ES2827957T3 - Aparato y método para la inspección no invasiva de cuerpos sólidos mediante la obtención de imágenes mediante muones - Google Patents

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Osvaldo Catalano
Paolo Conconi
Giancarlo Cusumano
Santo Melania Del
Rosa Giovanni La
Maria Concetta Maccarone
Teresa Mineo
Giovanni Pareschi
Giuseppe Sottile
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ISTITUTO NAZ DI ASTROFISICA
Istituto Nazionale di Astrofisica INAF
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Istituto Nazionale di Astrofisica INAF
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Abstract

Un aparato para la inspección no invasiva de cuerpos sólidos mediante obtención de imágenes mediante muones, que comprende: - un receptor (3) adaptado para interceptar una radiación de Cherenkov procedente de un flujo de muones asociado a rayos cósmicos que atraviesan una parte de un cuerpo a inspeccionar; - medios (4) de detección adaptados para detectar la cantidad de radiación de Cherenkov asociada al flujo de muones; - medios electrónicos de procesamiento adaptados para reconstruir la energía y dirección del flujo incidente de muones a la parte del cuerpo a inspeccionar, para calcular la densidad local de la misma; comprendiendo dicho receptor (3) un dispositivo óptico (5) provisto de al menos una superficie receptora (6) que tiene propiedades reflectoras y/o difractivas adaptadas para transportar la radiación de Cherenkov asociada con muones hacia dichos medios (4) de detección, comprendiendo estos últimos una cámara (8) de detección multipixel adaptada para proporcionar una imagen anular del muon con radio y posición variables como una función de la energía y dirección del flujo de muones, siendo dicho dispositivo óptico (5) del tipo con doble reflexión y/o difracción con una superficie (10) receptora secundaria orientada y alineada con dicha superficie (6) receptora primaria, para transferir el flujo de fotones recibidos por esta última, y para concentrarla hacia dicha cámara (8) de detección orientada hacia dicha superficie (10) receptora secundaria caracterizado por que dicho dispositivo óptico (5) comprende lentes de Fresnel, fabricadas de material plástico, para reducir el peso de dicho aparato y mejorar la transportabilidad del mismo.

Description

DESCRIPCIÓN
Aparato y método para la inspección no invasiva de cuerpos sólidos mediante la obtención de imágenes mediante muones
Descripción
Campo técnico
La presente invención tiene aplicación en el campo técnico de los instrumentos de medición, y se refiere a un aparato para una inspección no invasiva de cuerpos sólidos mediante la obtención de imágenes mediante muones, utilizable en ingeniería civil, arqueología, vulcanología, tectónica y en cualquier parte donde sea necesaria una inspección no destructiva radiográfica y/o tomográfica de estructuras geológicas y/o de ingeniería, incluso de grandes dimensiones.
La invención se refiere, además, a un método para una inspección no invasiva mediante la obtención de imágenes mediante muones por dicho aparato.
Estado de la técnica
Se conocen investigaciones tomográficas basadas en técnicas de “ seguimiento” que explotan la detección de energía asociada con las partículas cargadas de rayos cósmicos que pasan a través de un material a investigar, para realizar inspecciones no invasivas.
Dichas técnicas se basan en mostrar la trayectoria de la partícula que, al pasar a través de planos de detección, por lo general, planos de centelleo, produce un pulso eléctrico que, una vez analizado adecuadamente, proporciona la dirección de origen de la partícula.
La interacción del rayo cósmico primario (hadrones y fotones gamma) con los átomos de la atmósfera genera una lluvia de otras partículas, entre las cuales hay muchos piones que se descomponen muy rápidamente en muones, partículas altamente penetrantes.
Estos últimos, ya que tienen un tiempo de descomposición más largo e interactúan, principalmente, con la materia a través de una fuerza de Coulomb, pueden llegar a la superficie terrestre ocasionando un flujo isotrópico de radiación cargada penetrante que, a nivel del mar, es de aproximadamente 1 muon por centímetro cuadrado por minuto.
Las técnicas de “ seguimiento” de muones para la radiografía/tomografía de objetos masivos explotan la alta capacidad de penetración de los muones y su pérdida de energía simultánea a través de las interacciones electromagnéticas en el material atravesado, ya que la absorción de energía depende del grosor y de la densidad del material atravesado, y de la energía del muon incidente.
Por lo tanto, el muon saliente tiene una energía inferior al muon incidente y, es más, se desvía de la dirección original debido a muchas desviaciones de ángulo pequeño que se producen al atravesarlo (dispersión de Coulomb).
Además, el ángulo promedio de desviación es proporcional al valor inverso del momento de la partícula y a la raíz cuadrada de la densidad real del material, medido en longitudes de radiación.
Por lo tanto, midiendo la atenuación de flujo de muones como función de la cantidad de materia atravesada en diferentes direcciones, es posible determinar la densidad de distribución del material investigado.
Las técnicas de estudio geofísico conocidas, utilizadas especialmente en el campo de la vulcanología, establecen el uso de telescopios con barras de centelleo leídas mediante detectores de luz, tales como fotomultiplicadores o fotomultiplicadores de silicio que interceptan los muones que salen del volcán, tal como se describe, por ejemplo, en JP-20060096285.
Sin embargo, la señal producida por estos instrumentos se ve afectada por el efecto de coincidencias accidentales, por ejemplo, debido a partículas de baja energía que golpean simultáneamente los planos del telescopio, simulando un evento y, sobre todo, el denominado reflujo, que es el flujo que llega de la dirección opuesta al que pasa a través del material examinado.
Además, dichos instrumentos no proporcionan información acerca del espectro de energía de muones incidentes, que debe conocerse para calcular el modelo integrado de flujo a través del cuerpo, para su comparación con los datos observados.
Algunos instrumentos han tratado de limitar el reflujo insertando hasta seis planos de centelleo entre planos absorbentes de plomo y hierro. Esta solución ha reducido considerablemente, o incluso completamente, el fondo de muones no coherentes, pero también ha aumentado demasiado el peso del instrumento, limitando su transportabilidad y compacidad.
JP-2010101892 describe una técnica de medición aplicada en el campo de la vulcanología, basada en la detección de rastros de muones que pasan a través de endoscopios de planos de centelleo.
Sin embargo, esta técnica requiere muchas capas de detección y un tiempo de resolución suficientemente amplio como para reducir el nivel de falsos positivos debidos a las partículas de fondo inevitables. US-B1-6518580 describe un aparato que utiliza radiación de Cherenkov para proporcionar una medición radiográfica de un blanco. La trayectoria de la radiación dentro del aparato es bastante simple, en particular porque el blanco de la medición es un objeto relativamente pequeño, por ejemplo, un motor de CI, que se expone a una fuente de radiación.
O. Catalano y col.: “Volcanoes muon imaging using Cherenkov telescopes” , Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Sección A: Accelerators, Spectrometers, Detectors, and Associated Equipment, vol. 807, 5 de noviembre de 2015 (5-11-2015), páginas 5-12, XP055372802, NL ISSN: 0168-9002, DOI: 10.1016/j.nima.2015.10.065 describe el uso de telescopios basado en la técnica atmosférica de obtención de imágenes de efecto Cherenkov para el estudio del interior de los volcanes, al detectar la luz de Cherenkov producida por muones de rayos cósmicos relativistas que sobreviven después de haber atravesado el volcán; la luz de Cherenkov producida a lo largo de la trayectoria del muon se visualiza como un patrón anular típico que contiene toda la información esencial para reconstruir la dirección y energía de la partícula; este enfoque ofrece la ventaja de un fondo insignificante y una resolución espacial mejorada; se han llevado a cabo simulaciones con una maqueta basada en los parámetros geométricos de ASTRI SST 2M, es decir, el telescopio atmosférico de obtención de imágenes de Cherenkov, actualmente en instalación en el volcán Etna, para probar la viabilidad del método que, en comparación con los experimentos anteriores basados en detectores de partículas, permiten obtener una ganancia en sensibilidad de al menos en un factor de 10.
Osvaldo Catalano y col.: “ Osvaldo Catalano- 9th ASTRI Collaboration Meeting, 23- 26 February 2015 Volcanoes muon imaging using the ASTRI Cherenkov prototype” , 26 de febrero de 2015 (26-02-2015), XP055372807, describe mediciones de la estructura interna de volcanes utilizando muones basándose en la detección de rastros de muones que atraviesan hodoscopios hechos de centelleadores o planos de emulsión nuclear; el estudio se llevó a cabo en el volcán Etna, que se alza al noreste del Observatorio Serra La Nave, donde estaba situado el telescopio ASTRI SST-2M; Dado que los muones interactúan muy poco con la materia, pueden atravesar grandes extensiones de roca, perdiendo una fracción de energía proporcional al grosor de las rocas atravesadas; la distribución de densidad del interior de un volcán puede determinarse midiendo la atenuación diferencial del flujo de muones como función de la cantidad de roca atravesada en distintas direcciones.
Heinrich J. Volk y col.: “ Imaging very high energy gamma-ray telescopes” , Experimental Astronomy, vol. 25, núm. 1-3, 10 de marzo de 2009 (10-03-2009), páginas 173-191, XP055290031, NL ISSN: 0922-6435, DOI: 10.1007/sl0686-009- 9151 -z describe la técnica de astronomía de rayos y a energías muy elevadas (VHE: > 100 GeV) con telescopios de Cherenkov atmosféricos en tierra de obtención de imágenes, sirviendo como ejemplo el conjunto de telescopios H.E.S.S. en Namibia; se proporciona principalmente una explicación de los principios físicos de la técnica atmosférica de Cherenkov, destacando su rápido desarrollo durante la última década; el estado actual se ilustra por medio de dos ejemplos: la caracterización espectral y morfológica en rayos y VHE de un remanente de supernova de tipo cascarón junto con su interpretación teórica, y los resultados de un estudio del Plano galáctico que muestra una gran variedad de fuentes no térmicas.
US-2011/035151 A1 describe métodos y sistemas relacionados para su uso en la realización de mediciones nucleares subterráneas; el sistema puede incluir una pluralidad de elementos de centelleo alargados, generando cada uno señales ópticas en respuesta a la radiación ionizante; las unidades del detector óptico pueden acoplarse ópticamente a al menos un extremo de cada elemento alargado de centelleo, para detectar señales ópticas de cada elemento alargado de centelleo; el sistema puede ser adecuado para un pozo de despliegue permanente o semipermanente; por ejemplo, el sistema puede funcionar durante más de seis meses en un despliegue subterráneo que mida la radiación cósmica; el sistema puede ser adecuado para monitorizar cambios de densidad en regiones subterráneas de interés, por ejemplo, cambios de densidad producidos por la inyección de vapor como parte de una operación de drenaje por gravedad asistida por vapor.
Descripción de la invención
El objeto de la presente invención es superar los inconvenientes mencionados anteriormente proporcionando un aparato, según la reivindicación 1, para una inspección no invasiva de cuerpos sólidos mediante una obtención de imágenes mediante muones, que sea especialmente eficiente y bastante barato.
Un objeto particular es proporcionar un aparato para una inspección no invasiva de cuerpos sólidos mediante obtención de imágenes mediante muones, que permita la radiografía y/o tomografía de estructuras, incluso de grandes dimensiones, que puedan llevarse a cabo de forma fiable, al tiempo que se minimicen errores y sea necesario un tiempo considerablemente menor que en técnicas conocidas.
Otro objeto adicional es proporcionar un aparato para una inspección no invasiva de cuerpos sólidos mediante obtención de imágenes mediante muones, que tenga limitaciones y pesos considerablemente menores, para que sea posible transportarlo y que permita investigaciones de radiografía y/o tomografía de grandes masas, tales como volcanes, de una forma rápida y fiable.
Otro objeto adicional es proporcionar un aparato para una inspección no invasiva de cuerpos sólidos mediante obtención de imágenes mediante muones, que sea flexible en su uso.
Un objeto adicional es proporcionar un método, según la reivindicación 8, para una inspección no invasiva de cuerpos sólidos mediante obtención de imágenes mediante muones, que sea especialmente fiable y barato, y que permita que se minimicen errores sistemáticos y falsos positivos.
Tales objetos, así como otros objetos que se harán más evidentes a continuación, se consiguen mediante un aparato para una inspección no invasiva de cuerpos sólidos mediante obtención de imágenes mediante muones que, según la reivindicación 1, comprende un receptor adaptado para interceptar una radiación de Cherenkov en un flujo de muones asociado con rayos cósmicos que atraviesan una parte de un cuerpo a inspeccionar, medios de detección adaptados para detectar la cantidad de fotones o la radiación de Cherenkov asociados al flujo de muones, medios electrónicos de procesamiento adaptados para reconstruir la energía y la dirección del flujo de muones incidente de la parte del cuerpo a inspeccionar, para calcular la densidad local de los mismos.
El receptor comprende un dispositivo óptico provisto de al menos una superficie receptora con propiedades reflectantes y/o difractivas adaptadas para transmitir la radiación de Cherenkov asociada a muones hacia dichos medios de detección.
Los medios de detección comprenden, a su vez, una cámara de detección multipíxel adaptada para proporcionar una imagen anular del muon con radio y posición variables como función de la energía y dirección del flujo de muones.
Mediante tal combinación de características, será posible utilizar un instrumento extremadamente más sencillo y fiable que los utilizados para las técnicas de seguimiento de muones para obtener mediciones de densidad.
Además, la investigación se basa en el análisis y reconstrucción de la imagen del anillo de Cherenkov, que es una técnica eficiente y bien establecida. La medición de la energía del muon permite evaluar también la absorción dentro del objeto que va a evaluarse y, por lo tanto, permite determinar eficazmente la trayectoria real del muon dentro del objeto.
Otra ventaja es el hecho de que no se requieren elementos activos para detectar el muon, como por ejemplo, los centelleadores de plástico, ya que la atmósfera es el medio de conversión muones-fotones de Cherenkov.
De forma ventajosa, dicha cámara de detección puede estar dispuesta en el plano focal de dicho dispositivo óptico receptor.
El dispositivo óptico puede comprender una superficie receptora primaria prevista para transmitir el flujo de fotones de Cherenkov hacia dicho plano focal.
Además, el dispositivo óptico puede ser del tipo con doble reflejo y/o difracción con una superficie receptora secundaria orientada y alineada con dicha superficie receptora primaria, para transferir el flujo de fotones recibidos por el último y para concentrarlo hacia dicha cámara de detección orientada hacia dicha superficie reflectante o difractiva secundaria. Por lo tanto, la señal de Cherenkov producida por el muon será direccional y muy colimada, y será posible eliminar el reflujo producido por los otros muones generados en la atmósfera, que inevitablemente contribuirían a falsas coincidencias. Únicamente los muones que lleguen desde la superficie receptora del dispositivo óptico dentro de un ángulo de 1,3°, es decir, el tamaño angular del cono de radiación del fotón de Cherenkov, con respecto al eje óptico, serán capaces de generar un anillo de Cherenkov en el plano focal del dispositivo óptico.
El aparato puede comprender una pluralidad de dichos dispositivos ópticos asociados con los medios sensores respectivos y con los medios electrónicos de procesamiento respectivos para detectar flujos de muones que provengan de direcciones distintas, siendo móvil al menos uno de los dispositivos ópticos para variar su dirección de detección.
Por lo tanto, será posible disponer los planos de detección del flujo de muones alrededor del cuerpo del material bajo examen para realizar la tomografía 3D.
Según otro aspecto de la invención, se proporciona un método para una inspección no invasiva de cuerpos sólidos mediante obtención de imágenes mediante muones, según la reivindicación 8, con todas las ventajas anteriores.
Las realizaciones ventajosas de la invención se obtienen según las reivindicaciones dependientes.
Breve descripción de los dibujos
Otras características y ventajas de la invención resultarán más claras a partir de la descripción detallada de una realización preferida, aunque no exclusiva, de un aparato para una inspección no invasiva de cuerpos sólidos mediante obtención de imágenes mediante muones, según la invención, se muestran a modo de ejemplo no limitativo con la ayuda de las tablas de dibujos adjuntas, en donde:
La Fig. 1 es una vista esquemática de un aparato según la invención;
La Fig. 2 es la imagen de un muon generada por el aparato, en dos condiciones de impacto distintas del muon;
La Fig.3 es una vista esquemática de un dispositivo óptico que pertenece al aparato según una configuración preferida;
La Fig. 4 es un gráfico sobre el diagrama de puntos y la fracción de fotones delimitados en la imagen para algunos ángulos del intervalo de enfoque, en función del radio medido con respecto al centro de la imagen.
Descripción detallada de una realización preferida
Con referencia a las figuras adjuntas, estas muestran una configuración preferida, pero no exclusiva, de un aparato para una inspección no invasiva de cuerpos sólidos mediante obtención de imágenes mediante muones.
En particular, la Fig. 1 muestra esquemáticamente una disposición preferida de un aparato de tipo móvil, representado, generalmente, por 1, en concreto montado en una estructura móvil 2 para ser transportado fácilmente y situado en diferentes áreas de detección. Por tanto, el aparato 1 puede utilizarse tanto para radiografía 2D como para tomografía 3D, posiblemente en un sistema que comprenda dos o más aparatos, según la invención, no necesariamente similares entre sí.
El aparato 1 comprende esencialmente un receptor 3 adaptado para interceptar una radiación de Cherenkov a partir de un flujo de muones asociados con rayos cósmicos atravesando una parte de un cuerpo a inspeccionar, medios 4 de detección adaptados para detectar la cantidad de radiación de Cherenkov asociada con el flujo de muones y medios electrónicos de procesamiento, no visibles dado que están incorporados a la estructura mecánica de los medios de detección, adaptados para reconstruir la energía y dirección del flujo de muones incidente a la parte del cuerpo a inspeccionar, para calcular la densidad local de los mismos.
El receptor 3 comprende un dispositivo óptico 5 provisto de al menos una superficie receptora 6 que tiene propiedades reflectantes adaptadas para transmitir la radiación de Cherenkov asociada a los muones hacia los medios de detección.
Especialmente, la superficie reflectante 6 pertenece a un espejo 7 diseñado adecuadamente para interceptar la radiación de Cherenkov procedente de un flujo de muones, y dirigirla hacia los medios 4 de detección. Estos últimos comprenden una cámara 8 de detección multipíxel dispuesta en el plano focal del dispositivo 5 óptico receptor y adaptado para proporcionar una imagen anular del muon con radio y posición variables como función de la energía y dirección del flujo de muones.
La Fig. 2 muestra la típica imagen anular de un muon procesada por una cámara multipíxel 8. Especialmente, la imagen de la izquierda muestra el caso en el que un muon impacta en la superficie receptora, mientras que la imagen de la derecha muestra el caso en que el punto de impacto del muon está fuera de la superficie receptora.
Según la configuración preferida, aunque no exclusiva, el dispositivo óptico 5 es del tipo de espejo doble, con un espejo primario 7 y un espejo secundario 9, que tienen superficies reflectantes respectivas.
La superficie 6 receptora reflectante primaria está prevista para interceptar el flujo de fotones de Cherenkov y para transmitirlo a la superficie 10 reflectante secundaria orientada y alineada con la superficie 6 receptora primaria.
Los medios sensores 4 están interpuestos entre las dos superficies reflectantes 6, 10 con la cámara 8 de detección relevante orientada hacia la superficie 10 reflectante secundaria, para así obtener la alineación del plano focal.
Dicha alineación puede obtenerse mediante una estructura 11 de soporte mecánico adecuada que permita que los espejos 7, 9 y la cámara 8 estén mutuamente fijados, y que además permita que el aparato 1 se fije a la estructura 2 de soporte.
La superficie 10 receptora secundaria de tipo reflectante puede transferir por tanto el flujo de fotones recibido por la superficie primaria 6, y concentrarlo hacia la cámara 8 de detección hacia la que está orientada.
La configuración específica del dispositivo óptico 5 puede seleccionarse en función de las necesidades de resolución y también de las necesidades de espacio. La Fig. 3 muestra esquemáticamente una posible configuración de tipo Schwarzschild-Couder, en donde las dos superficies receptoras 6, 10 están definidas por dos espejos asféricos 7, 9 diseñados para corregir las aberraciones esféricas y el coma.
Dicha configuración permite proporcionar un intervalo de enfoque de observación de entre 10° y 15° y, preferiblemente, cercano a 12°, para tener una mayor resolución.
Además, tal configuración permite reducir considerablemente las dimensiones de la cámara 8, a la vez que se logra que las dimensiones de los píxeles del plano focal sean consistentes con los detectores de fotones modernos, como los SiPMs.
En una forma ilustrativa, el espejo primario 7 puede estar compuesto de 8 segmentos que formen una superficie 6 reflectante primaria con un diámetro de 2100 mm. El espejo secundario 9 es monolítico con un diámetro de 800 mm. La distancia entre el espejo primario 7 y el espejo secundario 9 es de 1600 mm, con la cámara 8 situada a una distancia de 275 mm del espejo secundario 9.
Las simulaciones realizadas con el software de diseño óptico ZEMAX muestran que en tal configuración se concentran un 80 % de fotones dentro de un intervalo de 2,8 mm.
La Fig. 4 muestra algunos gráficos sobre el diagrama de puntos y la fracción de fotones delimitados en la imagen para algunos ángulos del intervalo de enfoque, en función de la dimensión lineal (radio) medida con respecto al centro de la imagen.
La configuración de Schwarzschild-Couder tiene la ventaja de reducir las limitaciones y de obtener una alta colimación, pero no es una configuración exclusiva.
La presente invención utiliza lentes de Fresnel, también fabricadas de material plástico, con la ventaja de reducir adicionalmente el peso del aparato 1, mejorando la transportabilidad del mismo.
Según configuraciones alternativas, no mostradas, las superficies receptoras 6, 10 pueden ser de tipo difractivo. Especialmente, en vez de los espejos 7, 9 es posible utilizar dos lentes diseñadas adecuadamente para transportar el flujo de fotones hacia un plano focal donde se instalará la cámara 8.
Especialmente los medios 4 de detección, con la cámara 8 de detección correspondiente, se situarán en el foco de la lente secundaria.
También son posibles configuraciones híbridas, en donde una superficie receptora sea un espejo reflectante, mientras que la otra sea una lente refractiva.
Independientemente de la configuración específica empleada para el dispositivo óptico 5, el aparato 1 puede estar compuesto de un sistema provisto de una pluralidad de dispositivos ópticos asociados con los respectivos medios de detección y sus respectivos medios electrónicos de procesamiento para detectar flujos de muones procedentes de distintas direcciones, para realizar la tomografía 3D. Los dispositivos ópticos no han de ser necesariamente del mismo tipo y preferentemente al menos uno de ellos puede insertarse en una estructura móvil, posiblemente autónoma desde una perspectiva energética, para variar su dirección de detección.
Con respecto a las características de los medios 4 de detección, la cámara múltiplex 8 puede comprender sensores de fotones del tipo siPm, fotomultiplicadores o similares, previstos para generar señales analógicas como función del fotón incidente y de la dirección del flujo de muones, para su envío a los medios electrónicos de procesamiento que determinan convertirlos en señales digitales mediante una unidad de procesamiento adecuada.
En particular, los medios electrónicos de procesamiento están previstos para detectar la señal de la radiación de Cherenkov y llevar a cabo un análisis previsto para medir la atenuación diferencial y la energía del flujo de muones que atraviesa la parte que se inspecciona a lo largo de distintas direcciones y, por tanto, determinar la densidad local del cuerpo inspeccionado. La cámara 8 de detección se compone esencialmente de una estructura mecánica cuya función principal es contener todos los componentes electrónicos y los componentes electrónicos reales, entre ellos módulo de distribución de tensión, detectores, procesador de imágenes, y módulo de comunicación de comandos y datos.
En una forma ilustrativa, la estructura mecánica de la cámara 8 de detección tiene una forma cilindrica con un tamaño de diámetro de 300 mm y un tamaño de altura de 300 mm, y comprende convenientemente una ventana transparente para que entren los fotones reflejados o difractados, y un borde de interfaz mecánica para la conexión a la estructura 11 de soporte del dispositivo óptico 5.
La electrónica de la cámara 8 comprende sensores SiPM, electrónica front-end y electrónica back-end
El principal papel de la electrónica front-end es procesar señales analógicas de los SiPM a señales digitales, mientras que la electrónica back-end gestiona y controla el comportamiento general del sistema, incluyendo la lectura y gestión de datos por una FPGA (matriz de puertas programables in situ).
La electrónica back-end proporciona, además, todas las funciones necesarias para procesar y transmitir a un ordenador externo toda la corriente de datos, incluyendo información de estado del sistema, tales como, por ejemplo, temperaturas y tensiones.
El plano focal de la cámara 8 es de tipo modular, por ejemplo, compuesto de 16 módulos de dimensiones 57 mm x 57 mm x 30 mm. Cada módulo contiene la tarjeta con SiPM (8 píxeles x 8 píxeles), leyendo y procesando la tarjeta ASIC las señales de los SiPM, y controlando y gestionando la placa FPGA todas las funciones operativas de la electrónica frontend. Las tarjetas de cada módulo pueden fijarse mecánicamente a un revestimiento metálico, por ejemplo, fabricado de aluminio, y conectarse entre sí por medio de conectores. Los 16 módulos se disponen geométricamente en una retícula que contiene módulos de 4 x 4, y se fijarán mecánicamente a un soporte de aluminio para una dimensión de 228 mm x 228 mm.
La electrónica back-end es el procesador del sistema y tiene que ser capaz de recibir y procesar datos a una velocidad mayor que la de los eventos activados. La electrónica back-end se basa en una FPGA que controla y monitoriza la corriente de datos y comandos para/a la electrónica del plano focal.
Una tarjeta de distribución de tensión proporciona las tensiones necesarias para los distintos módulos utilizando una sola tensión de entrada de 24 V. La tarjeta activa/desactiva de forma independiente cada subsistema conectado a la misma.
También se proporciona un sistema de adquisición de datos, por ejemplo, un ordenador portátil conectado a la placa back-end mediante un cable de Ethernet desde el que se envían comandos y se reciben datos.
Sin embargo, es evidente que la cámara 8 puede diseñarse también de modo distinto, por ejemplo, con un número distinto de módulos y/o con una disposición distinta en el espacio de los mismos, sin abandonar el ámbito de protección de la presente invención. A partir de lo descrito anteriormente, es evidente que el aparato y el método según la invención alcanzan los objetos antes mencionados.
El aparato y el método según la invención son susceptibles a muchos cambios y variantes, todos comprendidos dentro de la enseñanza de la invención descrita en las reivindicaciones adjuntas. Los materiales pueden ser diferentes dependiendo de las necesidades, sin apartarse del ámbito de protección de la presente invención.
Incluso si el aparato y el método se han descrito con una referencia particular a las figuras adjuntas, los números de referencia utilizados en la descripción y en las reivindicaciones se utilizan para mejorar la comprensión de la invención, y no constituyen ninguna limitación al ámbito de protección reivindicado.

Claims (9)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Un aparato para la inspección no invasiva de cuerpos sólidos mediante obtención de imágenes mediante muones, que comprende:
    - un receptor (3) adaptado para interceptar una radiación de Cherenkov procedente de un flujo de muones asociado a rayos cósmicos que atraviesan una parte de un cuerpo a inspeccionar; - medios (4) de detección adaptados para detectar la cantidad de radiación de Cherenkov asociada al flujo de muones;
    - medios electrónicos de procesamiento adaptados para reconstruir la energía y dirección del flujo incidente de muones a la parte del cuerpo a inspeccionar, para calcular la densidad local de la misma;
    comprendiendo dicho receptor (3) un dispositivo óptico (5) provisto de al menos una superficie receptora (6) que tiene propiedades reflectoras y/o difractivas adaptadas para transportar la radiación de Cherenkov asociada con muones hacia dichos medios (4) de detección, comprendiendo estos últimos una cámara (8) de detección multipixel adaptada para proporcionar una imagen anular del muon con radio y posición variables como una función de la energía y dirección del flujo de muones,
    siendo dicho dispositivo óptico (5) del tipo con doble reflexión y/o difracción con una superficie (10) receptora secundaria orientada y alineada con dicha superficie (6) receptora primaria, para transferir el flujo de fotones recibidos por esta última, y para concentrarla hacia dicha cámara (8) de detección orientada hacia dicha superficie (10) receptora secundaria
    caracterizado por que dicho dispositivo óptico (5) comprende lentes de Fresnel, fabricadas de material plástico, para reducir el peso de dicho aparato y mejorar la transportabilidad del mismo.
  2. 2. Aparato, según la reivindicación 1, caracterizado por que dicha cámara (8) de detección se dispone en el plano focal de dicho dispositivo (5) óptico receptor.
  3. 3. Aparato, según las reivindicación 1 o 2, caracterizado por que dicho dispositivo óptico (5) comprende una superficie (6) receptora primaria adaptada para transmitir el flujo de fotones de Cherenkov hacia dicho plano focal.
  4. 4. Aparato, según cualquier reivindicación anterior, caracterizado por que dicho dispositivo óptico (5) está diseñado para tener un intervalo de enfoque de entre 10° y 15° y preferiblemente cercano a 12°.
  5. 5. Aparato, según cualquier reivindicación anterior, caracterizado por comprender una pluralidad de dichos dispositivos ópticos asociados con medios de detección respectivos, y medios electrónicos de procesamiento respectivos para detectar flujos de muones que proceden de direcciones distintas; siendo móvil al menos uno de dichos dispositivos ópticos para variar su dirección de detección.
  6. 6. Aparato, según cualquier reivindicación anterior, caracterizado por que dicha cámara multipíxel (8) comprende sensores de fotones del tipo SiPM, fotomultiplicadores o similares adaptados para generar señales analógicas como función una de la energía y la dirección del flujo de muones, comprendiendo dichos medios electrónicos de procesamiento una unidad de procesamiento adaptada para transformar dichas señales analógicas a señales digitales.
  7. 7. Aparato, según la reivindicación 6, caracterizado por que dichos medios electrónicos de procesamiento están adaptados para detectar la señal de la radiación de Cherenkov y para realizar un análisis adaptado para medir la atenuación diferencial y la energía del flujo de muones que atraviesa la parte inspeccionada a lo largo de distintas direcciones, y determinar la densidad local del cuerpo inspeccionado.
  8. 8. Un método para la inspección no invasiva de cuerpos sólidos mediante obtención de imágenes, que comprende las siguientes etapas:
    a. interceptar una radiación de Cherenkov de un flujo de muones asociado a rayos cósmicos que atraviesan una parte de un cuerpo a inspeccionar a lo largo de al menos un plano de detección; b. detectar la cantidad de radiación de Cherenkov asociada al flujo de muones para definir una imagen anular del muon;
    c. transferir y concentrar la radiación de Cherenkov hacia una cámara de detección mediante doble reflejo y/o difracción;
    d. procesamiento electrónico de la radiación de Cherenkov detectada para reconstruir la energía y la dirección del flujo de muones incidente de la parte del cuerpo a inspeccionar, para calcular la energía y la dirección del flujo de muones como una función del radio y de la posición de dicha imagen anular, y medir la densidad local del cuerpo inspeccionado como una función de la energía y dirección calculadas,
    caracterizado por que dicho método
    e. utiliza lentes de Fresnel, fabricadas de material plástico.
  9. 9. Método, según la reivindicación 8, caracterizado por que la radiación de Cherenkov procedente de un flujo de muones es interceptada a lo largo de una pluralidad de planos de detección, siendo móvil al menos uno de dichos planos para realizar una tomografía 3D del cuerpo a inspeccionar.
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