação, um detector cintilador plástico, um detector moderado de He-3, ou um detector substituto equivalente de He-3.

[007] Opcionalmente, o primeiro detector e o segundo detector estão posicionados em lados opostos do objeto. Um dos referido primeiro detector e referido segundo detector está posicionado para detectar radiação que seja emitida a partir do objeto em ângulos para trás em relação à radiação produzida pela fonte de radiação. O primeiro detector está posicionado acima do objeto. O segundo detector está posicionado sobre um lado do objeto. O primeiro detector está posicionado abaixo do objeto. O segundo detector está posicionado sobre um lado do objeto.

[008] Opcionalmente, a fonte de radiação é um acelerador linear com uma energia na faixa de 6 MeV a 9 MeV. O sistema compreende ainda um material indutor de nêutrons posicionado entre a fonte de radiação e o objeto, onde o referido material indutor de nêutrons converte alguma da radiação emanada da fonte de radiação em uma fonte de nêutrons. A fonte de nêutrons tem uma energia de aproximadamente 2,5 MeV. O material indutor de nêutrons é água pesada ou berílio. A radiação é ao menos uma dentre raios-X, raios-gama monoenergéticos, ou raios-gama com uma banda estreita de energia. O detector de limiar de ativação compreende ao menos um material de limiar de ativação de nêutrons para detectar nêutrons de fissão rápidos de elevada energia. Ao menos um material de limiar de ativação de nêutrons inclui ao menos um composto que contém flúor. As diversas assinaturas de fissão incluem ao menos uma dentre nêutrons rápidos, raios-gama retardados, ou nêutrons retardados de fissão. O sistema compreende ainda uma fonte de radiação de raios-X e detectores de transmissão para interrogar o objeto com raios-X e detectar raios-X transmitidos através do objeto.

[009] Em outra modalidade, o sistema de inspeção mede diversas assinaturas de fissão mediante utilização de uma fonte de radiação, onde a referida fonte de radiação produz radiação direcionada na direção de um objeto sob inspeção e induz fissão em qualquer material nuclear que possa existir no objeto; e um detector de limiar de ativação, que compreende ao menos um material de limiar de ativação onde o referido material de limiar de ativação é também um cintilador e ao menos um detector para detectar radiação beta resultante da ativação do material de limiar de ativação por nêutrons rápidos de fissão.

[0010] Opcionalmente, o material de limiar de ativação ou cintilador compreende compostos que contêm flúor. Os compostos que contêm flúor compreendem um fluorocarbono líquido. O detector de limiar de ativação compreende diversas peças de detectores, onde as referidas diversas peças de detectores estão configuradas combinadas para funcionar como um detector de área elevada. O detector de limiar de ativação compreende um detector de área elevada.

[0011] As modalidades acima mencionadas e outras modalidades da presente invenção serão descritas em maior profundidade nos desenhos e descrição detalhada fornecida abaixo.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0012] Estas e outras características e vantagens da presente invenção serão adicionalmente apreciadas, à medida que se tornarem mais bem conhecidas por referência à descrição detalhada quando consideradas em conexão com os desenhos anexos: a FIG. 1 é uma ilustração em diagrama de blocos de uma modalidade do sistema de detecção nuclear da presente invenção; a FIG. 2A é uma ilustração de um detector de limiar de ativação de detecção externa com uma substância de ativação e um detector de raios-gama separado; a FIG. 2B é uma ilustração de um detector de limiar de ativação de auto-detecção no qual a substância de ativação é também um cintilador; a FIG. 2C mostra um TAD cilíndrico fabricado à base de flúor, onde o cintilador é também a substância de ativação, visto por dois fotomultiplicadores de 12,70 cm x 25,40 cm; a FIG. 2D mostra uma "peça" única fabricada de detector de limiar de ativação à base de flúor, usada no sistema de inspeção da presente invenção, tendo dimensões de 40 cm x 40 cm x 20 cm; a FIG. 2E é uma ilustração esquemática de um sistema de inspeção exemplificativo que utiliza os detectores de limiar de ativação (TAD) da presente invenção; a FIG. 2F é um gráfico que mostra o espectro de raios-beta induzidos por nêutrons de fissão provenientes de uma fonte de 252Cf; a FIG. 2G é uma ilustração gráfica de um TAD à base de flúor, que mostra um espectro de energia típico para o detector de fluorocarbono após irradiação de urânio com uma fonte de foto-fissão; a FIG. 2H é uma tabela que mostra isótopos exemplificativos que podem ser utilizados com os detectores de limiar de ativação da presente invenção; a FIG. 3 é uma tabela que mostra diversos parâmetros associados às modalidades da presente invenção; a FIG. 4A é uma ilustração esquemática que mostra um sistema de varredura no qual o sistema baseado em múltiplas assinaturas de foto-fissão de raios-X da presente invenção é implementado; a FIG. 4B é uma ilustração tridimensional que mostra um sistema de varredura no qual o sistema baseado em múltiplas assinaturas de foto-fissão de raios-X da presente invenção é implementado; e a FIG. 5 é um diagrama tridimensional que mostra um sistema de varredura com a detecção de múltiplas assinaturas da presente invenção implementado em um sistema de inspeção combinado e simultâneo de foto-fissão de raios- X/foto-nêutrons.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0013] A presente invenção refere-se a múltiplas modalidades de sistema para detectar material nuclear baseado em ao menos uma fonte de radiação de sondagem e em diversas assinaturas de radiação. A descrição a seguir é fornecida com a finalidade de permitir que uma pessoa versada na técnica concretize a invenção. A linguagem usada nesta especificação não deverá ser interpretada como uma rejeição a qualquer modalidade específica ou usada para limitar as reivindicações para além do significado dos termos usados aqui. Os princípios gerais definidos aqui podem ser aplicados a outras modalidades e aplicações sem divergir do espírito e âmbito da invenção. Do mesmo modo, a terminologia e fraseologia usadas têm a finalidade de descrever modalidades exemplificativas e não devem ser consideradas limitativas. Portanto, deverá ser concedido à presente invenção o mais amplo âmbito que englobe numerosas alternativas, modificações e equivalentes consistentes com os princípios e características reveladas. Para fins de clareza, detalhes referentes ao material técnico que seja conhecido nos campos técnicos relacionados com a invenção não são descritos em detalhe de modo a não obscurecer desnecessariamente a presente invenção.

[0014] Como mostrado na FIG. 1, em uma modalidade, o sistema de inspeção de raios-X 100 da presente invenção compreende uma fonte de raios-X de alta energia 101, tal como um acelerador linear (linac) de elétrons tipicamente com energia de 6 a 9 MeV. Pessoas versadas na técnica deverão observar que quanto mais elevada a energia da fonte, mais sensível a material nuclear o sistema 100 se torna. Além disso, a fonte inclui blindagem e colimação adequadas, que dependem da natureza da fonte, como é bem conhecido por aqueles versados na técnica. A radiação de sondagem 105 que emana da fonte 101 e direcionada na direção do objeto 107 induz fissão por intermédio do processo de foto-fissão em qualquer material nuclear que possa existir no objeto 107. Em uma modalidade, o objeto 107 é um objeto de inspeção estacionário ou em movimento tal como um caminhão, container de navio, container de mercadorias e similares.

[0015] Em outra modalidade, uma sonda de nêutrons rápidos e sonda de raios-X estão integradas para melhorar a sensibilidade de detecção em todos os tipos de mercadorias. Raios-X penetram muito bem em material orgânico ou hidrogenado (por exemplo, alimentos, lã, plástico, etc.) e não tão bem em mercadorias metálicas densas. Por outro lado, nêutrons rápidos penetram bem em mercadorias metálicas, mas não tão bem em mercadorias hidrogenadas. Portanto, ao combinar estas duas diferentes fontes de sondagem, nêutrons rápidos e raios-X, e simultânea ou sequencialmente inspecionar o mesmo meio de transporte utilizando estas duas diferentes fontes, o sistema de inspeção da presente invenção pode alcançar elevada sensibilidade sobre todos os tipos de mercadorias.

[0016] Pessoas versadas na técnica deverão entender que nêutrons podem ser gerados pela bem conhecida reação foto- nuclear de raios-X de alta energia com materiais que possuem um baixo limiar de energia para a reação de foto- nêutrons, tal como água pesada (que é água onde o hidrogênio é substituído pelo seu isótopo que ocorre naturalmente, deutério), berílio, ou quaisquer outros materiais adequados conhecidos na técnica.

[0017] Com referência novamente à FIG. 1, em uma modalidade, um material de conversão ou de indução de nêutrons 108 circunda, está próximo a, está adjacente a ou está de outro modo posicionado em frente à fonte de raios-X 101 (no elemento alvo de raios-X, tal como tungstênio - onde a intensidade é a mais elevada), como resultado do que uma pequena fração dos raios-X é convertida em uma intensa fonte de nêutrons (em excesso de 1011 n/s para acelerador linear de elétrons de 100 μA 9 MeV) com a maioria dos nêutrons tendo energia inferior a 3 MeV. Isto permite interrogação simultânea de mercadorias 107 com duas sondas de irradiação altamente complementares: raios-X e nêutrons rápidos, utilizando a mesma fonte de radiação (tal como um acelerador linear de elétrons comercial, como descrito acima).

[0018] O sistema de raios-X 100 compreende ainda conjuntos de detectores 102, 103, 104, que em uma modalidade estão localizados em torno de três lados (em frente, atrás, ou na parte superior) do objeto inspecionado 107. Em uma modalidade, os conjuntos de detectores 102 estão posicionados próximos à fonte de radiação 101 e detectam qualquer radiação que seja emitida a partir do objeto a ângulos para trás em relação ao feixe de sondagem. Em uma modalidade, os detectores 102 estão localizados adjacentes a e em lados laterais da fonte de radiação 101. Em uma modalidade, os detectores 103 estão posicionados acima ou abaixo do objeto sob inspeção. Em uma modalidade, os detectores 104 estão localizados no lado oposto do objeto como a fonte e servem para detectar radiação emitida nos ângulos para a frente em relação à direção do feixe de sondagem. Portanto, quando a radiação 105 é direcionada na direção do container 107, se existirem materiais nucleares, então os nêutrons rápidos, raios-gama retardados e nêutrons retardados de fissão resultantes 106 atravessam e podem ser detectados pelos conjuntos de detectores 102, 103 e 104.

[0019] Em uma modalidade, os conjuntos de detectores 102, 103 e 104 compreendem materiais de limiar de ativação de nêutrons que são usados para detectar os nêutrons mais penetrantes de maior energia, os quais são muito mais prolíficos que assinaturas de fissão de nêutrons retardados bem depois do processo de fissão e qualquer sobrecarga resultante da fonte de blindagem de raios-X.

[0020] Em uma modalidade, materiais de limiar de ativação de nêutrons incluem compostos que contêm flúor, os quais são ativados por nêutrons de fissão (com uma energia acima de 3 MeV no caso de flúor) que produzem um material radioativo de vida curta (nitrogênio-16, um isótopo de nitrogênio com uma meia-vida de 7,1 s no caso de flúor) que decai por emissão de partículas beta todas as vezes e frequentemente raios-gama (como no caso com flúor) que podem ser detectadas por um detector adequado, tal como o detector de limiar de ativação único descrito no Pedido de Patente Provisório dos Estados Unidos Número 61/313.200, pelo Requerente da presente invenção, o qual é aqui incorporado por referência na sua totalidade, mas não se limitam a estes. O detector de limiar de ativação de fluorocarbono utilizado na modalidade preferida é também um detector eficiente de raios-gama e, portanto, também detecta os raios-gama retardados de fissão.

[0021] Em outra modalidade, os conjuntos de detectores 102, 103 e 104 incluem opcionalmente alguns detectores cintiladores plásticos de baixo custo que detectam apenas raios-gama retardados de fissão.

[0022] Em outra modalidade, os conjuntos de detectores 102, 103 e 104 incluem opcionalmente detectores moderados de He-3 ou um substituto equivalente. Tal modalidade de um detector adequado é descrito no Pedido de Patente copendente dos Estados Unidos Número 12/976.861, que é também atribuído ao Requerente da presente invenção e aqui incorporado por referência na sua totalidade.

[0023] Deverá ser observado que os conjuntos de detectores 102, 103 e 104 compreendem ao menos um dentre, e em algumas modalidades uma combinação de, detectores cintiladores plásticos, detectores de fluorocarbono, detectores moderados de He-3 ou substitutos equivalentes de He-3 ou qualquer outro detector adequado para a presente invenção que dependa da fonte e dos requisitos de detecção.

[0024] A utilização de um detector de limiar de ativação (TAD) é vantajosa devido à sua capacidade de detectar nêutrons rápidos, por intermédio da ativação, bem depois da radiação de blindagem da fonte ter parado. Uma fonte pulsada típica (por exemplo, de raios-X ou nêutrons) pode ter uma largura de uns poucos microssegundos a milissegundos, com uma taxa de repetição de algumas vezes por segundo a centenas ou milhares de vezes por segundo. Os intervalos de tempo entre pulsos proporciona tempo suficiente para os detectores se recuperarem da sobrecarga que pode ocorrer durante o pulso e para coletar um amplo sinal de ativação. Os materiais de ativação do TAD são selecionados para terem meias-vidas variando de um segundo a dezenas de segundos. O material de ativação é também selecionado para ter um elevado limiar de energia de modo a ser ativado apenas pelos nêutrons de interesse (por exemplo, os nêutrons rápidos de fissão de mais alta energia) e não pelos numerosos nêutrons de baixa energia que se originam direta ou indiretamente da fonte. O sistema TAD permite que as medições sejam realizadas in loco ou o material ativado seja rapidamente transferido para um local onde a radiação de fundo seja muito baixa, o que aumenta ainda mais a sensibilidade da detecção.

[0025] Em uma modalidade o detector de limiar de ativação (TAD) é uma substância de ativação (tal como Teflon, mas não limitada a esta) com um detector separado de raios-gama (tal como detectores cintiladores de NaI que são geralmente utilizados para detectar, entre pulsos de feixes, os raios-gama de captura térmica de nêutrons) para detectar os raios-gama emitidos pelo material ativado. Com referência agora à FIG. 2A, em uma configuração detectada externamente, o detector de limiar de ativação 200 da presente invenção compreende ao menos uma "haste" de material de limiar de ativação 204 imersa, por exemplo, em uma substância cintiladora 206 vista por um ou mais fotomultiplicadores 202 para detectar a radiação-beta 207 resultante da ativação do material de limiar de ativação/TAD 204 por nêutrons rápidos de fissão 205.

[0026] Em outra modalidade, a substância de ativação é também um cintilador, tal como alguns fluorocarbonos líquidos (C6F6), BaF2, CaF2, mas sem se limitar a estes, que permitem deste modo a detecção da atividade beta com eficiência próxima a 100% e também dos raios-gama, mas com menor eficiência, dependendo do tamanho do detector. Com referência agora à FIG. 2B, em uma configuração auto- detectada, o detector de limiar de ativação 210 da presente invenção compreende um tubo fotomultiplicador 212 para alojar um cintilador 214 que é capaz de detectar tanto atividade beta como raios-gama. Portanto, em uma modalidade, o detector de limiar de atividade utiliza um contador de cintilação de fluorocarbono e os nêutrons rápidos ativam o próprio material do detector. Os produtos de ativação emitem partículas beta com uma meia-vida de 7,1 segundos e são detectados com uma eficiência muito elevada bem após a radiação de blindagem da sonda de radiação ter terminado.

[0027] A FIG. 2C mostra um TAD cilíndrico fabricado à base de flúor 220, onde o cintilador é também a substância de ativação, vista por dois fotomultiplicadores de 12,70 cm x 25,40 cm 222 sobre uma grade de madeira 224.

[0028] A FIG. 2D mostra uma "peça" única fabricada 225 de um detector de limiar de ativação à base de flúor, usada no sistema de inspeção da presente invenção, com as dimensões de 40 cm x 40 cm x 20 cm, a qual, em uma modalidade, pode ser feita dentro de um detector de área suficientemente grande (cobrindo, por exemplo, mais que 2,56 m2) que compreende 16 "peças"225 para garantir elevada eficiência do detector, deste modo aumentando ainda mais a sensibilidade de detecção e a velocidade de medição. Em outra modalidade, as "peças"do detector 225 podem também compreender cintilador plástico de baixo custo da mesma dimensão.

[0029] A FIG. 2E é uma ilustração esquemática de um sistema de inspeção exemplificativo que utiliza os detectores de limiar de ativação (TAD) da presente invenção. Como mostrado na FIG. 2E, o sistema de inspeção exemplificativo 240 compreende uma fonte de interrogação 241 e um detector de nêutrons rápidos de fissão 245, o qual, em uma modalidade, é um detector de limiar de ativação (TAD). A fonte de interrogação 241 produz radiação de interrogação 242. Em uma modalidade, a radiação de interrogação 242 é uma radiação que compreende nêutrons cuja maioria tem energia < 3 MeV. Em outra modalidade, a radiação de interrogação 242 é uma radiação que compreende raios-X que têm energia < 9,0 MeV. Em ainda outra modalidade, a radiação de interrogação 242 compreende tanto nêutrons cuja maioria tem energia ^ 3 MeV como raios-X com energia < 9,0MeV. A radiação de interrogação é direcionada na direção de um container 243, o qual pode ou não conter material nuclear 244. Logo que a radiação de interrogação 242 é direcionada na direção do container 243, se existirem materiais nucleares 244, então os nêutrons rápidos de fissão resultantes atravessam e são detectados pelo TAD 245, visto por dois fotomultiplicadores 246. Em uma modalidade, quando o material do TAD for também um cintilador tal como o detector cintilador de fluorocarbono líquido, o mesmo conjunto de detectores usado para detectar nêutrons rápidos é usado para também detectar raios-gama retardados. As assinaturas de nêutrons rápidos e de raios- gama são distinguíveis por meio dos seus espectros de energia medidos.

[0030] A FIG. 2F é um gráfico que mostra o espectro de raios-beta induzidos por nêutrons de fissão a partir de uma fonte de 252Cf. O espectro exemplificativo 250 foi obtido pela repetição de exposições de 10 s do detector de fluorocarbono a uma fonte de 252Cf seguidas por uma medição de 10 s enquanto a fonte estava inativa. As duas protuberâncias amplas 251, 253 no espectro 250 na FIG. 2F representa principalmente a superposição dos dois espectros de energia beta com uma energia limite de 4,3 e 10,4 MeV, respectivamente.

[0031] A FIG. 2G mostra a medição efetiva da resposta de TAD à base de flúor à foto-fissão induzida por um acelerador linear de raios-X de 9 MeV em urânio 263. É também mostrado o espectro de energia beta de decaimento de ativação por nêutrons rápidos 261 para o detector de fluorocarbono após irradiação com uma fonte de fissão, similar ao espectro 250 mostrado na FIG. 2F. O detector de fluorocarbono líquido utiliza a reação 19F(n,α)16N. Quando um nêutron rápido interage com flúor, são produzidos uma partícula alfa e um átomo de 16N excitado. Com referência novamente à FIG. 2F, 16N decai com uma meia-vida de 7,1 s e produz dois espectros beta de alta energia 251, 253 (4,3 MeV 67% do tempo e 10,4 MeV 28% do tempo) e um raio-gama de 6,1 MeV 67% do tempo, os quais são todos facilmente detectáveis.

[0032] Com referência de volta à FIG. 2G, o espectro 263 contém uma contribuição do espectro amplo de dispersão Compton dos raios-gama de 6,1 MeV e partículas beta de 4,84 MeV provenientes da reação 19F(n,p)19O.

[0033] O espectro de energia exponencialmente decrescente dos raios-gama retardados de fissão é também mostrado, 262. É medido junto com a ativação de 19F(n,α) entre os pulsos do acelerador linear de 9 MV. Neste modo de funcionamento, o acelerador linear é pulsado 20 a 100 pulsos por segundo; cada pulso tem tipicamente 2-4 μs de largura. Os raios-gama retardados de fissão e a ativação de flúor do próprio detector de fluorocarbono são coletados entre os pulsos.

[0034] O espectro observado combinado da fissão em urânio em fluorocarbono é mostrado pela curva 263, e é a soma do espectro de raios-gama retardados, mostrado como a curva 262, e o espectro de ativação de nêutrons rápidos, mostrado como a curva 261. A curva 263 é um espectro exponencialmente decrescente com uma ampla protuberância que se inicia em aproximadamente 5,5 MeV e termina em aproximadamente 10,4 MeV. Quando o espectro de 252Cf de "dupla protuberância" é normalizado para o espectro anterior acima de 7 MeV e subtraído do último, a diferença é um espectro exponencialmente decrescente que representa o espectro típico de raios-gama retardados de fissão 262. A fração do espectro de raios-gama retardados acima de 5,5 MeV é muito pequena (aproximadamente 0,4%), enquanto que aquela de ativação de flúor de nêutrons rápidos é bastante substancial. O espectro acima de 5 MeV é virtualmente dominado pela ativação de nêutrons rápidos, o que permite a determinação das duas assinaturas utilizando um tipo de detector.

[0035] A FIG. 2H é uma tabela que mostra isótopos exemplificativos 270 que podem ser utilizados como detectores de limiar de ativação da presente invenção. Além disso, a tabela mostra as reações de ativação específicas 271 de cada isótopo 270, junto com a energia de limiar de ativação 272 (em MeV), a meia-vida do isótopo 273, as energias dos produtos de decaimento beta e suas respectivas intensidades 274, e os raios-gama produzidos e suas respectivas intensidades 275.

[0036] Deverá ser entendido por aqueles versados na técnica que a detecção de múltiplas assinaturas de fissão utilizando um único sistema detector garante que a alta complementaridade (em termos de penetração) das sondas de irradiação (nêutrons rápidos e raios-X de alta energia) é completamente utilizada, de acordo com um aspecto da presente invenção. Deverá ainda ser observado que a aplicação de nêutrons rápidos, se adequadamente pulsados, permite o uso da extremamente elevada sensibilidade da Análise Diferencial de Extinção (DDAA) - ou a detecção de nêutrons rápidos resultantes apenas da fissão de nêutrons térmicos em isótopos físseis (por exemplo, U-235, Pu-239, U-233). DDAA pode ser utilizado com uma eficiência muito elevada quando fissões são induzidas por nêutrons de fontes termalizadas no SNM. O processo de termalização é rápido, onde os nêutrons térmicos resultantes estimulam muito eficientemente fissões durante centenas de microssegundos, apenas em SNM se existirem. Os nêutrons de fissão de elevada energia produzidos pelos nêutrons térmicos podem ser detectados com detectores cobertos de cádmio de alta eficiência que contêm contadores proporcionais de 3He ou outros detectores alternativos à base de 10B ou 6Li.

[0037] A FIG. 3 é uma tabela que mostra diversos parâmetros 300 associados a modalidades da presente invenção. Em uma primeira modalidade, mostrada na linha 301, o sistema utiliza, como a sonda de irradiação, raios-X para radiografia de alta resolução e para induzir eventos de fissão cujas assinaturas possam ser detectadas, incluindo nêutrons rápidos e raios-gama retardados que utilizam o detector de fluorocarbono e nêutrons rápidos que utilizam um detector de nêutrons termalizados.

[0038] Em uma segunda modalidade, mostrada na linha 302, são utilizados raios-gama monoenergéticos como a radiação de sondagem para estimular fissões e permitir a medição de nêutrons rápidos, nêutrons retardados e raios- gama retardados.

[0039] Em uma terceira modalidade, mostrada na linha 303, são gerados nêutrons rápidos a partir de um acelerador de partículas carregadas que aceleram, por exemplo, deutérios incidentes ou deutérios alvo, gerando nêutrons de alta energia para estimular eventos de fissão. Os eventos de fissão são detectados por intermédio dos nêutrons rápidos resultantes das fissões de nêutrons rápidos, fissões de nêutrons térmicos, raios-gama retardados e nêutrons retardados também emitidos como resultado do processo de fissão.

[0040] Em uma quarta modalidade, mostrada na linha 304, uma fonte de raios-X, tal como um acelerador linear de 9 MeV, é utilizada para gerar raios-X assim como nêutrons por intermédio de conversão de foto-nêutrons. Ambas as sondas de radiação estimulam eventos de fissão em material fissionável, se existir. Os eventos de fissão são detectados por intermédio das seguintes assinaturas: nêutrons rápidos resultantes de fissões de nêutrons rápidos e térmicos, raios-gama retardados e nêutrons retardados. Todos emitidos como resultado do processo de fissão. Os raios-X podem servir também para fornecer radiografia de raios-X de alta resolução das mercadorias.

[0041] As FIGS. 4A e 4B mostram como o sistema à base de múltiplas assinaturas de foto-fissão de raios-X de alta energia da presente invenção é implementado. A FIG. 4A é uma ilustração conceitual, enquanto a FIG. 4B fornece uma interpretação tridimensional de um sistema, como construído.

[0042] Com referência simultaneamente a ambas as FIGS. 4A e 4B, o sistema 400 compreende detectores de fissão 405, para detectar nêutrons rápidos e raios-gama retardados, os quais estão fixados no alojamento de detector de raios-X em forma de C 410. O sistema 400 compreende ainda a fonte 415 para produzir radiação. Em uma modalidade, a fonte 415 é um acelerador linear de 9 MeV e produz um feixe em leque de raios-X. Além disso, o sistema 400 pode opcionalmente compreender um transportador 430 para transportar um container ou objeto sob inspeção 435 através do sistema.

[0043] O sistema 400 é um sistema de inspeção de dois níveis, onde para a primeira "varredura básica"o sistema é completa e rapidamente inspecionado mediante utilização de dois conjuntos de radiografias colineares independentes, o conjunto primário e o conjunto de espectroscopia de transmissão Z-spec. O conjunto primário utiliza, em uma modalidade, 544 detectores de tungstato de cádmio (CdWO4) com mostradores convencionais de modo de corrente que utilizam fotodiodos que fornecem imagens com resolução espacial muito elevada. O conjunto Z-spec utiliza aproximadamente um quarto daquele número de cintiladores plásticos rápidos com mostradores espectroscópicos que utilizam tubos fotomultiplicadores rápidos.

[0044] Cada um dos conjuntos independentes de radiografia é usado para localizar objetos de Z-elevado na imagem, tal como chumbo, tungstênio e urânio, que poderiam ser potenciais materiais de blindagem assim como o próprio material nuclear. Os métodos de espectroscopia de transmissão Z-spec são descritos no Pedido de Patente dos Estados Unidos copendente Número 13/033.590, também atribuído ao Requerente da presente invenção, depositado em 23 de fevereiro de 2011 e intitulado "Um Sistema de Inspeção à Base de Espectroscopia de Alta-Energia e Métodos para Determinar o Número Atômico de Materiais", o qual está aqui incorporado por referência na sua totalidade.

[0045] As técnicas de detecção de Z-elevado não podem, contudo, distinguir potenciais materiais de blindagem tais como chumbo ou tungstênio de material nuclear. Portanto, em uma modalidade, o sistema e método da presente invenção fornece um segundo estágio de técnica de rastreamento para discriminação de material nuclear. A segunda etapa do processo de inspeção consiste em inspecionar o local identificado pelo sistema automatizado de raios-X como um possível alarme. Isto é realizado por uma varredura direta estacionária daquele local. Na varredura direta, áreas da imagem do container que foram identificadas como Z-elevado são re-inspecionadas mediante reposição precisa do container no local do objeto de Z-elevado e realização de uma irradiação estacionária da área com o feixe de raios-X. Uma vez que o feixe de raios-X tem um espectro contínuo de raios-X com um ponto final de 9 MeV, alguns dos raios-X estão acima da energia requerida para provocar foto-fissão (aproximadamente 6 MeV). Ameaças SNM, assim como todos os materiais fissionáveis fissionar-se-ão e produzirão fissões enquanto no feixe de raios-X. O sistema procura por um ou mais tipos de assinaturas de fissão para identificar que está ocorrendo fissão. Estas podem ser nêutrons rápidos provenientes do processo de fissão direta e raios-gama retardados provenientes do decaimento dos produtos de fissão, como descrito em detalhe acima. Em uma modalidade, o sistema 400 utiliza dois tipos de detectores no conjunto 405: cintiladores plásticos e detectores de limiar de ativação à base de flúor na forma de cintiladores de fluorocarbono líquido. Os cintiladores plásticos podem detectar apenas raios-gama retardados. Os detectores de fluorocarbono podem detectar tanto os raios-gama retardados como os nêutrons rápidos por meio da reação 19F(n,α)16N, a qual tem um limiar efetivo de 3 MeV e é, portanto, insensível à maioria dos foto-nêutrons da fonte. Exceções são berílio e deutério que podem produzir nêutrons com mais que 3 MeV. O berílio é uma mercadoria rara que provocará alarmes de nêutrons, mas não terá assinatura de raios-gama retardados acompanhantes. A radiação de fundo proveniente de deutério em materiais hidrogenados normais é pequena.

[0046] Como descrito acima, o isótopo beta 16N decai com uma meia-vida de 7,1 segundos. Existem dois modos principais de decaimento beta: ponto final de 10,4 MeV (26%) e 4,3 MeV (68%). A detecção dos nêutrons rápidos de fissão pelo detector de fluorocarbono é obtida pela eficiência próxima a 100% do decaimento beta de alta energia ao invés da partícula alfa na reação (n,α) que ocorre durante o pulso de raios-X. A principal vantagem da detecção de raios-gama retardados e nêutrons rápidos pela utilização do detector de fluorocarbono é que sinais são retardados, em relação ao evento de fissão e ao pulso de raios-X. O pulso de raios-X blinda temporariamente os detectores, mas os mesmos se recuperam entre os pulsos.

[0047] Em outra modalidade, o sistema à base de múltiplas assinaturas de foto-fissão de raios-X da presente invenção é utilizado em um sistema de inspeção combinado e simultâneo de foto-nêutrons/raios-X, como mostrado na FIG. 5. Um sistema que interrogue mercadorias simultaneamente com nêutrons e raios-X pode, em princípio, obter alto desempenho em uma faixa mais ampla de tipos de mercadorias.

[0048] O sistema 500 compreende uma fonte 505, a qual, em uma modalidade, é um acelerador linear de 9 MeV. Nêutrons são produzidos simultaneamente com raios-X pela interação foto-nuclear do feixe de raios-X com um conversor adequado. Em uma modalidade, um conversor adequado é um conversor de D2O construído em torno da fonte de raios-X, que utiliza um tungstênio alvo. É obtido um rendimento total de nêutrons da ordem de 1011 n/s com uma corrente média de feixe de elétrons de 100 μA. Deverá ser observado que a fonte 505 é móvel. Os nêutrons rápidos resultantes da fissão são detectados em dois sistemas detectores independentes: detectores DDAA de alta eficiência 510 e por detecção direta de nêutrons com energia > 3 MeV mediante utilização de detectores de limiar de ativação à base de flúor 515, como descritos acima. Os sinais de raios-gama retardados são medidos com elevada eficiência mediante utilização do mesmo TAD e com cintiladores adicionais plásticos de baixo custo 525. Diversos detectores espectroscópicos de NaI são utilizados para detectar os espectros de raios-gama de captura de nêutrons de mercadorias 520. O acelerador linear e o conjunto de cintiladores plásticos adicionais podem ser deslocados verticalmente 530 para varredura ou para mirar melhor o local da ameaça.

[0049] No funcionamento do sistema 500 um container (ou caminhão) de mercadorias é deslocado através de um portal 525 mediante utilização de um mecanismo transportador 535. A fonte de raios-X é pulsada tipicamente a 30 a 300 pulsos por segundo e produz raios-X de alta energia. Feixes de foto-nêutrons são gerados pelos mesmos raios-X em um conversor de água pesada. Se existir material fissionável nas mercadorias, fissão é induzida pelo feixe de raios-X de alta energia, assim como pelos foto-nêutrons. Tipicamente, o processo de foto-fissão domina nas mercadorias hidrogenadas, enquanto o processo de fissão de nêutrons domina em mercadorias metálicas densas.

[0050] Os exemplos acima são meramente ilustrativos das muitas aplicações do sistema da presente invenção. Embora tenham sido descritas aqui apenas umas poucas modalidades da presente invenção, deve ser entendido que a presente invenção pode ser concretizada em muitas outras formas específicas sem divergir do espírito e âmbito da invenção. Portanto, os presentes exemplos e modalidades devem ser considerados como ilustrativos e não limitativos, e a invenção pode ser modificada dentro do âmbito das reivindicações apensas.

Claims (5)

1. Sistema de inspeção para medir diversas assinaturas de fissão, caracterizadopor compreender: uma fonte de radiação, onde a referida fonte de radiação produz radiação direcionada na direção de um objeto sob inspeção e induz fissão em qualquer material nuclear que possa existir no objeto; e um detector de limiar de ativação, que compreende ao menos um material de limiar de ativação onde o referido material de limiar de ativação é também um cintilador e ao menos um detector para detectar radiação beta resultante da ativação do material de limiar de ativação por nêutrons rápidos de fissão.

2. Sistema de inspeção, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato do material de limiar de ativação ou cintilador compreender compostos que contêm flúor.

3. Sistema de inspeção, de acordo com a reivindicação 2, caracterizadopelo fato dos compostos que contêm flúor compreenderem um fluorocarbono líquido.

4. Sistema de inspeção, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato do detector de limiar de ativação compreender um detector de grande área.

5. Sistema de inspeção, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato do detector de limiar de ativação compreender diversas peças de detectores, onde as referidas diversas peças de detectores estão configuradas combinadas para funcionar como um detector de área elevada.

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