FR3129210A1 - Dispositif et procédé de détection d’une substance particulière dans un objet par interrogation photonique active - Google Patents
Dispositif et procédé de détection d’une substance particulière dans un objet par interrogation photonique active Download PDFInfo
- Publication number
- FR3129210A1 FR3129210A1 FR2112182A FR2112182A FR3129210A1 FR 3129210 A1 FR3129210 A1 FR 3129210A1 FR 2112182 A FR2112182 A FR 2112182A FR 2112182 A FR2112182 A FR 2112182A FR 3129210 A1 FR3129210 A1 FR 3129210A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- substance
- detected
- photons
- mev
- reaction
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000126 substance Substances 0.000 title claims abstract description 47
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 20
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 43
- 239000002360 explosive Substances 0.000 claims abstract description 34
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 claims abstract description 29
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 claims abstract description 29
- 229910052768 actinide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 28
- 150000001255 actinides Chemical class 0.000 claims abstract description 28
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 27
- 239000002341 toxic gas Substances 0.000 claims abstract description 27
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 19
- 239000004081 narcotic agent Substances 0.000 claims abstract description 14
- 230000003533 narcotic effect Effects 0.000 claims abstract description 12
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 10
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 16
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 9
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N Fluorine Chemical compound FF PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 claims description 4
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims description 3
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 21
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 9
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 9
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 9
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 230000005461 Bremsstrahlung Effects 0.000 description 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 4
- SPSSULHKWOKEEL-UHFFFAOYSA-N 2,4,6-trinitrotoluene Chemical compound CC1=C([N+]([O-])=O)C=C([N+]([O-])=O)C=C1[N+]([O-])=O SPSSULHKWOKEEL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 239000000015 trinitrotoluene Substances 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 231100000614 poison Toxicity 0.000 description 2
- 230000007096 poisonous effect Effects 0.000 description 2
- 230000000506 psychotropic effect Effects 0.000 description 2
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 2
- JFALSRSLKYAFGM-UHFFFAOYSA-N uranium(0) Chemical compound [U] JFALSRSLKYAFGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 2
- 229910004613 CdTe Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000321453 Paranthias colonus Species 0.000 description 1
- YGYAWVDWMABLBF-UHFFFAOYSA-N Phosgene Chemical compound ClC(Cl)=O YGYAWVDWMABLBF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 229910052767 actinium Inorganic materials 0.000 description 1
- QQINRWTZWGJFDB-UHFFFAOYSA-N actinium atom Chemical compound [Ac] QQINRWTZWGJFDB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 210000003169 central nervous system Anatomy 0.000 description 1
- 125000003636 chemical group Chemical group 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- CHNUOJQWGUIOLD-NFZZJPOKSA-N epalrestat Chemical compound C=1C=CC=CC=1\C=C(/C)\C=C1/SC(=S)N(CC(O)=O)C1=O CHNUOJQWGUIOLD-NFZZJPOKSA-N 0.000 description 1
- 230000004992 fission Effects 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 231100001261 hazardous Toxicity 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 230000008676 import Effects 0.000 description 1
- 238000001427 incoherent neutron scattering Methods 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000036651 mood Effects 0.000 description 1
- 230000008447 perception Effects 0.000 description 1
- 230000005258 radioactive decay Effects 0.000 description 1
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000035807 sensation Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
- G01V5/00—Prospecting or detecting by the use of ionising radiation, e.g. of natural or induced radioactivity
- G01V5/20—Detecting prohibited goods, e.g. weapons, explosives, hazardous substances, contraband or smuggled objects
- G01V5/22—Active interrogation, i.e. by irradiating objects or goods using external radiation sources, e.g. using gamma rays or cosmic rays
- G01V5/234—Measuring induced radiation, e.g. thermal neutron activation analysis
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
- G01V5/00—Prospecting or detecting by the use of ionising radiation, e.g. of natural or induced radioactivity
- G01V5/20—Detecting prohibited goods, e.g. weapons, explosives, hazardous substances, contraband or smuggled objects
- G01V5/22—Active interrogation, i.e. by irradiating objects or goods using external radiation sources, e.g. using gamma rays or cosmic rays
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Geophysics (AREA)
- Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
Abstract
L’invention concerne un dispositif de détection, par interrogation photonique active, d’une substance à détecter contenue dans un objet et choisie parmi des actinides, des explosifs, des stupéfiants et des gaz toxiques contenant du chlore. Il comprend : - un accélérateur de protons configuré pour générer un faisceau de protons accélérés ayant une énergie supérieure à 100 keV et inférieure à 1 MeV ; - une cible configurée pour recevoir le faisceau de protons accélérés et pour générer, par une réaction (p,γ) ou une réaction (p,αγ) ayant une section efficace supérieure à 0,100 mb, un faisceau de photons ayant une énergie discrète supérieure ou égale à 6 MeV, pour détecter un actinide, ou supérieure ou égale à 10 MeV, pour détecter un explosif, un stupéfiant ou un gaz toxique contenant du chlore, le faisceau de photons généré étant destiné à être dirigé sur l’objet contenant la substance à détecter ; - au moins un détecteur de particules configuré pour détecter et mesurer un rayonnement de particules émises par la substance à détecter suite à l’irradiation de l’objet par le faisceau de photons généré, les particules émises étant des neutrons lorsque la substance à détecter est un explosif, un stupéfiant ou un gaz toxique contenant du chlore, ou des photons, lorsque la substance à détecter est un actinide. Figure pour l’abrégé : pas de figure .
Description
Le domaine de l’invention est celui de la détection d’une substance dangereuse, toxique ou illicite contenue dans un objet. Dans ce cadre, l’invention porte sur un dispositif et un procédé de détection d’une substance choisie parmi des actinides, des explosifs, des stupéfiants et des gaz toxiques contenant du chlore, par interrogation photonique active.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Il est connu que les sources de rayonnement neutron et photon peuvent être utilisées pour détecter, à partir de réactions nucléaires spécifiques, la présence de substances dangereuses, toxiques ou illicites telles que des explosifs, certains gaz toxiques (gaz toxiques contenant du chlore), des stupéfiants ou des matières fissiles, dans un objet (qui peut, par exemple, être de type containeur ou colis).
Dans le cadre de la présente invention, on s’intéresse à la détection basée sur l’utilisation de sources de photons, appelée interrogation photonique active (IPA). Cette méthode de détection IPA utilise des réactions photo-nucléaires dont les sections efficaces (probabilités) sont bien connues pour la plupart des noyaux des éléments d’intérêt qui sont présents dans les substances dangereuses, toxiques ou illicites, à savoir les actinides majeurs (235U,238U,239Pu, etc.) pour les matières fissiles, et l’azote, le carbone, l’oxygène, le chlore, pour les explosifs, certains gaz toxiques et les stupéfiants.
Les réactions photo-nucléaires ont pour caractéristique d’être réalisées à seuil, c’est-à-dire qu’elles ne peuvent avoir lieu que si les photons initiaux ont une énergie supérieure à une certaine valeur, qui est spécifique à chaque noyau.
Par exemple, dans le cas des actinides (qui sont détectées à partir des fragments de fission produits par des réactions de photofission (γ,f)), la photofission présente un seuil de réaction compris entre 5 et 6 MeV pour l’ensemble des actinides. La détection des actinides par la méthode IPA nécessite donc une énergie minimale des photons de 6 MeV.
La détection des explosifs par la méthode IPA est, quant à elle, basée sur les réactions photonucléaires (γ,n) sur les noyaux d’azote, qui nécessitent des photons ayant une énergie supérieure à 10 MeV.
Pour utiliser l’interrogation photonique active pour la détection de substances dangereuses, toxiques ou illicites telles que des matières fissiles, des explosifs, des stupéfiants ou des gaz toxiques contenant du chlore, il est donc nécessaire de disposer de sources de photons de haute énergie (supérieure à 6 MeV, voire supérieure à 10 MeV), qui soient suffisamment intenses pour obtenir un rapport signal/bruit satisfaisant, qui soient les plus compactes possibles (afin de faciliter leur transport et leur installation sur site) et sans contraintes radiologiques fortes (permettant une installation facile sur le site de détection).
Les photons utilisés dans l’interrogation photonique active ne peuvent pas être obtenus avec des méthodes conventionnelles basées sur des sources radioactives, car elles ne permettent pas d’atteindre ces niveaux d’énergie.
Traditionnellement, les photons de haute énergie (supérieure ou égale à 6 MeV) utilisés pour mettre en œuvre la méthode IPA sont des photons de bremsstrahlung, qui sont produits à partir d’un accélérateur d’électrons. De manière connue, dans un accélérateur d’électrons, un faisceau d'électrons d'énergie suffisante (plusieurs MeV) frappe une cible constituée d’un matériau de numéro atomique Z élevé, ce qui donne lieu au rayonnement de freinage (photons de bremsstrahlung). Le désavantage d’utiliser un accélérateur d’électrons réside dans le fait que la source de photons ainsi obtenue (photons de bremsstrahlung) est caractérisée par un spectre en énergie qui est continu, comme le montre la courbe 1 dans la , qui représente l’énergie des photons d’une source obtenue à l’aide d’un accélérateur créant un faisceau d’électrons de 15 MeV. Comme on peut le constater, environ 91% des photons produits ont une énergie inférieure ou égale à 5,5 MeV et seulement environ 9% des photons produits ont une énergie supérieure à 5,5 MeV.
Or, dans le cas de la détection d’actinides par exemple, seulement quelques pour-cent des photons obtenus par cette méthode (i.e. ceux ayant ont une énergie supérieure à 6 MeV nécessaire pour induire des réactions de photofission (γ,f)) peuvent être utilisés, la grande majorité des photons étant à l’origine d’une irradiation inutile des substances présentes dans l’objet à sonder. La présence humaine ne pouvant pas être exclue dans le contexte actuel, cette forte irradiation sans réelle valeur ajoutée pour la détection de substances dangereuses, toxiques ou illicites est d’autant plus à éviter.
Dans le cas particulier de la détection des explosifs, des stupéfiants ou des gaz toxiques contenant du chlore par irradiation avec des photons par la méthode IPA, les techniques actuelles sont basées sur la création, par des réactions photo-nucléaires (γ,n), de radio-isotopes dont la décroissance est à l’origine d’émission de rayonnement gamma. La mesure par spectrométrie de ce rayonnement gamma permet d’identifier ces radio-isotopes et de remonter ainsi aux éléments à l’origine de leur production.
Cependant, la mesure précise des spectres gamma est en général difficile, compte tenu des conditions expérimentales, souvent caractérisées par un bruit de fond important. En effet, le rayonnement gamma est largement présent sur le terrain, car il peut être facilement produit par une multitude de mécanismes (réactions avec d’autres éléments que ceux d’intérêt (par exemple, réactions de capture (n,γ)), décroissance radioactive des radio-isotopes créés par activation ou naturellement présents dans les substances dangereuses, toxiques ou illicites recherchées, etc.), ce qui conduit à des spectres gamma complexes, rendant difficile la séparation des différentes contributions et ainsi l’identification des éléments présents dans le spectre et pouvant conduire à la détection des substances dangereuses, toxiques ou illicites recherchées.
Un objectif de l’invention est de proposer un dispositif et un procédé de détection d’une substance dangereuse, toxique ou illicite qui soient plus performants que ceux de l’art antérieur.
À cet effet, l’invention propose un dispositif de détection, par interrogation photonique active, d’une substance à détecter contenue dans un objet et choisie parmi des actinides, des explosifs, des stupéfiants et des gaz toxiques contenant du chlore, le dispositif comprenant :
- un accélérateur de protons configuré pour générer un faisceau de protons accélérés ayant une énergie supérieure à 100 keV et inférieure à 1 MeV ;
- une cible configurée pour recevoir le faisceau de protons accélérés et pour générer, par une réaction (p,γ) ou une réaction (p,αγ) ayant une section efficace supérieure à 0,100 mb, un faisceau de photons ayant une énergie discrète supérieure ou égale à 6 MeV, pour détecter un actinide, ou supérieure ou égale à 10 MeV, pour détecter un explosif, un stupéfiant ou un gaz toxique contenant du chlore, le faisceau de photons généré étant destiné à être dirigé sur l’objet contenant la substance à détecter ;
- au moins un détecteur de particules configuré pour détecter et mesurer des rayonnements de particules émises par la substance à détecter suite à l’irradiation de l’objet par le faisceau de photons généré, les particules émises étant des neutrons lorsque la substance à détecter est un explosif, un stupéfiant ou un gaz toxique contenant du chlore, ou des photons, lorsque la substance à détecter est un actinide.
- un accélérateur de protons configuré pour générer un faisceau de protons accélérés ayant une énergie supérieure à 100 keV et inférieure à 1 MeV ;
- une cible configurée pour recevoir le faisceau de protons accélérés et pour générer, par une réaction (p,γ) ou une réaction (p,αγ) ayant une section efficace supérieure à 0,100 mb, un faisceau de photons ayant une énergie discrète supérieure ou égale à 6 MeV, pour détecter un actinide, ou supérieure ou égale à 10 MeV, pour détecter un explosif, un stupéfiant ou un gaz toxique contenant du chlore, le faisceau de photons généré étant destiné à être dirigé sur l’objet contenant la substance à détecter ;
- au moins un détecteur de particules configuré pour détecter et mesurer des rayonnements de particules émises par la substance à détecter suite à l’irradiation de l’objet par le faisceau de photons généré, les particules émises étant des neutrons lorsque la substance à détecter est un explosif, un stupéfiant ou un gaz toxique contenant du chlore, ou des photons, lorsque la substance à détecter est un actinide.
L’utilisation combinée d’un accélérateur de protons tel que défini ci-dessus, ainsi que d’une cible telle que définie ci-dessus, permet d’obtenir une source de photons ayant une énergie discrète supérieure ou égale à 6 MeV, et éventuellement supérieure ou égale à 10 MeV. On dit que les photons produits ont une énergie discrète, par opposition à continue (comme les photons de bremsstrahlung de l’art antérieur). On peut également parler de photons mono-énergétiques.
Avantageusement, la cible est en un matériau contenant du bore, du fluor ou du lithium. Le choix de la cible se fait en fonction de l’énergie des photons que l’on souhaite obtenir et de la substance à détecter. Il est à noter qu’on ne précise que l’élément actif (bore, fluor ou lithium) contenu dans la cible, les matrices (carbures ou oxydes) constituant uniquement le support de l’élément actif de la cible et étant sans intérêt dans la production des photons. Par exemple, en choisissant une cible contenant du bore dans une matrice en carbures, on peut générer la réaction11B(p,γ)12C avec des protons d’énergie supérieure à 100 keV et inférieure à 1 MeV, ce qui permet d’obtenir des photons d’énergie 11,7 MeV et 16,1 MeV et permet la détection d’actinides, d’explosifs, de stupéfiants et de gaz toxiques contenant du chlore. Selon un autre exemple, si la cible contient du fluor dans une matrice d’oxydes, on peut générer la réaction19F(p,αγ)16O avec des protons d’énergie supérieure à 100 keV et inférieure à 1 MeV, ce qui permet d’obtenir des photons d’énergie 6,1 MeV, 6,9 MeV et 7,1 MeV et permet la détection uniquement d’actinides.
L’invention propose également un procédé de détection, par interrogation photonique active, d’une substance à détecter contenue dans un objet et choisie parmi des actinides, des explosifs, des stupéfiants et des gaz toxiques contenant du chlore, le procédé comprenant :
- une étape de fourniture d’un faisceau de photons ayant une énergie discrète supérieure ou égale à 6 MeV, pour détecter un actinide, ou supérieure ou égale à 10 MeV, pour détecter un explosif, un stupéfiant ou un gaz toxique contenant du chlore, par génération d’un faisceau de protons accélérés ayant une énergie supérieure à 100 keV et inférieure à 1 MeV et par envoi du faisceau de protons accélérés sur une cible configurée pour générer le faisceau de photons, par une réaction (p,γ) ou une réaction (p,αγ) ayant une section efficace supérieure à 0,100 mb ;
- une étape d’irradiation de l’objet et de son contenu à l’aide du faisceau de photons, moyennant quoi des particules sont produites ;
- une étape de mesure des particules produites par l’irradiation, de manière à obtenir un spectre en fonction de l’énergie des particules, les particules mesurées étant des neutrons, lorsque la substance à détecter est un explosif, un stupéfiant ou un gaz toxique contenant du chlore, ou des photons, lorsque la substance à détecter est un actinide ; et
- une étape d’identification d’au moins un pic d’intérêt, dans le spectre obtenu, attribué à la substance à détecter, moyennant quoi on en déduit la présence de la substance à détecter dans l’objet.
- une étape de fourniture d’un faisceau de photons ayant une énergie discrète supérieure ou égale à 6 MeV, pour détecter un actinide, ou supérieure ou égale à 10 MeV, pour détecter un explosif, un stupéfiant ou un gaz toxique contenant du chlore, par génération d’un faisceau de protons accélérés ayant une énergie supérieure à 100 keV et inférieure à 1 MeV et par envoi du faisceau de protons accélérés sur une cible configurée pour générer le faisceau de photons, par une réaction (p,γ) ou une réaction (p,αγ) ayant une section efficace supérieure à 0,100 mb ;
- une étape d’irradiation de l’objet et de son contenu à l’aide du faisceau de photons, moyennant quoi des particules sont produites ;
- une étape de mesure des particules produites par l’irradiation, de manière à obtenir un spectre en fonction de l’énergie des particules, les particules mesurées étant des neutrons, lorsque la substance à détecter est un explosif, un stupéfiant ou un gaz toxique contenant du chlore, ou des photons, lorsque la substance à détecter est un actinide ; et
- une étape d’identification d’au moins un pic d’intérêt, dans le spectre obtenu, attribué à la substance à détecter, moyennant quoi on en déduit la présence de la substance à détecter dans l’objet.
Selon une variante, les photons sont produits par la réaction11B(p,γ)12C.
Selon une autre variante, les photons sont produits par la réaction19F(p,αγ)16O.
Selon une autre variante, les photons sont produits par la réaction7Li(p, γ)8Be.
D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- représente un exemple d’un spectre en énergie des photons lorsqu’ils sont obtenus par une accélérateur d’électrons selon l’art antérieur (courbe 1) et lorsqu’ils sont obtenus selon l’invention (courbes 2 et 3) ;
- représente un exemple d’un spectre en énergie des neutrons obtenu en irradiant un explosif TNT selon l’invention avec des photons mono-énergétiques à 15 MeV et permettant l’identification des éléments présent dans l’explosif ;
- représente un exemple de réalisation d’un dispositif selon l’invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
La présente invention concerne un dispositif et un procédé de détection d’une substance dangereuse, toxique ou illicite, contenue dans un objet, le principe de détection étant basé sur l’utilisation de photons mono-énergétiques ou d’énergies discrètes obtenus à partir d’une source de protons de basse énergie (inférieure à 1 MeV). L’utilisation de ces photons mono-énergétiques permet, d’une part, d’améliorer les techniques existantes d’interrogation photonique active (IPA) pour la détection d’actinides et, d’autre part, de proposer une nouvelle approche dans la détection des explosifs, des stupéfiants et des gaz toxiques contenant du chlore. On précise qu’on ne peut détecter que certains gaz toxiques (ceux contenant du chlore), car tous les gaz toxiques ne contiennent pas, à l’origine, d’élément(s) permettant une signature spécifique.
L’invention répond ainsi à deux objectifs :
- détecter la présence d’actinides avec une efficacité accrue et des contraintes radiologiques plus faibles en utilisant la totalité des photons produits par la source et à des énergies permettant d’augmenter la probabilité des réactions de photofission (γ,f) ;
- détecter la présence d’explosifs, de stupéfiants et de gaz toxiques contenant du chlore à partir des signatures spécifiques, dans les spectres en énergie, des neutrons émis dans des réactions photonucléaires (γ,n) induites par des photons sur des noyaux légers (C, N, O, Cl, etc.).
- détecter la présence d’actinides avec une efficacité accrue et des contraintes radiologiques plus faibles en utilisant la totalité des photons produits par la source et à des énergies permettant d’augmenter la probabilité des réactions de photofission (γ,f) ;
- détecter la présence d’explosifs, de stupéfiants et de gaz toxiques contenant du chlore à partir des signatures spécifiques, dans les spectres en énergie, des neutrons émis dans des réactions photonucléaires (γ,n) induites par des photons sur des noyaux légers (C, N, O, Cl, etc.).
L’objet dans lequel est contenue la substance à détecter peut être un conteneur (ou anglicisme « container »), par exemple un conteneur métallique maritime permettant le stockage ou le transport de marchandises non périssables ; un colis, par exemple un colis de déchets nucléaires, le colis étant par exemple un fût de déchets bétonnés d'un diamètre de l'ordre du mètre ou plus ; un colis postal ; une valise etc.
La substance à détecter, quant à elle, peut être sous forme solide, liquide ou gazeuse.
Dans le cadre de la présente invention, on entend par «stupéfiant», tout psychotrope dont la production, le commerce, le transport, l’importation, l’exportation, la détention, l’emploi et la consommation sont illicites ou sujets à une réglementation. On entend par «psychotrope», toute substance chimique, d’origine naturelle ou synthétique, qui agit sur le système nerveux central en induisant des modifications de la perception, des sensations, de l’humeur ou de la conscience.
Les explosifs sont, par exemple, les explosifs intrinsèques, c’est-à-dire les composés qui sont porteurs de groupements chimiques explosophores du type NO2, ONO2, NO, N-NO2,N=N, N=N=N, N-halogène, N-soufre, N=C, et qui sont donc capables de se décomposer de manière explosive sous l’effet d’une impulsion telle qu’un impact ou une variation de température.
Les actinides sont les éléments de numéros atomiques compris entre 89 (actinium) et 103 (lawrentium).
Comme nous l’avons dit précédemment, la spécificité de l’approche proposée dans le cadre de la présente invention consiste en l’utilisation d’une source de photons mono-énergétiques ayant une énergie supérieure ou égale à l’énergie seuil nécessaire aux réactions photo-nucléaires (c’est-à-dire au moins supérieure ou égale à 6 MeV pour les actinides et supérieure ou égale à 10 MeV pour les explosifs, les stupéfiants et les gaz toxiques contenant du chlore). Il existe plusieurs réactions avec des protons qui présentent des résonances aux basses énergies et qui produisent des photons ayant une énergie comprise entre 6 et 18 MeV. Deux exemples sont donnés dans le tableau 1 ci-dessous.
[Table 1]
[Table 1]
Tableau 1 : exemples de réactions avec des protons de basse énergie à l’origine de sources de photons mono-énergétiques (ayant une énergie supérieure ou égale à 6 MeV)
À titre d’exemple, dans la , les raies d’énergie à 11,7 MeV et à 16,1 MeV (respectivement, les courbes 2 et 3) obtenues par la réaction11B(p,γ)12C sont représentées. Contrairement aux photons de Bremstrahlung émis selon un spectre en énergie continu (courbe 1), ici tous les photons produits par la source de photons sont susceptibles de contribuer au signal mesuré.
À titre d’exemple, on sait que la probabilité maximale d’interactions pour la réaction de photofission de l’uranium238U(γ,f) a lieu pour une énergie d’environ 15 MeV (à laquelle on a une section efficace d’environ 170 mb). Par conséquent, si on utilise par exemple la réaction11B(p,γ)12C pour la production des photons, les photons produits ont une énergie de 11,7 et 16,1 MeV, proche de l’énergie pour laquelle on obtient la section efficace maximale et la détection de l’uranium238U sera donc améliorée.
Ainsi, la détection d’actinides par la technique d’interrogation photonique active (IPA) basée sur la réaction de photofission (γ,f) selon l’invention peut donc être assurée avec une meilleure efficacité.
En ce qui concerne la détection d’une substance ayant des éléments légers (éléments C, N, O, Cl, etc.), elle peut être réalisée sur la base des signatures spécifiques dans les spectres des neutrons issus des réactions photo-nucléaires (γ,n). En effet, la spectrométrie des neutrons produits par les réactions photo-nucléaires (γ,n) est réalisable uniquement si les photons incidents sont mono-énergétiques, garantissant ainsi une résolution suffisante des spectres en énergie mesurés.
Ainsi, l’azote par exemple est présent dans la plupart des explosifs, en plus d’autres éléments communs tels que l’hydrogène, le carbone et l’oxygène, pouvant se trouver également dans des substances inoffensives. La détection de l’azote dans un objet peut donc laisser supposer la présence d’un explosif. Quant aux gaz toxiques qui sont détectables par le procédé selon l’invention, leur présence peut être soupçonnée par la détection du chlore, présent par exemple dans le phosgène.
À titre d’exemple, dans la est représenté le spectre en énergie des neutrons produits par l’irradiation d’un matériau explosif de trinitrotoluène (TNT) à l’aide de photons mono-énergétiques de 16,1 MeV. Chaque pic dans le spectre correspond à un niveau excité d’un noyau résiduel produit par réaction (γ,n), qui est donc un isotope du noyau initial. Les niveaux d’énergie qui sont propres à chaque noyau résiduel permettent d’identifier l’élément présent dans le matériau. Dans la , on a les pics numérotés de 1 à 8 correspondant respectivement aux éléments13N (2èmeet 3ème),13N(1er),12C(2ème),17O(3ème),13N(0),12C(1er),17O(1er) et12C(0) (1er, 2ème, 3èmecorrespondant respectivement au 1er, 2ème, 3èmeniveau excité du noyau).
En se référant à la , un exemple de réalisation du dispositif selon l’invention est illustré schématiquement. Un accélérateur de protons 1 génère un rayonnement de protons de basse énergie 2. Ces protons 2 sont dirigés vers une cible 3 particulière, ce qui produit un rayonnement de photons mono-énergétiques 4. Ces photons 4 sont dirigés sur l’objet 5 et sur la substance à détecter 6 qu’il contient. L’interaction des photons mono-énergétiques 4 avec la substance à détecter 6 produit des particules, qui sont détectées par des détecteurs 7 et 8, par exemple des spectromètres. Les particules produites sont :
- des neutrons et sont détectées par le détecteur 7, pour réaliser une spectrométrie des neutrons, lorsque la substance à détecter est un explosif, un stupéfiant ou un gaz toxique contenant du chlore ;
- des photons et sont détectées par le détecteur 8, pour réaliser une spectrométrie des photons, lorsque la substance à détecter est une matière fissile.
- des neutrons et sont détectées par le détecteur 7, pour réaliser une spectrométrie des neutrons, lorsque la substance à détecter est un explosif, un stupéfiant ou un gaz toxique contenant du chlore ;
- des photons et sont détectées par le détecteur 8, pour réaliser une spectrométrie des photons, lorsque la substance à détecter est une matière fissile.
Le détecteur 7 peut par exemple être choisi parmi des spectromètres à sphères de Bonner ou des scintillateurs ; le détecteur 8 peut par exemple être choisi parmi des détecteurs à semi-conducteur (HPGe, CdTe, etc.).
L’énergie des protons utilisés étant de quelques centaines de keV (supérieure à 100 keV et inférieure à 1 MeV), la source de photons basée sur cette approche peut être assez compacte, ne nécessitant pas une accélération importante des protons.
Afin de compenser les faibles sections efficaces des réactions à basse énergie avec les protons, surtout pour la réaction11B(p,γ)12C avec des protons de 0,163 MeV caractérisée par une section efficace de 0,157 mb, le courant de protons produits doit être élevé afin de garantir une production de photons significative. Les progrès réalisés dans la conception des accélérateurs de protons permettent aujourd’hui d’obtenir des courants de quelques dizaines de mA. Un prototype de source de photons de 11,7 MeV et d’une intensité de l’ordre de 107photons par seconde a d’ailleurs déjà été réalisé et testé par les équipes de Lawrence Berkeley National Laboratory et Sandia National Laboratories aux USA (document [1]).
Si l’on se réfère aux exemples cités dans le tableau 1, l’accélérateur de protons 1 est utilisé pour produire des protons à des énergies bien précises correspondant aux résonances des sections efficaces pour les réactions spécifiques avec les noyaux11B et19F. L’interaction de ces protons avec la cible permet d’obtenir des photons mono-énergétiques dans le domaine 6 – 16,1 MeV comme précisé dans le tableau 1.
Claims (6)
- Dispositif de détection, par interrogation photonique active, d’une substance à détecter (6) contenue dans un objet (5) et choisie parmi des actinides, des explosifs, des stupéfiants et des gaz toxiques contenant du chlore, le dispositif comprenant :
- un accélérateur de protons (1) configuré pour générer un faisceau de protons accélérés (2) ayant une énergie supérieure à 100 keV et inférieure à 1 MeV ;
- une cible (3) configurée pour recevoir le faisceau de protons accélérés et pour générer, par une réaction (p,γ) ou une réaction (p,αγ) ayant une section efficace supérieure à 0,100 mb, un faisceau de photons (4) ayant une énergie discrète supérieure ou égale à 6 MeV, pour détecter un actinide, ou supérieure ou égale à 10 MeV, pour détecter un explosif, un stupéfiant ou un gaz toxique contenant du chlore, le faisceau de photons (4) généré étant destiné à être dirigé sur l’objet (5) contenant la substance (6) à détecter ;
- au moins un détecteur de particules (7 ; 8) configuré pour détecter et mesurer un rayonnement de particules émises par la substance (6) à détecter suite à l’irradiation de l’objet (5) par le faisceau de photons (4) généré, les particules émises étant des neutrons lorsque la substance à détecter est un explosif, un stupéfiant ou un gaz toxique contenant du chlore, ou des photons, lorsque la substance à détecter est un actinide. - Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la cible est en un matériau contenant du bore, du fluor ou du lithium.
- Procédé de détection, par interrogation photonique active, d’une substance à détecter contenue dans un objet et choisie parmi des actinides, des explosifs, des stupéfiants et des gaz toxiques contenant du chlore, le procédé comprenant :
- une étape de fourniture d’un faisceau de photons ayant une énergie discrète supérieure ou égale à 6 MeV, pour détecter un actinide, ou supérieure ou égale à 10 MeV, pour détecter un explosif, un stupéfiant ou un gaz toxique contenant du chlore, par génération d’un faisceau de protons accélérés ayant une énergie supérieure à 100 keV et inférieure à 1 MeV et par envoi du faisceau de protons accélérés sur une cible configurée pour générer le faisceau de photons, par une réaction (p,γ) ou une réaction (p,αγ) ayant une section efficace supérieure à 0,100 mb ;
- une étape d’irradiation de l’objet et de son contenu à l’aide du faisceau de photons, moyennant quoi des particules sont produites ;
- une étape de mesure des particules produites par l’irradiation, de manière à obtenir un spectre en fonction de l’énergie des particules, les particules mesurées par l’irradiation étant des neutrons, lorsque la substance à détecter est un explosif, un stupéfiant ou un gaz toxique contenant du chlore, ou des photons, lorsque la substance à détecter est un actinide ; et
- une étape d’identification d’au moins un pic d’intérêt, dans le spectre obtenu, attribué à la substance à détecter, moyennant quoi on en déduit la présence de la substance à détecter dans l’objet. - Procédé selon la revendication 3, dans lequel les photons sont produits par la réaction11B(p,γ)12C.
- Procédé selon la revendication 3, dans lequel les photons sont produits par la réaction19F(p,αγ)16O.
- Procédé selon la revendication 3, dans lequel les photons sont produits par la réaction7Li(p,γ)8Be.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR2112182A FR3129210B1 (fr) | 2021-11-18 | 2021-11-18 | Dispositif et procédé de détection d’une substance particulière dans un objet par interrogation photonique active |
PCT/FR2022/052125 WO2023089285A1 (fr) | 2021-11-18 | 2022-11-18 | Dispositif et procédé de détection d'une substance particulière dans un objet par interrogation photonique active |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR2112182 | 2021-11-18 | ||
FR2112182A FR3129210B1 (fr) | 2021-11-18 | 2021-11-18 | Dispositif et procédé de détection d’une substance particulière dans un objet par interrogation photonique active |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
FR3129210A1 true FR3129210A1 (fr) | 2023-05-19 |
FR3129210B1 FR3129210B1 (fr) | 2023-10-27 |
Family
ID=80999160
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
FR2112182A Active FR3129210B1 (fr) | 2021-11-18 | 2021-11-18 | Dispositif et procédé de détection d’une substance particulière dans un objet par interrogation photonique active |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
FR (1) | FR3129210B1 (fr) |
WO (1) | WO2023089285A1 (fr) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20040076252A1 (en) * | 2001-03-07 | 2004-04-22 | Donald Smith | Fissile interrogation using gamma rays from oxygen |
US7486769B2 (en) * | 2004-06-03 | 2009-02-03 | Brondo Jr Joseph H | Advanced multi-resonant, multi-mode gamma beam detection and imaging system for explosives, special nuclear material (SNM), high-z materials, and other contraband |
US20130056643A1 (en) * | 2011-09-01 | 2013-03-07 | L-3 Communications Security And Detection Systems, Inc. | Material discrimination system |
-
2021
- 2021-11-18 FR FR2112182A patent/FR3129210B1/fr active Active
-
2022
- 2022-11-18 WO PCT/FR2022/052125 patent/WO2023089285A1/fr unknown
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20040076252A1 (en) * | 2001-03-07 | 2004-04-22 | Donald Smith | Fissile interrogation using gamma rays from oxygen |
US7486769B2 (en) * | 2004-06-03 | 2009-02-03 | Brondo Jr Joseph H | Advanced multi-resonant, multi-mode gamma beam detection and imaging system for explosives, special nuclear material (SNM), high-z materials, and other contraband |
US20130056643A1 (en) * | 2011-09-01 | 2013-03-07 | L-3 Communications Security And Detection Systems, Inc. | Material discrimination system |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
J. REIJONEN ET AL.: "Development of advanced Neutron/Gamma generators for Imaging and active interrogation applications", PROCEEDINGS OF SPIE, vol. 6540, 2007, pages 65401P |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2023089285A1 (fr) | 2023-05-25 |
FR3129210B1 (fr) | 2023-10-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9099211B2 (en) | Prompt gamma-ray detection apparatus for analyzing chemical materials using femtosecond pulse laser-induced neutrons | |
EP1810057A1 (fr) | Procédé et dispositif pour sonder la matière nucléaire par photofission | |
FR2945373A1 (fr) | Dispositif et appareil pour la mesure du profil d'enrichissement d'un crayon de combustible nucleaire | |
CH412403A (fr) | Procédé pour la détermination de la teneur en éléments lourds d'un échantillon et dispositif pour la mise en oeuvre du procédé | |
EP2359124B1 (fr) | Procede de detection non intrusive d'element chimique | |
FR3129210A1 (fr) | Dispositif et procédé de détection d’une substance particulière dans un objet par interrogation photonique active | |
CA2729861C (fr) | Procede et dispositif pour detecter la presence, dans une charge, d'objets suspects renfermant au moins un materiau a poids atomique donne | |
EP0130099B1 (fr) | Procédé pour déterminer l'activité volumique et estimer la masse de plutonium contenu dans des déchets et dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé | |
FR2983974A1 (fr) | Equipement d'analyse de la composition des nucleides et methode d'analyse de la composition des nucleides | |
EP3347740B1 (fr) | Dispositif d'analyse in situ d'un dechet radiologique contenant l'isotope chlore 36 | |
Hall et al. | Numerical simulation of nuclear materials detection, imaging and assay with MEGa-rays | |
FR3092667A1 (fr) | Procédé de détermination de la composition d’un objet à identifier et dispositif de détermination de la composition d’un objet à identifier | |
FR3104738A1 (fr) | Procédé de détection de radiations et système associé mettant en œuvre une discrimination des coincidences neutron-gamma | |
Choi et al. | Organic liquid scintillation detectors for reactor Neutrino experiments: Toward precision Neutrino physics | |
WO2017042258A1 (fr) | Dispositif d'analyse in situ d'un dechet radiologique contenant l'isotope carbone 14 | |
WO2024069107A1 (fr) | Procédé pour extraire des composantes neutroniques discrètes issues de réactions photo-nucléaires à l'aide d'un réseau de neurones entrainé | |
EP1777553A1 (fr) | Procédé de mesure de la dynamique sédimentaire d'un site, utilisant un traceur artificiel activable | |
WO2022136618A1 (fr) | Dispositif de détection comportant différentes couches de scintillation | |
Blackburn et al. | Fast digitization and discrimination of prompt neutron and photon signals using a novel silicon carbide detector | |
FR3123128A1 (fr) | Procédé, système et dispositif de détermination d’une quantité de matière fissile dans une installation | |
Jing et al. | Tagged Neutron Method Analysis: A Technique for Explosives Detection and Identification | |
Ellen | Determination of the homogeneity of the detection efficiency of silicon detectors using light ions | |
Pandya et al. | Studies of thermoluminescence properties of liquid crystalline N‐phenyl substituted phenyl polysiloxane hydroxamic acids | |
Lyashuk | Evaluation of radiocarbon 14C yield under conditions of thunderstorms | |
Barty | FY05 LDRD Final Report Technology Basis for Fluorescence Imaging in the Nuclear Domain (FIND) |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 2 |
|
PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20230519 |
|
PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 3 |