ES2324912T3 - Blanco codificado para fuente de neutrones. - Google Patents

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Abstract

Fuente de neutrones, que comprende un blanco previsto para emitir neutrones cuando es bombardeado con partículas, caracterizada porque comprende partes (11) emisoras de neutrones y partes (12) no emisoras de neutrones que están yuxtapuestas, formando dichas partes emisoras y no emisoras un patrón del tipo de una máscara codificada tal que dicha fuente emite un flujo de neutrones codificado por el patrón del blanco.

Description

Blanco codificado para fuente de neutrones.
Campo técnico
La presente invención se refiere a una fuente de neutrones, tal como un tubo generador de neutrones o un acelerador de partículas.
Los tubos generadores de neutrones se utilizan principalmente para llevar a cabo análisis u obtención de imágenes, por ejemplo en la prueba no destructiva de objetos. Los neutrones hacen que sea posible determinar la presencia de prácticamente todos los elementos de la tabla periódica. De ese modo, se pueden utilizar tubos generadores de neutrones para análisis, control, dosificación o investigación de materiales, por ejemplo drogas, explosivos y desechos radiactivos en materiales en tambores, minerales o masas voluminosas.
Los aceleradores de partículas, tales como los aceleradores lineales, suministran neutrones con amplias gamas de energía. Las aplicaciones pueden ser también aplicaciones radiográficas o análisis de materiales, o incluso aplicaciones de medicina nuclear o de investigación física.
Estado de la técnica anterior
En dichos dispositivos, los neutrones son generados por medio de un blanco que se bombardea con un haz de partículas altamente aceleradas (véase el documento FR-A-2738669).
En procedimientos que utilizan la fusión del hidrógeno, los blancos contienen los isótopos pesados del hidrógeno: el deuterio y/o el tritio. Una reacción de fusión nuclear tiene lugar entre los núcleos de deuterio o de tritio del blanco y las partículas aceleradas procedentes, en general, de una fuente de iones.
En los generadores de neutrones, las partículas son iones de isótopos de hidrógeno. Los iones son acelerados entre dos electrodos.
En los aceleradores, las partículas son también iones de hidrógeno (deuterio o tritio) u otros iones más pesados. La aceleración puede ser realizada por medio de una sucesión de electrodos o mediante acoplamiento en cavidades aceleradoras por radiofrecuencia cuadripolar.
Las colisiones entre un núcleo de deuterio y un núcleo de tritio, proporcionan un neutrón con una energía cercana a 14 MeV, y una partícula \alpha con una energía de alrededor de 3,6 MeV. Los neutrones son emitidos en todas las direcciones, en otras palabras, en 4\pi estéreo-radianes. Por cada neutrón emitido en una dirección, se emite una partícula \alpha sustancialmente en dirección opuesta. Este mecanismo tiene también lugar con la reacción entre dos núcleos de deuterio. La energía del neutrón es, en este caso, de 2,45 MeV. Esto va asociado a una partícula de helio 3 de 0,8 MeV emitida en dirección opuesta, con un ángulo bajo.
Con el fin de que la eficacia de la reacción nuclear sea alta, los blancos deben tener una alta densidad de núcleos. En general, se fijan los núcleos de tritio y/o de deuterio en un metal de fijación de hidrógeno tal como, por ejemplo, titanio, zirconio o erbio. El haz de partículas ha de ser también suficientemente intenso y homogéneo. Por lo tanto, se tiende a enfocar el haz de partículas y hacer que éste bombardee un pequeño blanco homogéneo. Sin embargo, se ha de encontrar un compromiso entre el tiempo de vida del blanco y la eficacia. En efecto, para una emisión total dada, el tiempo de vida de un blanco es proporcional a su área superficial. Además, no es fácil enfocar el haz de partículas con precisión. Dicho enfoque debe ser acorde con la geometría del blanco. En los tubos generadores de neutrones, se ve uno obligado a proporcionar una serie de electrodos de geometría apropiada, y a elevar los voltajes de los mismos hasta un valor específico. El dispositivo de enfoque puede resultar muy sofisticado. Finalmente, cuanto más pequeño es el blanco, más bajo es el flujo de neutrones emitidos y más largo el tiempo de análisis.
Se requieren blancos pequeños (sustancialmente de forma puntual) para radiografía de transmisión. Éstos conducen a una mejor calidad de imagen que la obtenida con un blanco más amplio, en particular cuando se desea detectar pequeños objetos puntuales (por ejemplo, defectos en una estructura). Se puede hacer referencia a la Figura 1A, la cual muestra, en un plano 5 de imagen, la imagen 3 de un punto 1 de un objeto 4, proporcionada mediante un blanco aislado 2. El tamaño d de dicha imagen 3, se expresa mediante la relación: d = dc.L/l, donde dc es el tamaño del blanco 2, L es distancia entre el objeto 4 y el plano 5 de imagen, y l es la distancia entre el objeto 4 y el blanco 2.
En la Figura 1B, el blanco 2' no tiene forma de punto más largo, sino por el contrario, más extenso. La imagen 3' del objeto 1 puntual en el plano 5 de imagen, es mucho más grande que en la Figura 1A, lo que conduce a una imagen global del objeto que resultará más borrosa. El tamaño d' de dicha imagen 3' se expresa mediante la siguiente relación: d' = dc'.L/l, donde dc' es el tamaño del blanco 2', L es la distancia entre el objeto 4 y el plano 5 de imagen, y l es la distancia entre el objeto 4 y el blanco 2'.
Descripción de la invención
El objeto de la presente invención consiste, de hecho, en proponer una fuente de neutrones que no tenga las dificultades y limitaciones mencionadas en lo que antecede.
Un objeto de la invención consiste en formar un blanco que tenga tanto un tiempo de vida más largo como una eficacia aceptable.
Otro objeto de la invención consiste en formar un blanco que no necesite ser asociado a un haz de partículas enfocado de forma precisa.
Un objeto adicional de la invención consiste en proporcionar un blanco adecuado para el suministro de un flujo de neutrones más alto que el de los blancos puntuales.
Con el fin de alcanzar estos objetos, de acuerdo con la reivindicación 1, la invención consiste en una fuente de neutrones con un blanco previsto para emitir neutrones cuando es bombardeado con partículas, y dicho blanco comprende partes emisoras de neutrones y partes no-emisoras de neutrones que están yuxtapuestas, formando dichas partes emisoras y no-emisoras un patrón del tipo de una máscara codificada.
Las partes emisoras pueden estar formadas a partir de al menos un híbrido metálico, siendo el metal del híbrido metálico depositado sobre un soporte de material de no fijación del hidrógeno mediante un esténcil.
En una realización, el blanco puede comprender una extensa zona de emisión de neutrones, formada a partir de al menos un híbrido metálico, cooperando dicha zona extensa con una máscara de material no-emisora de neutrones, cubriendo el material no emisor de la máscara parcialmente la zona emisiva extensa que se enfrenta a las partículas, y formando partes no emisoras.
La zona emisora extensa puede estar soportada por un soporte de un material de no-fijación del hidrógeno. El material de no-fijación de hidrógeno del soporte, puede ser elegido entre cobre, plata u oro, siendo dichos metales utilizados solos o en combinación.
El metal del hidruro metálico puede ser elegido a partir de titanio, zirconio, erbio, escandio y vanadio. El material no emisor de la máscara puede ser elegido entre molibdeno, acero, hierro, cobre, tungsteno o tantalio, siendo dichos metales utilizados solos o en combinación.
De acuerdo con la reivindicación 8, la presente invención también se refiere a un acelerador de partículas que comprende una fuente de neutrones según se ha definido.
De acuerdo con la reivindicación 16, la presente invención también se refiere a un tubo generador de neutrones que comprende un blanco así definido.
La presente invención también se refiere a la aplicación del tubo generador de neutrones así definido, a radiografía de transmisión, en la que el blanco coopera con medios de desconvolución geométrica para descodificar una imagen no tratada, proporcionada por los neutrones que han atravesado un objeto a ser radiografiado en una imagen reconstruida del objeto.
La presente invención también se refiere a la aplicación del acelerador de partículas así definido, a radiografía de transmisión, en la que el blanco coopera con medios de desconvolución geométrica para descodificar una imagen no tratada, proporcionada por los neutrones que han atravesado un objeto a ser radiografiado en una imagen reconstruida del objeto.
La presente invención también se refiere a un tubo generador de neutrones así definido, estando dicho tubo equipado con un detector de partículas \alpha asociado a la emisión de neutrones.
La presente invención también se refiere a un acelerador de partículas así definido, estando dicho acelerador equipado con un detector de partículas \alpha asociado a la emisión de partículas.
El detector de partículas \alpha puede comprender una pluralidad de píxeles dispuestos en una matriz.
Ventajosamente, el blanco puede estar inclinado con relación a la dirección de las partículas que lo bombardean, con el fin de facilitar la detección de partículas \alpha sin interrumpir por solapamiento la interacción del haz de partículas en el blanco.
Según otra configuración, el blanco puede ser sustancialmente paralelo al detector de partículas \alpha.
La presente invención también se refiere a la aplicación del tubo generador de neutrones así definido, con un detector de partículas \alpha, al análisis de sustancias y/o a la formación de imágenes de sustancias que pueden estar ocultas, cooperando el tubo con al menos un detector de radiación \gamma y con medios de desconvolución geométrica para una pseudo-imagen gamma obtenida por coincidencia de eventos gamma y de partículas \alpha detectadas por el detector de partículas \alpha.
La presente invención también se refiere a la aplicación del acelerador de partículas así definido, con un detector de partículas \alpha, al análisis de sustancias y/o a la formación de imágenes de sustancias que pueden estar ocultas, cooperando el acelerador con al menos un detector de radiación \gamma y con medios de desconvolución geométrica para una pseudo-imagen obtenida por coincidencia de eventos gamma y de partículas \alpha detectadas por el detector de partículas \alpha.
La presente invención también se refiere a la aplicación del tubo generador de neutrones así definido, con un detector de partículas \alpha, a la formación de imágenes de sustancias que pueden estar ocultas, cooperando el tubo con al menos un detector de neutrones.
La presente invención también se refiere a la aplicación del acelerador de partículas así definido, con un detector de partículas \alpha, a la formación de imágenes de sustancias que pueden estar ocultas, cooperando el acelerador con al menos un detector de neutrones.
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Breve descripción de los dibujos
La presente invención podrá ser mejor comprendida con la lectura de la descripción de realizaciones de la misma, dadas únicamente a título indicativo y en ningún caso limitativo, y mediante referencia a los dibujos anexos, en los que:
Las Figuras 1A y 1B son diagramas que ilustran el principio de radiografía de transmisión de un objeto con blancos uniformes, respectivamente blancos puntuales o ampliados;
Las Figuras 2A, 2B muestran una vista frontal de dos ejemplos de blancos de acuerdo con la invención;
La Figura 3A muestra una instalación de radiografía de transmisión para un objeto que hace uso de un tubo generador de neutrones de acuerdo con la invención, y la Figura 3B muestra la radiografía obtenida con la citada instalación y con un objeto menos transparente a los neutrones;
Las Figuras 4A a 4C muestran diferentes etapas de formación de una realización de un blanco de acuerdo con la invención;
Las Figuras 5A, 5B muestran diferentes etapas de formación de otra realización de un blanco de acuerdo con la invención;
La Figura 6 muestra un acelerador de partículas que constituye el objeto de la presente invención;
La Figura 7A muestra un tubo generador de neutrones que tiene partículas asociadas, que constituye el objeto de la invención, y las Figuras 7B, 7C muestran aceleradores que tienen partículas asociadas, que constituyen el objeto de la invención;
Las Figuras 8A, 8B y 8C muestran material de formación de imágenes y/o instalaciones de análisis que hacen uso, respectivamente, de un tubo generador de neutrones de blanco puntual, un tubo generador de neutrones de blanco ampliado, y un tubo generador de neutrones o acelerador de partículas, que son objeto de la invención.
Las diferentes partes mostradas en las Figuras no se han representado, necesariamente, a la misma escala, con el fin de hacer que las Figuras resulten más legibles.
Las partes idénticas, similares o equivalentes a través de las diferentes Figuras que se describen en lo que sigue, tienen las mismas referencias numéricas a efectos de facilitar el paso de una figura a otra.
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Descripción detallada de realizaciones específicas
Ahora se hará referencia a la Figura 2, la cual muestra una vista frontal de un ejemplo de un blanco 10. Éste comprende partes emisoras 11 y partes 12 no-emisoras yuxtapuestas, formando dichas partes emisoras 11 y dichas partes 12 no-emisoras un patrón del tipo de una máscara codificada.
Se debe recordar que una máscara codificada es una máscara que está perforada con una pluralidad de orificios situados de una manera más o menos aleatoria. El área superficial de dichos orificios puede alcanzar el 50% o más del área superficial total de la máscara. Se utilizan máscaras codificadas en el campo médico o en astronomía en relación con los telescopios. En estas aplicaciones, las máscaras codificadas están situadas entre el objeto que va a ser observado (planeta, estrella) y el observador (o el dispositivo que captura la imagen).
Las partes emisoras 11 del blanco 10 corresponden con los orificios que la máscara codificada pudiera tener, y las partes 12 no-emisoras corresponden con las partes sólidas de la máscara codificada. Obviamente, también es posible a la inversa.
Cada parte 11 emisora puede ser también considerada como un agujero minúsculo. Todas las partes emisoras 11 en conjunto, constituyen una multiplicidad de agujeros minúsculos.
Las partes emisoras 11 pueden ser asemejadas a blancos de forma puntual, y el blanco 10 en conjunto a un blanco de forma cuasi-puntual. El patrón representado en la Figura 2A es relativamente complejo, y se pueden utilizar otros patrones de máscara codificada, tal como el ilustrado en la Figura 2B, el cual comprende solamente tres partes emisoras 11, una primera sustancialmente circular, una segunda sustancialmente cuadrada y una tercera sustancialmente rectangular.
Por consiguiente, cuando un blanco 10 de ese tipo, incluido en una fuente de electrones 23 mostrada esquemáticamente en la Figura 3A, es bombardeado por ejemplo mediante iones de deuterio o de deuterio y tritio acelerados, solamente las partes emisoras 11 son las que emiten neutrones. Dicha fuente 23 de neutrones puede ser un tubo generador de neutrones o un acelerador de partículas. Ésta comprende una camisa 21, el blanco 10 y una fuente 22 de iones, por ejemplo una fuente de tipo Penning, en la que se ioniza el deuterio o una mezcla de deuterio y tritio. Los iones son acelerados entre la fuente 22 de iones y el blanco 10 con medios de aceleración, los cuales no se han representado por motivos de claridad.
El patrón del blanco 10 es más simple que el de la Figura 2A. El blanco 10 va a emitir un flujo heterogéneo de neutrones 13. En este ejemplo, el flujo de neutrones 13 se divide en una pluralidad de flujos 13.1, 13.2 secundarios, y dichos flujos secundarios solamente aparecen iniciados con el fin de no apiñar la figura.
El flujo de neutrones 13 emitido "transportará" con el mismo, el patrón del blanco 10 a través de un objeto 4 que ha de ser examinado o analizado.
Se observa que en la invención, el blanco 10, que juega el papel de máscara codificada, no ha sido insertado entre el objeto y el observador, sino que está situado corriente arriba del objeto.
El flujo de neutrones 13 es un flujo marcado o codificado por el patrón del blanco 10. De la manera que muestra la Figura 1A, una imagen 30 de un punto 1 de un objeto 4, proporcionada por el blanco 10 de acuerdo con la invención, es proyectada sobre un plano 5 de imagen. Pero ahora, la imagen 30 obtenida en el plano 5 de imagen es una imagen no tratada del objeto 4, y dicha imagen no tratada dese ser tratada con el fin de obtener una imagen 31 reconstruida. En una forma, la imagen no tratada comprende tantas imágenes superpuestas del objeto como partes emisoras existan en el blanco, actuando cada una de dichas partes emisoras a modo de blanco puntual. La imagen 30 no tratada puede ser adquirida, por ejemplo, mediante un detector 33 de neutrones configurado como matriz, formada a partir de materiales sensibles a neutrones rápidos tales como materiales centelleantes de protón de retroceso.
El tratamiento se denomina desconvolución geométrica y se realiza de una manera computerizada por medio de un algoritmo apropiado. Medios de tratamiento de imagen 30 no tratada, han sido representados esquemáticamente con la referencia 32.
De hecho, la imagen 30 no tratada obtenida transporta dos grupos de información, uno relacionado con el patrón del blanco 10, y el otro relacionado con la transparencia del objeto 4. La desconvolución consiste en separar los dos grupos de información. Éste es un procedimiento bien conocido y ampliamente utilizado en óptica o en técnicas que utilizan máscaras codificadas. Este tratamiento es posible debido a que el patrón del blanco 10 es conocido por experimentación, modelación o cálculo.
Nosotros hemos demostrado que la intensidad de cada punto de la imagen no tratada, es la integral sobre el objeto del producto de la transparencia de cada punto 1 del objeto 4 multiplicada por un término dependiente del blanco 10. En el espacio de Fourier o espacio de frecuencia, la transformada de Fourier de la imagen no tratada es el producto de las transformadas de Fourier del objeto y de una imagen del blanco 10 obtenida a través agujeros infinitamente pequeños. Se debe recordar que un agujero minúsculo es, en fotografía, un agujero pequeño situado en una pantalla dispuesta en lugar del objetivo de un dispositivo fotográfico. Con el fin de obtener la imagen reconstruida del objeto, se hace por lo tanto necesario tomar la transformada inversa de Fourier de la relación de transformadas de Fourier de la imagen no tratada y del blanco. La elección del patrón con figuras geométricas hace que sea posible llevar a cabo esta división correctamente. Con un objetivo ampliado tradicional, que sea emisivo de una manera uniforme, las diferencias entre los puntos cercanos del objeto no se mantienen. Existen otros procedimientos de cálculo; éstos permiten que se obtenga el mismo resultado.
La imagen 31 reconstruida del objeto 4 (o del punto 1 del objeto), obtenida tras la desconvolución geométrica, es sustancialmente la que se habría obtenido si se hubiera utilizado un blanco puntual.
Por consiguiente, de acuerdo con la invención, se obtiene una imagen 31 reconstruida de calidad comparable a la que se habría obtenido con un blanco puntual; en otras palabras, una imagen nítida con una buena resolución. Puesto que el blanco de acuerdo con la invención, tiene dimensiones mayores que las del blanco puntual que habría proporcionado la misma imagen, éste tiene un tiempo de vida más largo que si se compara con el blanco puntual. El aumento del tiempo de vida puede ser muy importante debido a que la relación de áreas superficiales entre el blanco conforme a la invención y el blanco puntual que habría proporcionado la misma imagen puede alcanzar, dependiendo del caso, factores de cien veces o de mil veces. El flujo de neutrones se ve así incrementado en comparación con el del blanco puntual. A igual área superficial de emisión y a igual intensidad de emisión, un blanco de acuerdo con la invención hace que sea posible obtener una calidad de imagen reconstruida mucho mejor que con un blanco homogéneo convencional.
El patrón del blanco 10 aparece sobre el plano 5 de imagen de una manera más o menos intensa dependiendo de si el objeto 4 permite que el flujo de neutrones pase en mayor o menor medida. La diferencia entre la imagen 30 sin tratar, obtenida con la instalación de radiografía de transmisión de la Figura 3A y la de la Figura 3B, está únicamente a nivel de su intensidad. La imagen 30 sin tratar de la Figura 3B es menos intensa que la de la Figura 3A. Esto significa que el objeto que ha proporcionado la imagen 30 no tratada de la Figura 3B, es menos transparente a los neutrones que el mostrado en la Figura 3A.
Ahora vamos a describir una primera realización de un blanco para fuente de neutrones conforme a la invención, haciendo para ello referencia a las Figuras 4A, 4B y 4C. El blanco comprende un soporte 14 no emisivo, de un material que no fija el hidrógeno. Dicho material puede ser elegido entre cobre, plata, oro, u otros, siendo dichos metales utilizados solos o en combinación. Sobre el soporte 14, normalmente circular aunque sin que esta forma tenga que ser obligatoria, se deposita al menos un material 15 de fijación de hidrógeno mediante una matriz 16 de duplicación. Dicha matriz 16 de duplicación tiene un patrón que corresponde con el que debe tener el blanco, en otras palabras, un patrón del tipo de las máscaras codificadas. Dicha matriz 16 de duplicación puede estar formada, por ejemplo, a partir de un metal de tipo hierro o aluminio. Como metal de fijación de hidrógeno se puede emplear, por ejemplo, titanio, zirconio, erbio, escandio o vanadio. El material 15 de fijación de hidrógeno forma bloques 17 sobre el soporte 14. Dichos bloques 17 van a contribuir a la formación de las partes emisoras 11 del blanco. Las partes del soporte 14 situadas entre los bloques 17 son las que van a formar las partes 12 no emisoras del blanco. El material de fijación de hidrógeno puede ser depositado, por ejemplo, por sublimación catódica, evaporación al vacío, u otro procedimiento. El espesor de los bloques 17 es típicamente de varios micrómetros. El soporte 14 equipado con bloques 17, se pone a continuación en presencia de hidrógeno de modo que el material del bloque 17 atrapa el hidrógeno y lo fija. Los bloques 17 con el hidrógeno fijado, han sido representados en la Figura 4B. Esta etapa de fijación de hidrógeno tiene lugar mientras el blanco está situado en una camisa de vacío (que es la del tubo o acelerador que utiliza el blanco), que contiene una mezcla gaseosa de tritio y/o de deuterio a baja presión. Una vez que el hidrógeno ha sido fijado, los bloques 17 están en condiciones de poder emitir neutrones cuando son bombardeados con un haz de partículas. La Figura 4C muestra una vista frontal de un blanco acabado, en forma de disco.
Las Figuras 5A y 5B muestran otra realización de un blanco. Al igual que en el ejemplo anterior, se ha representado el soporte 14 de un material de no fijación de hidrógeno. Dicho soporte 14 se ha cubierto de una manera uniforme, con un material 18 de fijación de hidrógeno. Como material metálico de fijación de hidrógeno se puede utilizar, por ejemplo, titanio, zirconio, erbio, escandio o vanadio, siendo dichos metales utilizados solos o en combinación. La citada deposición puede ser llevada a cabo por sublimación o como en el ejemplo anterior.
El material 18 de fijación de hidrógeno se cubre con una máscara 19 que comprende un patrón del tipo de una máscara codificada o con múltiples agujeros minúsculos. Dicha máscara 19 está formada con un material que no emite neutrones, el cual no sublima o sublima tan poco como sea posible cuando se bombardea mediante partículas, y que sea compatible con técnicas de vacío. Dicho material puede ser elegido, por ejemplo, entre molibdeno o cobre, hierro, tungsteno, tantalio o acero, siendo dichos metales utilizados por sí solos o en combinación. La máscara 19 es sustancialmente paralela a la superficie de la capa 18. Un espacio separador de alrededor de un milímetro o más, puede separar la máscara 19 y la capa 18. Obviamente, la máscara puede estar en contacto con el material de fijación de hidrógeno en vez de estar ligeramente separada.
El conjunto formado a partir del soporte 14, la capa 18 y la máscara 19, se lleva así a presencia del hidrógeno, de modo que la capa 18 atrapa el hidrógeno y lo fija. Esta etapa de fijación de hidrógeno tiene lugar, como en lo que antecede, mientras se coloca el blanco en una camisa de vacío (que es la del tubo o acelerador que utiliza el blanco), que contiene una mezcla gaseosa de tritio y/o de deuterio bajo una presión baja. La capa 18 forma entonces una zona extensa, capaz de emitir neutrones, pero que está parcialmente enmascarada por la máscara 19. El material de la capa 18 con el hidrógeno fijado, situado en las aberturas de la máscara 19, forma las partes emisoras 11 del blanco, mientras que las partes macizas de la máscara 19 forman las partes 12 no emisoras del blanco. Las partes de la capa 18 situadas por detrás de las partes macizas de la máscara 19, son inactivas incluso aunque estén impregnadas de hidrógeno. Obviamente, es posible que la fijación de hidrógeno de la capa 18 tenga lugar antes de la aplicación de la máscara 19.
Con un objetivo tal como el representado en las Figuras 5, el haz de partículas que va a bombardear la capa 18 con hidrógeno fijado, con el fin de hacer que ésta emita neutrones, está codificado debido a que va a ser parcialmente interrumpido por la máscara 19 y solamente alcanzará las partes emisoras 11. El haz de neutrones está también codificado, puesto que solamente las partes emisoras 11 son las que van a emitir neutrones.
Tales blancos pueden estar integrados en un tubo generador de neutrones, en particular para llevar a cabo una radiografía de transmisión rápida de neutrones. La energía de los neutrones puede ser de 14 MeV o de 2,45 MeV. La imagen reconstruida tiene entonces una resolución comparable con la obtenida con un blanco puntual, y una intensidad sustancialmente igual a n veces la obtenida con un blanco puntual, donde n es el número de partes emisoras 11 del blanco.
El blanco puede estar incluido en un acelerador de partículas según se ha representado en la Figura 6. Dicho acelerador comprende un cuerpo tubular 60 que coopera con medios 61 de bombeo para extraer el gas no ionizado, y medios 62 de enfriamiento. En uno de los extremos del acelerador, se han dispuesto medios 63 de inyección de un haz 64 iónico (protones o deuterones). En el otro extremo se ha situado el blanco 65 de acuerdo con la invención, que ha de ser bombardeado. En el cuerpo 60 del acelerador iónico, los iones son primero enfocados y después acelerados antes de que alcancen el blanco 65. Los medios de enfoque referenciados con 66, pueden estar formados por electrodos. Los medios de aceleración referenciados con 67, pueden estar formados, por ejemplo, mediante varios dispositivos de alta tensión. Este tipo de acelerador de partículas encuentra aplicación en radiografía de neutrones o en el análisis de la materia.
También resulta ventajoso integrar un blanco en un tubo generador de neutrones que tenga partículas asociadas, en otras palabras, un tubo generador de neutrones equipado con un detector de partículas \alpha. Un ejemplo de este tipo de tubo ha sido representado en la Figura 7A. Una aplicación particularmente interesante de este tipo de tubo con partículas asociadas, es la formación de imágenes y/o el análisis de sustancias tales como la detección de minas en la tierra, la detección de materiales ilícitos o de explosivos en diversos contenedores.
Un tubo generador de neutrones equipado con un detector de partículas \alpha, es conocido por ejemplo a partir de la solicitud de Patente FR-A1-2 738 669 a nombre de la misma solicitante. Dicho tubo generador de neutrones está equipado con un detector de partículas \alpha emitidas por un blanco de emisión uniforme. El medio de enfoque puede ser un tipo de máscara codificada y dispuesta en la trayectoria de las partículas \alpha. En la presente invención, son cualesquiera de los iones proyectados sobre el blanco los que son codificados en el caso de la máscara, o bien es el propio blanco el que está codificado.
Las desventajas de este tipo de tubo en comparación con el de la presente invención, consisten en que es más voluminoso, debido a que el detector de partículas \alpha está relativamente alejado del blanco, es decir, es más complicado de fabricar y más difícil de usar. La distancia de la máscara codificada desde el blanco, introduce una falta de nitidez sobre el origen de los neutrones, lo que hace que el uso del algoritmo de desconvolución sea menos fácil de implementar.
Ahora vamos a hacer referencia a la Figura 7A. El tubo comprende una camisa 41 de vacío, prevista para contener una mezcla gaseosa de tritio y/o de deuterio a una presión baja (de aproximadamente varias decenas de Pascales). El desgasificador referenciado con 42 permite el suministro de una mezcla gaseosa y actúa como un regulador de presión. La camisa 41 está hermetizada mediante una parte 43 eléctricamente aislante que está atravesada por conexiones 44 de alta tensión para el suministro de energía para una fuente 45 de iones situada en la citada camisa 41. Dicha fuente de iones 45 ioniza la mezcla gaseosa presente en dicha camisa 41. Dicha fuente 45 de iones está destinada a producir iones que forman un haz 46 de iones dirigidos hacia el blanco patrón 47 de la invención cuando son acelerados por un electrodo 48 de aceleración situado entre la fuente 45 de iones y el blanco patrón 47. La fuente 45 de iones puede ser de tipo Penning, y comprende un ánodo 71, un cátodo 72 y un imán permanente 73 que crea un campo magnético normal al campo eléctrico establecido entre el cátodo 72 y el ánodo 71. Una carcasa 74 ferromagnética circunda al cátodo 72 y al ánodo 71, y guía el campo magnético generado por el imán 73 de modo que vuelve a cerrar a nivel de un entrehierro de aire atravesado por el haz 46 de iones.
La camisa 41 contiene también un detector 49 de partículas \alpha formado, por ejemplo, por una pluralidad de diodos de unión, o un escintilador o una serie de fibras ópticas escintiladoras sensibles a las partículas \alpha e insensibles a los neutrones y fotones. El escintilador puede estar asociado a un tubo foto-multiplicador o a un dispositivo de oblea multi-canal (no representado).
Cuando un ión choca contra una parte emisora del blanco 47, existe una emisión simultánea de un neutrón n y de una partícula \alpha en direcciones opuestas. En el blanco 47, las partes emisoras y su soporte constituyen un obstáculo infranqueable para que las partículas \alpha se sumerjan en el mismo. Las partículas \alpha útiles alcanzan el detector 49 de partículas \alpha. Una partícula \alpha proporciona información sobre un neutrón n emitido en dirección opuesta.
El blanco 47 con figuras geométricas, puede estar inclinado en relación con el haz 46 de iones, por ejemplo en aproximadamente 45º, con el fin de optimizar la detección de partículas \alpha sin interrumpir la interacción entre haz 46 iónico - blanco 47. El detector 49 de partículas \alpha está inclinado en relación con el blanco 47; éste está sustancialmente dirigido del mismo modo que el haz 46 de partículas. Podría ser sustancialmente paralelo al blanco, según se muestra en la Figura 8c.
De la misma manera, un acelerador de partículas puede incluir un detector de partículas \alpha según se ha ilustrado en las Figuras 7B y 7C. El detector de partículas \alpha ha sido referenciado con 69. Éste puede ser del mismo tipo que el que se ha descrito en relación con la Figura 7A. En la Figura 7B, el blanco 65 está inclinado en relación con el haz 64 de iones, mientras que en la Figura 7C, es normal al haz 64 de iones.
Las Figuras 8A y 8B ilustran esquemáticamente instalaciones para formación de imágenes y/o materiales de análisis, que pueden estar ocultas, utilizando un tubo 53 convencional generador de neutrones que tiene partículas asociadas. En la Figura 8A, el tubo 53 generador de neutrones es un blanco 53 puntual, y en la Figura 8B es un blanco 56' ampliado. En dichos tubos 53 generadores de neutrones, la fuente de iones ha sido referenciada como 54, y el haz de iones que ésta produce, como 55. La fuente 54 de iones y el blanco 56 ó 56', están contenidos dentro de una camisa 57 de vacío. La camisa contiene también un detector 58 de partículas \alpha. La referencia 51 ilustra un objeto en el que se desea analizar el material, y/o se desea verlo en una o dos dimensiones.
Se hace uso del hecho de que algunos neutrones que resultan del blanco 56, penetran en el objeto 51 e interactúan con los núcleos de los átomos de tal manera que cada núcleo emite en retorno uno o varios rayos gamma (rayos \gamma) o eventos \gamma con una energía característica de la energía del elemento químico a partir del cual resulta. Al menos un detector 50 de radiación \gamma ha sido situado cerca del objeto 51. El análisis del espectro \gamma obtenido proporciona información sobre la composición, elemento químico a elemento químico, de los materiales encontrados por el flujo de neutrones emitido por el tubo en un volumen dado de material bombardeado con neutrones. Pero, de hecho, este tipo de espectro es difícil de usar en sí mismo, debido a que está sumergido en el ruido que resulta de la detección de numerosos rayos \gamma generados fuera del volumen del objeto 51, por ejemplo mediante la radiación \gamma generada por la interacción de neutrones con el detector 50 de radiación \gamma.
Un objetivo consiste en determinar la constitución y/o en obtener una pseudo-imagen de un objeto situado a una distancia h del blanco 56, 56'. Dicha pseudo-imagen, en dos o tres dimensiones, se denomina pseudo-imagen debido a que es una imagen indirecta del objeto. Ésta no viene dada por los neutrones que pasan a través del objeto, sino por la radiación \gamma recogida cerca del objeto. Ésta es representativa de su constitución química. La distancia h corresponde con un tiempo t de vuelo para los neutrones emitidos por el blanco 56, 56'. Dicho tiempo t de vuelo es conocido a partir de la velocidad de un neutrón (5,2 cm/s para neutrones con una energía de 14 MeV), a partir de su momento de partida conocido mediante la detección de la partícula \alpha asociada que tiene, por su parte, una velocidad de 1,3 cm/s.
Se tiene interés en eventos \gamma detectados por dicho detector 50 de radiación \gamma, asociado a este tiempo característico de vuelo t. Dichos eventos \gamma están todos relacionados con la detección de partículas \alpha por el detector 58 compuesto por una pluralidad de píxeles 76 dispuestos en una matriz. Dicho detector de partículas \alpha y dicho detector de radiación \gamma están enlazados con medios 59 de tratamiento que determinan los eventos \gamma en coincidencia con un píxel p_{x,y} para un tiempo de vuelo t dado.
Medios 70 de cálculo (por ejemplo, del tipo de un ordenador personal), conectados a la salida de los medios 59 de tratamiento, hacen que sea posible llevar a cabo un análisis espectral del objeto 51. Medios 75 de desconvolución espectral, conectados a los medios 70 de cálculo, suministran la pseudo-imagen en dos dimensiones o en tres dimensiones del objeto 51, elemento químico a elemento químico.
La resolución de la pseudo-imagen depende del tamaño del blanco. Ahora nos vamos a referir a la Figura 8A, la cual ilustra el caso de un blanco puntual 56. Cuanto más pequeño es el blanco, mejor es la resolución. En efecto, uno p_{x,y} de los píxeles 76 del detector 58 de partículas \alpha, recibe las partículas \alpha que provienen de los neutrones n emitidos por el blanco puntual 56, y dichas partículas \alpha traducen las interacciones de los neutrones n que circulan por una línea recta d que pasa a través del píxel p_{x,y} y del punto que constituye el blanco puntual 56. La posición del píxel p_{x,y} del detector 58 de partículas \alpha hace que sea posible conocer la trayectoria de los neutrones n emitidos simultáneamente con las partículas \alpha en cuestión, puesto que está en la línea recta d. El espectro de radiación \gamma obtenido para el tiempo dado de vuelo t, y para una coincidencia \gamma - \alpha de la anchura de tiempo \Deltat con el píxel p_{x,y}, es el espectro característico de un volumen de material, obtenido por una proyección en volumen del píxel p_{x,y} a través del blanco puntual 56. El espesor del material del volumen se define mediante el producto de la velocidad de los neutrones multiplicada por \Deltat. Sin embargo, un tubo 53 generador de neutrones que tenga un blanco puntual 56, tiene un tiempo de vida corto. Se tiende, por lo tanto, a incrementar el área superficial del blanco.
La Figura 8B difiere de la Figura 8A en el hecho de que el blanco 56' no es un blanco puntual, sino un blanco extenso. Este es un caso extremo. La localización de una partícula \alpha sobre el detector 58 de partículas \alpha por medio de un píxel p_{x,y} no permite que la trayectoria del neutrón n correspondiente sea conocida. Ésta solamente puede ser localizada en el interior de un ángulo A sólido, cuyo vértice es el píxel p_{x,y}, que descansa sobre el contorno del blanco 56', y que pasa a través del objeto 51. Esta configuración excluye la noción de imagen nítida.
La Figura 8C ilustra una instalación para la formación de imágenes y/o análisis de materiales, que puede estar oculta, que utiliza una fuente de neutrones identificada con la referencia 82, ya sea un tubo generador de neutrones del mismo tipo que el de la Figura 7A, o ya sea un acelerador de partículas del mismo tipo que el de las Figuras 7B o 7C. Dicho tubo o acelerador contiene un blanco patrón 80. El resto de la instalación es similar a la que se ha representado en las Figuras 8A y 8B, salvo por el hecho de que los medios 81 de desconvolución geométrica están insertados entre los medios 70 de cálculo y los medios 75 de desconvolución espectral. El principio funcional de tal instalación es similar al de la instalación de la Figura 8A con una multitud de blancos puntuales distintos. Por analogía, con el uso del tubo generador de neutrones de la Figura 3A, en ausencia de medios de desconvolución geométrica, se podría obtener en cada punto de la imagen del objeto 51, la imagen mezclada del propio objeto y del blanco con figuras geométricas. Los medios 81 de desconvolución geométrica, por ejemplo si adoptan forma de algoritmo inverso, permiten que las dos imágenes mezcladas puedan ser separadas.
Un fragmento elemental (no representado) de material del objeto 51 contribuye con L píxeles 76 del detector 58 de partículas \alpha, y de ese modo con L espectros \gamma. Todo ello tiene lugar como si la detección de radiación \gamma desde el objeto 51 bombardeado con neutrones n fuera llevada a cabo mediante el propio detector 58 de partículas \alpha, a través de una máscara codificada con el blanco patrón 80.
Si el blanco 80 está compuesto por M blancos puntuales, el espectro asociado a cada uno de los L píxeles 76 del detector de partículas \alpha es una combinación de M espectros correspondientes a M fragmentos elementales del objeto 51 por medio del blanco. Matemáticamente, se obtiene un sistema próximo a un sistema de L ecuaciones y M incógnitas. Invirtiendo este sistema, se puede acceder a los espectros de los fragmentos elementales del objeto. Con el fin de que sea resoluble, el sistema requiere que M (número de blancos puntuales) sea menor que L (número de píxeles \alpha).
El detector 56 de radiación \gamma podría ser sustituido por un detector de neutrones tal como el que lleva la referencia 33 en la Figura 3A. El principio de utilización de la instalación podría ser el mismo para llevar a cabo la formación de imágenes de sustancias que pudieran estar ocultas. Por esta razón, no se ha añadido a la nueva figura.
De ese modo, con los tubos generadores de neutrones y los aceleradores de partículas conforme a la invención, es posible llevar acabo, una formación de imagen directa tal como una radiografía de neutrones, o una formación de imagen indirecta tal como un análisis mediante espectrometría \gamma y un tubo de partículas asociado. En ambos casos, la codificación del blanco permite la codificación de la imagen o de la pseudo-imagen, y la obtención de una imagen o una pseudo-imagen "pura" del objeto, libre de las aberraciones debidas a la naturaleza no puntual de los blancos formados en la práctica. Por consiguiente, la invención hace que sea posible producir sistemas que tienen ambas propiedades de alta resolución geométrica y un tiempo de vida largo, que no eran compatibles anteriormente.
Aunque se han descrito y representado varias realizaciones de la presente invención, se debe entender que se pueden hacer múltiples cambios y modificaciones sin sobrepasar el alcance de protección de la invención.

Claims (23)

1. Fuente de neutrones, que comprende un blanco previsto para emitir neutrones cuando es bombardeado con partículas, caracterizada porque comprende partes (11) emisoras de neutrones y partes (12) no emisoras de neutrones que están yuxtapuestas, formando dichas partes emisoras y no emisoras un patrón del tipo de una máscara codificada tal que dicha fuente emite un flujo de neutrones codificado por el patrón del blanco.
2. Fuente de neutrones de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque las partes (11) emisoras están formadas a partir de al menos un hidruro metálico, siendo el metal (15) del hidruro metálico depositado sobre un soporte (14) de material no fijador de hidrógeno, a través de una plantilla (16).
3. Fuente de neutrones de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque el blanco comprende una zona extensa (18), emisora de neutrones, formada a partir de al menos un hidruro metálico, cooperando dicha zona (18) extensa con una máscara (19) de material no emisor de neutrones, cubriendo el material no emisor de la máscara (19) parcialmente la zona extensa emisora enfrentada a las partículas, y formando partes (12) no emisoras.
4. Fuente de neutrones de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizada porque la zona extensa emisora (18) está soportada por un soporte (14) de un material no fijador de hidrógeno.
5. Fuente de neutrones de acuerdo con una de las reivindicaciones 2 ó 4, caracterizada porque el material no fijador de hidrógeno del soporte (14) se elige entre cobre, plata u oro, siendo dichos metales usados solos o en combinación.
6. Fuente de neutrones de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque el metal del hidruro metálico se elige entre titanio, zirconio, erbio, escandio y vanadio.
7. Fuente de neutrones de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizada porque el material no emisor de la máscara (19) se elige entre molibdeno, acero, hierro, cobre, tungsteno y tantalio, siendo dichos metales utilizados solos o en combinación.
8. Acelerador de partículas, caracterizado porque comprende una fuente de neutrones de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 7.
9. Aplicación del acelerador de partículas de acuerdo con la reivindicación 8 a radiografía, en la que el blanco (10) coopera con medios (32) de desconvolución geométrica para descodificar una imagen (30) no tratada proporcionada por los neutrones que han atravesado un objeto (4) que ha de ser radiografiado, en una imagen (31) reconstruida del objeto.
10. Acelerador de partículas de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque está equipado con un detector (69) de partículas \alpha asociadas a la emisión de neutrones.
11. Acelerador de partículas de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque el detector (69) de partículas \alpha comprende una pluralidad de píxeles (76) dispuestos en una matriz.
12. Acelerador de partículas de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 u 11, caracterizado porque el blanco (65) está inclinado en relación con la dirección de las partículas (64) que lo bombardean.
13. Acelerador de partículas de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 a 12, caracterizado porque el blanco (80) es sustancialmente paralelo al detector (58) de partículas \alpha.
14. Aplicación del acelerador de partículas de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 a 13, al análisis de sustancias y/o a la formación de imágenes de sustancias que pueden estar ocultas, cooperando dicho acelerador con al menos un detector (50) de radiación \gamma y con medios (81) de desconvolución geométrica respecto a una pseudo-imagen gamma obtenida por coincidencia de eventos gamma y de partículas \alpha detectadas por el detector de partículas \alpha.
15. Aplicación del acelerador de partículas de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 a 13, a la formación de imágenes de sustancias que pueden estar ocultas, cooperando el tubo con un detector de neutrones.
16. Tubo generador de neutrones, caracterizado porque comprende una fuente (10) de neutrones de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 7.
17. Aplicación del tubo generador de neutrones de acuerdo con la reivindicación 16 a radiografía, en la que el blanco (10) coopera con los medios (32) de desconvolución geométrica para la descodificación de una imagen (30) no tratada, proporcionada por los neutrones que han atravesado un objeto (14) que ha de ser radiografiado, en una imagen (31) reconstruida del objeto.
18. Tubo generador de neutrones de acuerdo con la reivindicación 16, caracterizado porque está equipado con un detector (49) de partículas \alpha asociadas a la emisión de neutrones.
19. Tubo generador de neutrones de acuerdo con la reivindicación 18, caracterizado porque el detector (49) de partículas \alpha comprende una pluralidad de píxeles (76) dispuestos en una matriz.
20. Tubo generador de neutrones de acuerdo con una de las reivindicaciones 18 ó 19, caracterizado porque el blanco (47) está inclinado en relación con la dirección de las partículas (64) que lo bombardean.
21. Tubo generador de neutrones de acuerdo con una de las reivindicaciones 18 ó 19, caracterizado porque el blanco (80) es sustancialmente paralelo al detector (58) de partículas \alpha.
22. Aplicación del tubo generador de neutrones de acuerdo con una de las reivindicaciones 18 a 21, al análisis de sustancias y/o a la formación de imágenes de sustancias que pueden estar ocultas, cooperando el tubo con al menos un detector (50) de radiación \gamma y con medios (81) de desconvolución geométrica para una pseudo-imagen gamma obtenida por coincidencia de eventos gamma y de partículas \alpha detectadas por el detector de partículas \alpha.
23. Aplicación del tubo generador de neutrones de acuerdo con una de las reivindicaciones 18 a 21, a la formación de imágenes de sustancias que pueden estar ocultas, cooperando el tubo con un detector de neutrones.
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