BRPI0714983A2 - sistema de detecÇço e mÉtodo de detecÇço baseado em partÍculas energÉticas pulsadas - Google Patents

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BRPI0714983A2
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Abstract

SISTEMA DE DETECÇçO E MÉTODO DE DETECÇçO BASEADO EM PARTÍCULAS ENERGÉTICAS PULSADAS. Trata-se de um sistema de detecção que compreende - uma fonte de partícula (500) para a geração de um fluxo pulsado de partículas energéticas que incluem fótons gama e nêutrons, e para direcionar o dito fluxo (140) a um artigo que deve ser analisado, sendo planejadas as ditas partículas para que reajam com os núcleos dos materiais no dito artigo, - uma unidade de detecção (400) que compreendendo ao menos três montagens de detector responsívas aos nêutrons e fótons gama, nas respectivas faixas de energia derivadas do artigo, e que colidem sobre elas em resposta ao dito fluxo de partículas energéticas, e capazes de transmitir sinais de tempo correspondentes, e - uma unidade de processamento de dados (800) conectada às saídas dos ditos detectores, capaz de gerar uma assinatura dos ditos sinais que sucedem a aplicação da do fluxo pulsado ao dito artigo, incluive as características do sinal relacionadas ao tempo, e para comparar a dita assinatura com as assinaturas de referência armazenadas. A presente invenção também fornece um método de detecção correspondente. Aplicação, em particular, na checagem de segurança de bagagens de aeroporto, detecção de minas terrestres,etc.

Description

Relatorio Descritivo da Patente de Invengao para "SISTEMA DE DETECQAO E METODO DE DETECQAO BASEADO EM PARTICULAS ENERGETICAS PULSADAS".
Campo da Invencao
A invengao refere-se a tecnologia de investigagao ativa por neu-
trons, e mais particularmente a um sistema de detecgao que usa neutrons e fotons gama para investigar e detectar materials ou compostos em artigos. Antecedentes da Invenpao
A denominada "investigagao neutronica" e a Cinica tecnologia nao invasiva conhecida ate ο momento que permite extrair, de um artigo blindado e selado, uma assinatura que se refere aos compostos ou elemen- tos quimicos contidos no artigo.
A dita tecnologia, portanto, confere um progresso adicional signi- ficativo em relagao as maquinas de raios X e outras semelhantes, ο que permite a discriminagao entre artigos apenas pelo formato e pela densidade do material, sendo usada em aplicagoes variadas, por exemplo, a detecgao de explosivos, materials nucleares ou contrabandos, como narcoticos em artigos ou edificag5es.
Uma serie de tecnicas de detecgao baseadas em neutron foi de- senvolvida, dependendo da aplicagao pratica.
Experimentou-se a Analise de Neutron Termico (Thermal Neu- tron Analysis - TNA), por exemplo, para a inspegao de bagagens checadas em aeroportos. Mais especificamente, neutrons de baixa energia fazem com que ο nitrogenio contido em certos explosivos emita raios gama, e fazem ainda com que materials fisseis Iiberem neutrons de si mesmos. Todavia, a primeira geragao de rastreamento por TNA produziu uma taxa inaceitavel de alarmes falsos, em decorrencia de um extenso niimero de artigos portadores de nitrogenio contidos em uma bagagem tipica. Ademais, ο TNA exige mo- deradores para desacelerar os neutrons rapidos provenientes de uma fonte para neutrons termicos.
A Analise de Neutron Termico/Rapido Pulsado (PFTNA) de ba-
gagens para contrabando, como explosivos e narcoticos, tambem foi pro- posta. A analise combina a detecgao da emissao de raios gama oriundos de iniimeras interagoes de neutrons diferentes em um Cinico sistema e usavam um neutron de energia elevada e pulso curto para executar a investigagao FNA (Analise de Neutron Rapido), ο que possibilita separar no momento a- propriado as investigates FNA e TNA, e aperfeigoa a qualidade e a estatis- tica das assinaturas gama medidas.
Tipicamente, um Cinico gerador de neutron repetitivamente pul- sado baseado na reagao de deuterio/tritio e usado para produzir um pulso curto (diversos ps) de 14 MeV neutrons. Durante este pulso, a interagao e primariamente decorrente do espalhamento inelastico de neutrons de ener- gia elevada no objeto que esta sendo investigado. A emissao de raios gama consiste primariamente em fotons gama prontos oriundos de reagoes (η.η'γ) e (η.η'γ)· O pulso e repetido com uma frequencia de IOKhz e os espectros dos fotons gama prontos oriundos da interagao de neutron de energia eleva- da sao coletados com ο uso de uma tecnica convencional de espectroscopia gama de contagem de foton iinico. A partir destes espectros, as assinaturas gama provenientes dos elementos como CeO podem ser extraidos. Os do- cumentos WO-99/53344A e Vorvopoulos G. et al. "A Pulsed Fast Thermal Neutron System for the Detection of Hidden Explosives", Nuclear Instru- ments & Methods in Physics Research, Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, Elsevier, Amsterdam, NL, vol B79, n0 1/4，2 de junho de 1993, pp. 585-588，XP000381502 revela um sistema de detecgao desta natureza.
No dito sistema, entre os pulsos de neutron, parte dos neutrons rapidos continua a colidir com ο material de fundo, em particular os elemen- tos luminosos, e desaceleram ate a energia termica.
Quando um neutron possui uma energia abaixo de 1 eV, pode ser facilmente capturado por elementos como H, N ou Fe, produzindo fotons gama prontos provenientes das reagoes de captura (η.γ). Um espectro de rea^ao de neutron termico separado e construido a partir de uma emissao gama detectada durante este periodo. O documento DE 10323093 A1 revela
esta abordagem. Apos um niimero de pulsos predeterminados, da-se uma Ionga pausa que permite a detecgao de fotons gama emitidos a partir de elemen- tos como O, Al e Si que foram ativados e decaem com uma reagao gama atrasada.
Circulando entre estas tres etapas, tres espectros separados sao
gerados, representando a interagao de neutron rapido, a interagao de neu- tron termico e a interagao de desativagao atrasada. Os tres espectros pode- riam permitir, em principio, uma determinagao clara de todos os quatro ele- mentos basicos em explosivos elevados. Na pratica, a identificagao de uma substancia no PFTNA e reali-
zada atraves do exame das razoes atomicas, por exemplo, a razao de ato- mos de carbono em relagao aos atomos de oxigenio (C/0), conforme revela- do no documento US-5200626A. Isto e feito tomarido-se a razao das intensi- dades para os raios gama de oxigenio e carbono e, em seguida, aplicando a razao das segoes transversals para as reagoes gama indutoras de tais ele- mentos.
Ao contrario do processo FNA com sinais gama misturados in- trinsecamente provenientes do processo TNA, ο processo PFTNA separa especificamente os espectros em decorrencia dos processos TNA e FNA1 ο que aperfeigoa a identificagao dos elementos de interesse na detecgao de explosivo.
O intervalo de tempo curto e especifico, durante ο qual os raios gama provenientes do processo TNA sao emitidos e coletados, aprimora ο sinal ate a razao de ruido de fundo das assinaturas gama provenientes de C e O quando comparado com a tecnica FNA convencional.
Este aprimoramento, contudo, so e significativo se ocorrerem algumas poucas reagoes de captura de neutron termico durante ο intervalo de tempo do processo FNA. Entretanto, no contexto dos explosivos ocultos, com frequencia existe uma vasta regiao, afora uma pequena regiao ocupada pelos explosivos, onde um sinal proveniente das reagoes de captura de neu- tron termico sera emitido. Este fato ira deteriorar de forma significativa ο si-
nal para a razao de ruido, que por sua vez significa a necessidade de um tempo demorado de investigagao adicional para a obtengao de estatisticas iiteis.
Ademais, no contexto da inspegao de bagagens, a presenga de uma quantidade maci^a de bagagens de materials plasticos, desde ο reves- timento externo ate ο conteiido, afetara de forma impactante a identificapao dos explosivos produzida a partir de uma medigao da razao C/O ou N/O.
Outra tecnica de investigagao conhecida e PROCESSO FNA (Analise de Neutron Rapido Pulsado), e se baseia na relagao velocida- de/energia de um neutron rapido, atraves do qual um pulso de neutron de energia elevada e pulso curto de uns poucos nanossegundos de duragao pode proporcionar a oportunidade de registrar a regiao espacial da investi- gagao de neutron, a partir do tempo de voo (TOF) do neutron atraves do ob- jeto sob investigagao.
A fim de coletar as informagoes TOF1 um pulso de neutron rapi- do monoenergetico e usado, de modo que a posigao espacial do neutron em um dado intervalo de tempo possa ser calculada. Quando um neutron rapido promove uma colisao emitente de gama com um elemento no objeto sob investigagao, e possivel associar ο tempo de detecgao (e, portanto, a emis- sao) deste foton gama com uma dada posigao no objeto. Usando uma fonte de neutron repetitivamente pulsado da dita duragao bastante curta, e pela medigao do tempo de ocorrencia em relagao ao tempo de langamento do pulso de neutron, assim como a energia da emissao gama, a densidade e- Iementar de uma faixa de elementos no interior de um material a granel, ao Iongo da trajetoria do neutron rapido, pode ser determinada. Especificamente1 usando as reagoes gama prontas dos neutrons
rapidos, a concentragao relativa dos elementos C, N e O em um dado cubo espacial, denominado voxel, pode ser determinada. Usando as razoes espe- cificas destes tres elementos em explosivos elevados, e possivel detectar a presenga e a Iocalizagao de um explosivo. Mais particularmente, usando matrizes detectoras de gama ade-
quadas e promovendo a varredura do pulso do feixe de neutrons ao Iongo de
dois eixos geometricos, um mapa 3D da concentragao do elemento nos dife- rentes voxels pode, em principio, ser construido. A tecnica de PFNA e particularmente adequada ao exame de uma pequena quantidade de explosivos ocultos no interior de um objeto de densidade media relativamente baixa.
Entretanto1 um pulso neutronico monoenergetico bastante curto e exigido, se for preciso obter uma resolugao espacial razoavel. Tipicamente, a dita fonte de neutron e produzida a partir de um acelerador linear. Muito embora ο dito acelerador baseado em sistemas PFNA tenham sido desen- volvidos visando a analise de recipientes de carga e as aplicagoes de segu- ranga de carga com bons resultados, ο porte avantajado e a necessidade de bliridagem substancial associados ao acelerador linear significam que ο sis- tema nao possui mobilidade, de modo que a tecnica nao e apropriada a re- mogao de minas ou aplicagoes em aeroportos.
Alem disso, todas as tecnicas existentes baseadas em neutron, apesar de precisas em termos da analise dos teores quimicos de uma amos- tra, sao Ientos (demanda diversos minutos para a realizagiao de uma Cinica detecgao).
Este obstaculo e ο resultado da tecnica padrao de contagem de foton exigida para criar ο aciimulo do espectro gama e, portanto, para permi- tir a detecgao de elementos quimicos na amostra.
A razao consiste no fato de que ο detector pode receber somen- te um foton de cada vez, e precisa aguardar que a janela do prazo de detec- gao analise a energia do foton antes que ο foton seguinte possa chegar.
Com um pulso neutronico de intensidade bastante elevada, nao e possivel registrar cada foton gama de ativapao ou neutron retroespalhado individualmente, ja que ο fenomeno de empilhamento do pulso ocorrera. De fato, se mais de um neutron for produzido em uma dada janela do prazo de medigao, considera-se que os fotons cheguem "juntos" e, portanto, nao sao discriminados uns dos outros.
A taxa maxima da analise e detecgao de foton Cinico1 portanto, Iimita a fluencia maxima de neutron usavel em um Cinico pulso.
O resultado, conforme citado acima, e um prazo de detecgao de varios minutos para que se construam espectros Citeis com uma razao sufici- entemente elevada da razao sinal/ruido para detecgao positiva. A causa e a necessidade de 106 ou mais medigoes, cada uma delas tipicamente exigindo 1 microssegundo ou mais, para que se construa um espectro de boa quali- dade.
Mais ainda, a fonte de neutron usada nos ditos sistemas conhe- cidos envolve elementos radioativos ou geradores eletricos, empregando aIvos radioativos, ο que e altamente indesejavel, particularmente em ambi- entes civis. Sumario da Invenpao
A presente invengao busca superar tais deficiencias das con- vencionais tecnicas de detecgao a base de neutron para a inspegao de arti- gos.
Mais particularmente, alem das consideragoes obvias quanto ao custo-eficiencia e base aceitavel, um sistema que oferega confiabilidade e prazo de detecgao extremamente agil seria altamente desejavel.
O objetivo da presente invengao e fornecer uma tecnologia ino- vadora de detecgao de material baseada no metodo de investigagao de neu- tron de impulso, ο que evita ο metodo convencional de contagem de foton Cinico para caracterizar os fotons e os neutrons, ativados e retroespalhados vindos de um objeto.
Um objetivo adicional da presente invengiao e fornecer um sis- tema de detecgao versatil que envolva uma ampla gama de energias, inclu- sive sua evolu^ao no tempo, com uma Cinica medigao. Outro objetivo da presente invengao e fornecer um sistema de
identifica^ao que permita reduzir de forma significativa as taxas de falso a- larme, e produzir dados aprimorados para decisao do operador.
Um dos objetivos da presente invengao tambem e fornecer um sistema capaz de detectar contrabandos convencionais, como narcoticos, e certos materials nucleares, os quais podem ser escondidos em recipientes metalicos que sao opacos aos convencionais sistemas de inspegao por raios X. Outro objetivo da presente irivengao e fornecer um sistema de detecgao que permita detectar a presenga de explosivos a granel em baga- gens de aeroportos ou de minas terrestres na remogao de minas por meio de um iinico pulso de neutron de intensidade elevada, e com um curto tempo de resposta.
Do mesmo modo, a presente invengao fornece um sistema de detecgao que compreende:
-uma fonte de particula para a geragao de um fluxo pulsado de particulas energeticas que incluem fotons gama e neutrons, e para direcio- nar ο dito fluxo a um artigo que deve ser analisado, sendo planejadas as di- tas particulas para que reajam com os niicleos dos materiais no dito artigo,
-uma unidade de detecgao que compreende ao menos tres montagens de detector responsivas aos neutrons e fotons gama, nas res- pectivas faixas de energia derivadas do dito artigo, e que colidem sobre eles em resposta ao dito fluxo de particulas energeticas, em que as montagens de detector sao organizadas para operar no modo de detecgao da corrente, de forma a transmitir sinais de corrente representatives dos neutrons e fo- tons gama colidentes ao Iongo do tempo, e
-uma unidade de processamento de dados conectada as saidas dos ditos detectores, capaz de gerar uma assinatura dos ditos sinais que sucedem a aplicagao da do dito fluxo pulsado ao dito artigo, inclusive as ca- racteristicas do sinal relacionadas ao tempo, e para comparar a dita assina- tura com as assinaturas de referenda armazenadas.
Os aspectos preferenciais, por6m nao limitantes, do presente sistema sao os seguintes:
• cada montagem de detector compreende um respectivo filtro de passagem de banda de energia.
• cada montagem de detector compreende um cintilador acopla- do a um fotomultiplicador por meio de um conjunto de cabos de fibra optica
flexivel.
• a dita fonte de neutrons e fotons gama compreende: -primeiro e segundo eletrodos, -uma fonte de ίοη de plasma no primeiro eletrodo, -um acionador da fonte de ion de plasma para permitir que um plasma ionico contendo deuterios se desenvolva na direQao do segundo ele- trodo,
- meios para aplicar entre os ditos eletrodos um pulso curto de
aIta voltagem no moment。em que ο dito plasma ionico esta em estado de transigao com uma distribui?ao espacial de deuterios afastados do segundo eletrodo, de modo a acelerar os ditos deuterios na diregao do dito segundo eletrodo, ao mesmo tempo em que supera ο Iimite de corrente por carga es- pacial de um diodo a vacuo convencional, e
-ο dito segundo eletrodo forma um alvo portador de litio, de mo- do a gerar os ditos neutrons no dito segundo eletrodo pela interagao deute- rio/litio, em que os neutrons interagem com ο dito alvo para produzir fotons gama.
- os ditos neutrons possuem energia de ao menos 3 MeV1 que e
apropriada a detecgao de materials nucleares.
-os ditos neutrons possuem energia de ao menos 5 MeV1 que e apropriada a detecgao de materials a base de carbono, apesar de nao inte- ragir com possiveis elementos circundarites. - os ditos neutrons possuem energia de ao menos 8 MeV, que e
apropriada a detecgao de explosivos, enquanto interagem com todos os qua- tro elementos H, C, N, O comuns aos explosivos.
-os sinais transmitidos pelas montagens de detector correspon- dem a um Cinico pulso de particulas que combinam neutrons e fotons gama derivados das ditas fontes.
De acordo com um segundo aspecto, a presente invengao for- nece um metodo para detectar as propriedades dos materials, substancias ou compostos contidos nos artigos, compreendendo as seguintes etapas:
• aplicar um fluxo pulsado de particulas energeticas que incluem neutrons e fotons gama a um artigo que deve ser analisado, sendo que as ditas particulas sao projetadas para reagirem com os nCicleos dos materials
no dito artigo, • detectar neutrons e fotons gama provenientes do dito artigo em resposta a dita aplicagao em ao menos duas faixas diferentes de energia e no modo de detecgao de corrente, de modo a transmitir sinais de corrente representatives dos fotons gama e neutrons colidentes ao Iongo do tempo.
· transmitir sinais de corrente em fungao do tempo representati-
vos dos neutrons e fotons gama assim detectados,
• gerar uma assinatura a partir das caracteristicas em fungao do tempo dos ditos sinais, e
• comparar a dita assinatura com as assinaturas de referenda armazenadas.
Breve Descricao dos Desenhos
A presente invengao sera mais bem compreendida a partir da seguinte descrigao exemplificativa de uma respectiva modalidade preferen- cial, produzida com referencia aos desenhos em anexo, em que: · a Figura 1 e um diagrama de bloco de um sistema de identifica-
?ao de acordo com a presente invengao;
• a Figura 2 ilustra em detalhes uma unidade de detecgao com- preendida no sistema da Figura 1, e
• a Figura 3 e um grafico de tempo ilustrando uma tipica coleta de sinal em relagao a emissao de pulso e sua chegada no artigo a ser anali-
sado.
Descripao Detalhada de uma Modalidade Preferencial da Invencao
Referindo-se agora aos desenhos, um sistema de identificagao 700 de acordo com a presente invengao e retratado na Figura 1 e compre- ende:
-um sistema de transporte 650 para os artigos 600 a serem ins-
pecionados;
-uma fonte de particula energetica 500; -uma unidade de detecgao 400; e - uma unidade de processamento de dados 800.
A fonte 500 gera um fluxo elevado e uma densidade elevada de
particulas energeticas de pulso curto, incluindo fotons gama e neutrons dire- cionados ao artigo 600 que deve ser checado.
A fonte inclui um gerador de particulas 100 que gera ο fluxo de particulas energeticas em resposta a unidade de energia pulsada 200 con- trolada pela unidade de controle 300.
Em operagao, um pulso curto de particulas energeticas de fluxo
elevado e de densidade elevada e gerado e direcionado ao artigo 600 colo- cado na regiao de inspegao, em cuja diregao e orientado um colimador de feixe 130.
O sistema de transporte 650 pode ser do tipo convencional e e usado para ο deslocamento dos artigos 600, tais como pegas de bagagem adicionadas adequadamente ao Iongo da regiao de inspegao.
A fonte 500 e usada em combinagao com a unidade de detecgao 400 para detectar sinais de neutrons e fotons gama representatives dos ma- terials contidos no artigo inspecionado 600, mediante interagao com a fonte penetrante de particulas energeticas.
Conforme demonstrado na Figura 2，a unidade de detecgao 400 compreende uma matriz de detectores 410 dotada de um vasto conjunto de respostas energeticas e capaz de detectar fotons gama e neutrons retroes- palhados provenientes do artigo 600，quando exposto a fonte 500. Cada de- tector 410 e sensivel a uma dada faixa de fotons gama e neutrons retroespa- Ihados provenientes do objeto.
O conjunto de detectores fornece dados que podem ser proces- sados na unidade 800 para oferecer uma assinatura Cinica para materials nucleares ou quimicos especificos, ou materials que devem ser procurados. Correlativamente, uma detecgao de acordo com a presente in-
vengao baseia-se no reconhecimento da assinatura gama caracteristica que pode ser adquirida durante um ύηΐοο pulso de particulas energeticas (muito embora a detec^ao de pulso miiltiplo tambem seja possivel), e nao exige uma detalhada espectrometria em fun^ao da energia, ao contrario dos sis- temas da tecnica anterior, conforme revelado nas WO-99/53344-A e DE-103 23093-A1 ·
A unidade de processamento de dados 800 analisa os sinais fornecidos pela matriz de detector a fim de gerar a assinatura gama do artigo 600.
Uma descrigao mais detalhada dos varios componentes do sis- tema sera fornecida neste momento.
Fonte de particula 500
O gerador de particulas 100 e acionado por uma unidade de su- primento de energia pulsada 200 para gerar pulsos curtos 140 de particulas energeticas.
Tais pulsos 140 sao gerados mediante solicitagao a um aciona- dor de controle transmitido por uma unidade de controle 300. Em todos os demais momentos, ο sistema com ρ Ieto 500 esta na condigao "desligado".
O gerador de particulas esta contido na camara de vacuo 150 contend。um par de eletrodos afastados, isto e, um eletrodo de emissao 110 e um eletrodo aIvo 120. Tipicamente, a distancia entre os dois eletrodos 110 e 120 e de
poucos centimetros e a pressao esta na faixa de 0,1 a 10 Pa.
Um acionador de aIta voltagem 220 para ο eletrodo de emissao 110 e fornecido na unidade de suprimento de energia 200, e e usado para energizar ο dito eletrodo aplicando um pulso de voltagem adequado 225 en- tre um par de elementos do eletrodo (nao-mostrado) pertencente ao dito ele- trodo e formar uma fonte ionica de descarga de plasma.
Um plasma de baixa pressao com uma densidade de plasma com uma ordem de magnitude de 1013 partes/cm3 ou mais e entao criado nas areas proximas do eletrodo 110, e em seguida desenvolve uma distribu- igao espacial de particulas carregadas no interior da camara 150. Apos um atraso de tempo predeterminado dt, um pulso de alta voltagem 215 gerado no gerador de pulso 210, tambem fornecido na unidade de suprimento 200, e aplicado entre os eletrodos 110 e 120 a fim de acelerar na diregao do se- gundo eletrodo 120 as particulas dotadas de um sinal de carga predetermi- nado contido no plasma.
O atraso de tempo dt e selecionado como uma funfao do nivel
de voltagem do pulso de acionamento do plasma 225, do pulso de voltagem de aceleragao 215, da geometria do diodo formado pelos dois eletrodos 110 e 120 e a pressao no interior da camara 150.
A unidade de controle 200 e capaz de acionar ο acionador 220 e em seguida ο gerador 210，de acordo com ο atraso de tempo acima.
O comando sincronizado controla ο suprimento do pulso de aIta
voltagem 210 para iniciar a aplicagao de uma voltagem de pulso 215 ade- quada, apos um atraso de tempo dt, entre os dois eletrodos 110 e 220, de modo que um feixe de particulas carregadas e extra id ο do plasma.
Em uma modalidade da presente invengao, ο gerador de pulso de aIta voltagem 210 compreende de forma conhecida per se um circuito de multiplicagao de voltagem sucedido por um circuito de compressao de pulso (nao-mostrado).
Mais particularmente, uma fonte de voltagem de cabo eletrico do tipo de 220 V, 50 Hz e primeiramente majorada para 30kV usando uma uni- dade de inversao eletronica convencional. Tal voltagem e usada para abas- tecer um circuito Marx de 4 estagios responsivo ao controle do acionador para produzir um pulso de voltagem de 120 kV. Esta voltagem e em seguida usada para carregar um circuito de conformagao do pulso para produzir um pulso de 5 ns de 120 kV. A saida deste circuito de conforma?ao do pulso e acoplada a um transformador de pulso, fornecendo um pulso de voltagem de 215 de 5 ns de 720 kV.
Mediante a aplicagao do pulso 215, as particulas carregadas contidas no plasma sao aceleradas para formar um feixe carregado com uma corrente elevada (tipicamente mais de 1 kA) que impinge no eletrodo 120 que atua como eletrodo aIvo com uma energia que pode atingir 500 keV ou mais, produzindo desta forma um fluxo de particulas altamente energeti- cas como resuItado de uma reagao nuclear induzida por particula carregada.
E preciso considerar aqui que ο principio de operagao da fonte 500, onde um fluxo de aIta energia de particulas carregadas e produzido pe- Ia aplicagao direta de um pulso 215 de aIta voltagem ultracurto aos eletro- dos, dentre os quais um plasma de ion esta em estado transitorio, permite
superar ο Iimite de corrente de carga espacial de um diodo a vacuo conven- cional. Por exemplo, um feixe de particula carregada de pulso curto (<10 ns), corrente elevada (> kA) e energia elevada (> 700 keV) pode ser gerado.
Com a fonte de particula do modo descrito acima, ο fluxo 140 de particulas energeticas 140 e emitido de forma isotropica. A fim de gerar um feixe direcionado ao artigo 600 que deve ser analisado, um colimador ade- quado 130 e fornecido.
Finalmente sera notado que a unidade de controle 300 tambem pode servir como uma unidade de monitoramento, fornecendo informagdes de situa^ao e controle sob re todos os modulos da fonte 500. Para tal fim, a unidade 300 e acoplada a um conjunto de sensores de seguranga e/ou de- tectores para garantir a operagao adequada e ο travamento de seguranga da fonte 500.
Para as operag5es de rastreamento de aIta velocidade, a fonte 500 pode ser ativada repetidamente, por exemplo, uma ou diversas vezes porsegundo.
A fonte 500 pode ser usada para gerar diversos tipos de feixes de particulas energeticas. Em uma modalidade preferencial da invengao, as ditas particulas sao neutrons e fotons gama, os quais sao gerados pelo im- pacto de um feixe energetico de particula de deuterio carregada de cerca de 10 ns de dura?ao no valor de corrente dotado de uma ordem de magnitude de kA, em um eletrodo aIvo de Iiga de Iitio 120’ produzindo desta forma um pulso 10 ns 140 de mais de 108 neutrons, fornecendo desta forma uma ele- vada taxa de fluencia equivalente a 1016 neutrons/segundo com uma ampla distribuigao de energia de ate 14 MeV. A fonte 500 como descrita anteriormente permite detectar de
forma substancial todos os fotons gama e neutros retroespalhados pelo arti- go ao Iongo de um intervalo de duragao bastante curto.
Por comparagao, um tubo de neutron selado convencional con- forme descrito, por exemplo, no documento US-5 200 626-A, tipicamente fornece uma pequena quantidade de neutrons em rajadas de 10 nanosse- gundos que devem ser repetidas na frequericia de 1 kHz ou mais para que se obtenha uma taxa de fluencia equivalente a 108 n/s, sendo necessarios varios minutos de operagao para que sejam fornecidos dados suficientes de f0tons gama para analise, conduzindo a uma taxa de dose de radia9§o ao menos duas ordens de magnitude superior aquela que ocorre com a presen- te invengao.
Em um exemplo nao limitante, a uma distancia de 3 m, um artigo
600 com uma area exposta de 10 cm2 sera recebido em um fluxo de neutron em uma taxa equivalente a 1011 n/s derivada do pulso Cinico obtido com a fonte 500 da presente invengao. Unidade de deteccao 400 Conforme mostrado na Figura 2，a unidade de detecfao 400
compreende uma pega de detecgao de foton gama que compreende uma matriz de detectores (tres no presente exemplo) 411, 412，413.
Cada detector e conectado a um fotomultiplicador 431, 432 e 433 por meio de um conjunto respectivo de cabos de fibra optica 421, 422 e 423 flexiveis.
Cada detector preferencialmente compreende um cintilador plas- tico convencional (por exemplo, do notorio tipo NE102A) de area de superfi- cie apropriada, selecionado para ser sensivel aos fotons gama e neutrons, e ρ rod uz um sinal que representa os fotons gama e neutrons retroespalhados provenientes do artigo 600 quando exposto ao feixe 140 gerado pela fonte 500.
O tamanho de cada cintilador e de, por exemplo, 180 mm χ 180 mm χ 25 mm. De forma mais generalizada, ο tamanho avantajado dos cinti- Iadores permite ο aprimoramento substancial da razao sinal/ruido. Cada um dos detectores 411, 412, 413 possui uma resposta cir-
cunscrita a um espectro de energia especifico, e e preferivelmente obtido pela colocagao de materials (nao-mostrado) na trajetoria do percurso dos fotons gama e neutrons provenientes do artigo 600 para ο respectivo detec- tor, sendo que tais materials atuam como filtros de passagem de banda de energia em diferentes faixas de energia para cada detector 411, 412, 413.
A amplitude de saida de cada detector e, portanto, referente ao
teor espectral circunscrito aquela faixa, e os detectores 411, 412, 413 forne- cem os respectivos sinais A, B e C indicativos de uma quantidade de particu- las/radia^ao recebidas.
Deve-se avaliar que, conectando os cintiladores aos fotomultipli- cadores atraves de cabos de fibra optica flexiveis de comprimento adequa- do, os fotomultiplicadores podem ser colocados a uma certa distancia da fonte de radiagao, e serem blindados contra ο efeito de particulas energeti- cas e ruidos geradores de radiagao eletromagnetica nos ditos fotomultiplica- dores.
Preferencialmente, os fotomultiplicadores 431, 432 e 433 ope- ram no modo de detecgao de corrente para permitir a medigao em tempo real da evolugao das particulas/fotons que colidem sobre os respectivos cin- tiladores.
A este respeito, no Iugar de medir a energia de fotons gama ou neutrons individuals, ο sinal da corrente produzida pela coleta de particulas e de fotons que atingem um dado detector 411，412, 413 e registrado em fun- gao do tempo.
Portanto, evita-se a emissao corivencional do empilhamento do pulso quando as particulas colidem sobre ο cintilador dentro de um interval。 de tempo bastante curto, resultando em erros de contagem. As saidas de sinal provenientes dos fotomultiplicadores 431，432
e 433 sao fornecidas aos conversores do tipo analogico para digital 440 glo- balmente indicados, de modo a fornecer um correspondente fluxo de dados representative) dos fotons/particulas recebidas do artigo irradiado 600 em fungao do tempo em diferentes bandas de energia. Como exemplo, um digitalizador transitorio Tektronix TDS3034
de quatro canais com uma taxa de amostragem maxima de 2,5 GS/s e uma profundidade maxima de memoria de dados de amostras de 10 k pode ser usado.
Preferencialmente, os dados digitalizados sao registrados para, por exemplo, 20 ps apos cad a pulso de particula 140 ser aplicado ao artigo, com uma taxa de amostragem de no maximo 2 ns, de modo a manter no
interior da profundidade de memoria do digitalizador. Os sinais fornecidos pela unidade de detec?ao 400 combina os resuItados de quaisquer modos de interagao de neutron nos materials do artigo 600, inclusive as rea^Ses de captura, inelastica e elastica, que ocor- rem em resposta ao pulso de neutron de aIta voltagem uItracurto 140, e que conduz a emissao de fotons gama e neutrons.
Mais particularmerite, a unidade de detecgao 400 detecta os fo- tons gama atrasados e prontos gerados a partir dos neutrons termicos e ra- pidos, assim como os neutrons retroespalhados ou emitidos a partir das a- mostras, durante diferentes periodos apos ser acionado ο ύηίοο pulso de
neutron curto.
Um exemplo de uma temporizagao tipica da detecgao do sinal em relagao a geragao do pulso de neutron e dado na Figura 3.
Neste exemplo, um Linico pulso P1 de cerca de 108 neutrons com uma duragao de 10 ns e emitida em um angulo solido de 4π. Um pulso
secundario de fotons gama P2 tambem e emitido com uma Ieve alternancia de tempo e uma duragao Iigeiramente mais longa. Este pulso de gama P2 e gerado como resultado da intera^ao do pulso de neutron P1 com a aproxi- magao imediata do aIvo gerador de neutron, assim como no interior do aIvo em si.
Os blocos A1 e A2 correspondem respectivamente aos neutrons
do pulso P1 que atingem um aIvo Iocalizado a 1 metro de distancia da fonte, e aos fotons gama do pulso P2 que atingem ο dito alvo.
Os sinais detectados conforme mostrados no fundo da Figura 3 sao os seguintes:
- inicialmente os sinais coletados F1 sao decorrentes de uma
fragao do pulso de gama P2 que atinge diretamente os detectores;
-sucedem-se rigorosamente os sinais S2 que originarios de uma certa quantidade de pulso gama P2 que esta sendo retroespalhado do artigo 600;
- apos algumas poucas dezenas de nanossegundos, os sinais
recebidos S3 sao compostos de fotons gama de energia elevada produzidos
quando neutrons de energia elevada percorrem diretamente todo ο artigo 600’ e procedem a colisoes nao elasticas com os niicleos dos materiais do artigo; ο pulso de neutron bastante curto Pea velocidade relativamente Ien- ta do percurso (percursos de neutron de 10 MeV de cerca de 4,4 cm em um nanossegundo) permitem uma boa discriminagao espacial; alem disso, a intensidade elevada do fluxo de neutrons promove uma boa razao sinal/ruido proveniente dos detectores.
-a iiltima parte dos sinais S3 sao fotons gama gerados a partir da interagao com ο artigo 600 de uma grande quantidade de neutrons atra- sados resultantes do retroespalhamento dos neutrons nao colimados na fon- te;
-tais sinais sao sucedidos (escala de tempo da ordem de mi- crossegundos) pelos sinais S4 correspondentes aos neutros retroespalhados do artigo;
-os Ciltimos sinais detectados (apos dez microssegundos ou mais, nao-mostrado) resultam dos fotons gama capturados produzidos a par- tir de neutrons que foram "termalizados" no colimador da fonte, assim como da amostra e areas proximas. Tais neutrons termicos sao capturados pelos niicleos dos materiais do artigo que, por sua vez, geram fotons gama.
Muitas de tais intera^des sao aplicaveis para uma ampla gama de elementos/compostos. Portanto, registrando os sinais detectados ao du- rante um prolongado periodo de tempo (tipicamente dezenas de microsse- gundos) apos ο comego do pulso do neutron 140, sinais bastante significati- vos sao obtidos, especialmente quando se considera a evolugao ao Iongo do tempo.
Preferencialmente, um circuito de ajustamento de ganho e incor-
porado em cad a uma das montagens de detector (cintilador + fibra optica + fotomultiplicador) a fim de compensar as variagoes na eficiencia de acopla- mento entre ο cintilador e a fibra optica.
Mais ainda, as montagens de detector sao vantajosamente sub- metidas a calibragao cruzada, tomando-se um conjunto de medigoes sem que os fiItros de energia estejam defronte aos detectores e, em seguida, com
fiItros de energia identicos em todos os detectores. Todas as unidades de detecpao sao calibradas de forma identica e ο ganho de cada unidade e ajustado de modo que a variagao na saida do sinal entre todas as unidades esteja circunscrita a uma dada faixa (por e- xemplo, um fator maximo de dois).
A calibragao pode ser efetuada com uma fonte Iuminosa pulsada
de referencia acoplada a uma pluralidade de fibras opticas, cada uma delas acoplada a um respectivo fotomultiplicador. Deste modo, cada fotomultipli- cador sera iluminado pela mesma fonte Iuminosa de calibragao atraves do acoplamento de fibras opticas identicas. Um processo automatico de calibragao tambem pode ser condu-
zido com uma ou mais amostras diversas de materiais bem definidos, por exemplo, materiais organicos como melamina e polietileno. O dito processo permite compensar possiveis flutuagoes na sensibilidade dos detectores. Unidade de Processamento de Dados 800 A unidade de processamento de dados 800 compreende uma
energia de processamento de sinal adequada para a pluralidade de sinais A, BeC recebidos da unidade de detecgao 400.
Preferencialmente, ο dito processamento envolve a aplicagao de um conjunto predeterminado de algoritmos aos ditos sinais, inclusive sua evolugao ao Iongo do tempo, a fim de gerar uma assinatura associada a ca- da artigo 600 analisado.
Tendo sido analisado certo artigo, sua assinatura e aplicada a um banco de dados para comparagao com um conjunto de assinaturas de referencia correspondentes aos diferentes materiais ou compostos ou subs- tancias, sendo que a presenga de quaisquer dos ditos materiais ou compos- tos ou substancias pode ser rapidamente ideritificada e possivelmente quan- tificada.
Preferencialmente, a unidade 800 e programada de modo a for- necer respostas simples sim/nao a um operador para diferentes tipos de ma- teriais ou compostos ou substancias em um tempo de resposta bastante cur- to (os tempos de processamento tipicos estarao na faixa de uma fragao de
segundo ate diversos segundos com a capacidade de processamento atual). Embora a presente invengao ter sido descrita com rela^ao as suas modalidades exemplificativas, ficara compreendido pelo individuo ver- sado na tecnica que diversas variagoes e modificagdes podem ser inferidas a mesma.
Conforme indicado anteriormente, muito embora aplicagoes tipi-
cas da presente invengao sejam verificag5es de seguranpa em bagagens de aeroportos e a detecgao de objetos enterrados como minas terrestres e mi- nas antipessoais, a presente invengao pode ter inijmeras aplicagoes.

Claims (12)

1. Sistema de detec^ao que compreende: -uma fonte de particula (500) para a gera?ao de um fluxo pulsa- do (14) de particulas energeticas que incluem fotons gama e neutrons, e pa- ra direcionar ο dito fluxo a um artigo (600) que deve ser analisado, sendo planejadas as ditas particulas para que reajam com os nijcleos dos materials no dito artigo, -uma unidade de detecgao (400) que compreende ao menos tres montagens de detector (411, 421, 431; 412, 422, 432; 413, 423，433) responsivas aos neutrons e fotons gama, nas respectivas faixas de energia derivadas do dito artigo, e que colidem sobre eles em resposta ao dito fluxo de particulas energeticas, em que as montagens de detector sao organiza- das para operar no modo de detecgao da corrente, de forma a transmitir si- nais da corrente representatives dos neutrons e fotons gama colidentes ao Iongo do tempo, e -uma unidade de processamento de dados (800) conectada as saidas dos ditos detectores, capaz de gerar uma assinatura a partir dos ditos sinais que sucedem a aplicagao do dito fluxo pulsado ao dito artigo, inclusive as caracteristicas do sinal relacionadas ao tempo, e para comparar a dita assinatura com as assinaturas de referencia armazenadas.
2. Sistema, de acordo com a reivindicagao 1, em que cada mon- tagem de detector compreende um respectivo filtro de passagem de banda de energia.
3. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicagoes 1 e 2’ em que cada montagem de detector compreende um cintilador (411; 412; 413) acoplado a um fotomultiplicador (431; 432; 433) por meio de um conjun- to de cabos de fibra optica flexivel (421 ； 422; 423).
4. Sistema, de acordo com qualquer uma das reiviridicapoes 1 a 3，em que a dita fonte de neutrons e fotons gama compreende: - primeiro e segundo eletrodos (110, 120), -uma fonte de ion de plasma no primeiro eletrodo, -um acionador da fonte de ion de plasma (220) para permitir que um plasma ionico contendo deuterios se desenvolva na diregao do se- gundo eletrodo, -meios (210) para aplicar entre os ditos eletrodos um pulso curto de aIta voltagem no moment。em que ο dito plasma ionico esta em estado de transigao com uma distribui^ao espacial de deuterios afastados do se- gundo eletrodo, de modo a acelerar os ditos deuterios na diregao do dito se- gundo eletrodo, ao mesmo tempo em que supera ο Iimite de corrente por carga espacial de um diodo a vacuo convencional, e -ο dito segundo eletrodo (120) forma um alvo portador de litio, de modo a gerar os ditos neutrons no dito segundo eletrodo pela interagao deuterio/litio, em que os neutrons interagem com ο dito alvo para produzir fotons gama.
5. Sistema1 de acordo com qualquer uma das reivindicagoes 1 a 4, em que os ditos neutrons possuem energia de ao menos 3 MeV.
6. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicagoes 1 a 4’ em que os ditos neutrons possuem energia de ao menos 5 MeV.
7. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicagoes 1 a 4, em que os ditos neutrons possuem energia de ao menos 8 MeV.
8. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicagoes 1 a 7, em que os sinais transmitidos pelas montagens de detector correspondem a um Linico pulso de particulas que combinam neutrons e fotons gama deri- vados das ditas fontes.
9. Metodo para detecgao de propriedades de materials, substan- cias ou compostos contidos em artigos, que compreende as seguintes eta- pas: -aplicar um fluxo pulsado de particulas energeticas que incluem neutrons e fotons gama a um artigo que deve ser analisado, sendo que as ditas particulas sao projetadas para reagirem com os niicleos dos materials no dito artigo, - detectar neutrons e fotons gama provenientes do dito artigo em resposta a dita aplicagao em ao menos duas diferentes faixas de energia e no modo de detecgao de corrente, de modo a transmitir sinais de corrente representatives dos fotons gama e neutrons colidentes ao Iongo do tempo. -transmitir sinais de corrente em fun^ao do tempo representati- ves dos neutrons e fotons gama assim detectados, -gerar uma assinatura a partir das caracteristicas em fungao do tempo dos ditos sinais, e -comparar a dita assinatura com as assinaturas de referencia armazenadas.
10. Metodo1 de acordo com a reivindicagao 9, em que os ditos neutrons possuem uma energia de ao menos 3 MeV.
11. Metodo, de acordo com a reivindicagao 9’ em que os ditos neutrons possuem uma energia de ao menos 5 MeV.
12. Metodo1 de acordo com a reivindicagao 9, em que os ditos neutrons possuem uma energia de ao menos 3 MeV.
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