WO2023089285A1 - 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 PDF

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WO2023089285A1
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photons
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mev
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Valentin BLIDEANU
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Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives
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    • 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
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    • 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

Definitions

  • the field of the invention is that of the detection of a dangerous, toxic or illicit substance contained in an object.
  • the invention relates to a device and a method for detecting a substance chosen from explosives, narcotics and toxic gases containing chlorine, by active photonic interrogation.
  • neutron and photon radiation sources can be used to detect, from specific nuclear reactions, the presence of dangerous, toxic or illicit substances such as explosives, certain toxic gases (poisonous gases containing chlorine), narcotics or fissile materials, in an object (which may, for example, be of the container or package type).
  • IPA detection method uses photo-nuclear reactions whose cross sections (probabilities) are well known for most of the nuclei of the elements of interest that are present in hazardous, toxic or illicit substances, namely nitrogen, carbon, oxygen, chlorine, for explosives, certain toxic gases and narcotics.
  • Photo-nuclear reactions have the characteristic of being carried out at threshold, that is to say that they can only take place if the initial photons have an energy greater than a certain value, which is specific to each nucleus.
  • the detection of explosives by the IPA method is based on photonuclear reactions (y,n) on nitrogen nuclei, which require photons with an energy greater than 10 MeV.
  • the high energy photons used to implement the IPA method are bremsstrahlung photons, which are produced from an electron accelerator.
  • an electron beam of sufficient energy (several MeV) strikes a target made of a material with a high atomic number Z, which gives rise to the braking radiation (photons of bremsstrahlung ).
  • the disadvantage of using an electron accelerator lies in the fact that the source of photons thus obtained (bremsstrahlung photons) is characterized by an energy spectrum which is continuous, as shown by curve 1 in figure 1, which represents the energy of the photons of a source obtained using an accelerator creating a beam of electrons of 15 MeV.
  • curve 1 in figure 1 represents the energy of the photons of a source obtained using an accelerator creating a beam of electrons of 15 MeV.
  • about 91% of the photons produced have an energy less than or equal to 5.5 MeV and only about 9% of the photons produced have an energy greater than 5.5 MeV.
  • the current techniques are based on the creation, by photo-nuclear reactions (y,n), of radioisotopes, the decay of which causes the emission of gamma radiation.
  • the measurement by spectrometry of this gamma radiation makes it possible to identify these radioisotopes and thus trace back to the elements at the origin of their production.
  • gamma radiation is widely present in the field, because it can be easily produced by a multitude of mechanisms (reactions with other elements than those of interest (for example, capture reactions (n,y)), radioactive decay of radioisotopes created by activation or naturally present in the dangerous, toxic or illicit substances sought, etc.), which leads to complex gamma spectra, making it difficult to separate the different contributions and thus identify the elements present in the spectrum and which may lead to the detection of the dangerous, toxic or illicit substances sought.
  • mechanisms reactions with other elements than those of interest (for example, capture reactions (n,y)
  • radioactive decay of radioisotopes created by activation or naturally present in the dangerous, toxic or illicit substances sought etc.
  • An objective of the invention is to propose a device and a method for detecting a dangerous, toxic or illicit substance which are more efficient than those of the prior art.
  • the invention proposes a device for detecting, by active photonic interrogation, a substance to be detected contained in an object and chosen from explosives, narcotics and toxic gases containing chlorine, the device comprising:
  • a proton accelerator configured to generate a beam of accelerated protons having an energy greater than 100 keV and less than 1 MeV;
  • a target configured to receive the beam of accelerated protons and to generate, by a reaction (p,y) or a reaction (p,ocy) having a cross section greater than 0.100 mb, a beam of photons having a discrete energy greater than or equal to 10 MeV, to detect an explosive, a narcotic or a toxic gas containing chlorine, the generated photon beam being intended to be directed at the object containing the substance to be detected;
  • At least one particle detector configured to detect and measure radiation from particles emitted by the substance to be detected following the irradiation of the object by the beam of photons generated, the particles emitted being neutrons when the substance to be detected is an explosive, a narcotic or a poisonous gas containing chlorine.
  • the target is made of a material containing boron or lithium.
  • the choice of the target is made according to the energy of the photons which one wishes to obtain and of the substance to be detected. It should be noted that only the active element (boron or lithium) contained in the target is specified, the matrices (carbides or oxides) constituting only the support of the active element of the target and being of no interest in the production photons.
  • the 1:L B(P,Y) 12 C reaction can be generated with protons of energy greater than 100 keV and less than 1 MeV, which makes it possible to obtain photons of energy 11.7 MeV and 16.1 MeV and allows the detection of explosives, narcotics and toxic gases containing chlorine.
  • the invention also proposes a method for detecting, by active photonic interrogation, a substance to be detected contained in an object and chosen from explosives, narcotics and toxic gases containing chlorine, the method comprising:
  • the photons are produced by the 1:L B(P,Y) 12 C reaction.
  • the photons are produced by the reaction 7 l_i(p, y) 8 Be.
  • FIG. 1 shows an example of an energy spectrum of the photons when they are obtained by an electron accelerator according to the prior art (curve 1) and when they are obtained according to the invention (curves 2 and 3 );
  • FIG. 2 shows an example of a neutron energy spectrum obtained by irradiating a TNT explosive according to the invention with mono-energetic photons at 15 MeV and allowing the identification of the elements present in the explosive;
  • FIG. 3 shows an embodiment of a device according to the invention.
  • the present invention relates to a device and a method for detecting a dangerous, toxic or illicit substance contained in an object, the detection principle being based on the use of mono-energetic photons or discrete energies obtained from a low energy proton source (less than 1 MeV).
  • a low energy proton source less than 1 MeV.
  • the use of these mono-energetic photons makes it possible to propose a new approach in the detection of explosives, narcotics and toxic gases containing chlorine. It is specified that only certain toxic gases (those containing chlorine) can be detected, because not all toxic gases originally contain element(s) allowing a specific signature.
  • the invention thus makes it possible to detect the presence of explosives, narcotics and toxic gases containing chlorine from the specific signatures, in the energy spectra, of the neutrons emitted in photonuclear reactions (y,n) induced by photons on light nuclei (C, N, O, Cl, etc.).
  • the object in which the substance to be detected is contained can be a container (or “container”), for example a metal maritime container allowing the storage or transport of non-perishable goods; a package, for example a nuclear waste package, the package being for example a concrete waste drum with a diameter of around one meter or more; a postal parcel; suitcase etc.
  • a container for example a metal maritime container allowing the storage or transport of non-perishable goods
  • a package for example a nuclear waste package, the package being for example a concrete waste drum with a diameter of around one meter or more
  • a postal parcel suitcase etc.
  • the substance to be detected for its part, can be in solid, liquid or gaseous form.
  • . narcotic means any psychotropic substance whose production, trade, transport, import, export, possession, use and consumption is illicit or subject to regulation.
  • psychotropic means any chemical substance, of natural or synthetic origin, which acts on the central nervous system by inducing modifications in perception, sensations, mood or consciousness.
  • the specificity of the approach proposed within the framework of the present invention consists in the use of a source of mono-energetic photons having an energy greater than or equal to the threshold energy necessary for the reactions.
  • photo-nuclear i.e. greater than or equal to 10 MeV for explosives, narcotics and toxic gases containing chlorine.
  • protons which exhibit resonances at low energies and which produce photons having an energy greater than or equal to 10 MeV. Two examples are given in Table 1 below.
  • the detection of a substance having light elements it can be carried out on the basis of the specific signatures in the spectra of the neutrons resulting from the photo-nuclear reactions ( y, n). Indeed, the spectrometry of the neutrons produced by the photo-nuclear reactions (y, n) can only be carried out if the incident photons are mono-energetic, thus guaranteeing a sufficient resolution of the measured energy spectra.
  • nitrogen is present in most explosives, in addition to other common elements such as hydrogen, carbon and oxygen, which can also be found in harmless substances.
  • the detection of nitrogen in an object can therefore suggest the presence of an explosive.
  • the toxic gases which are detectable by the method according to the invention their presence can be suspected by the detection of chlorine, present for example in phosgene.
  • figure 2 is represented the energy spectrum of the neutrons produced by the irradiation of an explosive material of trinitrotoluene (TNT) using mono-energetic photons of 16.1 MeV.
  • TNT trinitrotoluene
  • Each peak in the spectrum corresponds to an excited level of a residual nucleus produced by reaction (y,n), which is therefore an isotope of the initial nucleus.
  • the energy levels that are specific to each residual nucleus allow to identify the element present in the material.
  • a proton accelerator 1 generates radiation of low energy protons 2. These protons 2 are directed towards a particular target 3, which produces a radiation of mono-energetic photons 4. These photons 4 are directed on the object 5 and on the substance to be detected 6 which it contains.
  • the interaction of mono-energetic photons 4 with the substance to be detected 6 produces particles, which are detected by detectors 7 and 8, for example spectrometers. The particles produced are neutrons and are detected by the detector 7, to carry out neutron spectrometry, when the substance to be detected is an explosive, a narcotic or a toxic gas containing chlorine.
  • the detector 7 can for example be chosen from Bonner sphere spectrometers or scintillators; the detector 8 can for example be chosen from semiconductor detectors (HPGe, CdTe, etc.).
  • the photon source based on this approach can be quite compact, not requiring a large acceleration of the protons.
  • the proton accelerator 1 is used to produce protons at very precise energies corresponding to the resonances of the cross sections for the specific reactions with the n B and 7 l_i nuclei.
  • the interaction of these protons with the target makes it possible to obtain monoenergetic photons in the 11.7 - 17.6 MeV range as specified in table 1.

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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 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,y) ou une réaction (p,αy) ayant une section efficace supérieure à 0,100 mb, un faisceau de photons ayant une énergie discrète 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.

Description

Dispositif et procédé de détection d'une substance particulière dans un objet par interrogation photonique active
DOMAINE TECHNIQUE
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 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 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, la détection des explosifs par la méthode IPA est basée sur les réactions photonucléaires (y,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 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 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 utilisés pour mettre en oeuvre 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 figure 1, 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.
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 (y,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 radioisotopes 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,y)), 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.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
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 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,y) ou une réaction (p,ocy) ayant une section efficace supérieure à 0,100 mb, un faisceau de photons ayant une énergie discrète 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.
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 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 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 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 réaction 1:LB(P,Y)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'explosifs, de stupéfiants et de gaz toxiques contenant du chlore.
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 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 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,y) ou une réaction (p,ocy) 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 ; 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 réaction 1:LB(P,Y)12C.
Selon une autre variante, les photons sont produits par la réaction 7l_i(p, y) 8Be.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
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 :
- la figure 1 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) ;
- la figure 2 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 ;
- la figure 3 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 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 permet ainsi de 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 (y,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.
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 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 supérieure ou égale à 10 MeV. Deux exemples sont donnés dans le tableau 1 ci-dessous.
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[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 10 MeV)
À titre d'exemple, dans la figure 1, les raies d'énergie à 11,7 MeV et à 16,1 MeV (respectivement, les courbes 2 et 3) obtenues par la réaction 1:LB(P,Y) 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.
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 (y, n). En effet, la spectrométrie des neutrons produits par les réactions photo-nucléaires (y, 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 figure 2 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 (y,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 figure 2, on a les pics numérotés de 1 à 8 correspondant respectivement aux éléments 13N (2eme et 3eme), 13N(ler), 12C(2eme), 17O(3ème), 13N(0), 12C(ler), 17O(ler) et 12C(0) (1er, 2ème, 3ème correspondant respectivement au 1er, 2eme, 3eme niveau excité du noyau).
En se référant à la figure 3, 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.
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 réaction nB(p, y)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 107 photons 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 noyaux nB et 7l_i. L'interaction de ces protons avec la cible permet d'obtenir des photons monoénergétiques dans le domaine 11,7 - 17,6 MeV comme précisé dans le tableau 1.
Référence
[1] « Development of advanced Neutron/Gamma generators for Imaging and active interrogation applications », J. Reijonen et al., Proceedings of SPIE, Vol. 6540, 65401P, (2007).

Claims

Revendications
1. Dispositif de détection, par interrogation photonique active, d'une substance à détecter (6) contenue dans un objet (5) et choisie parmi 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,y) ou une réaction (p,ocy) ayant une section efficace supérieure à 0,100 mb, un faisceau de photons (4) ayant une énergie discrète 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.
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la cible est en un matériau contenant du bore ou du lithium.
3. Procédé de détection, par interrogation photonique active, d'une substance à détecter contenue dans un objet et choisie parmi 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 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,y) ou une réaction (p,ay) 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 ; 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.
4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel les photons sont produits par la réaction 1:LB(p,y)12C.
5. Procédé selon la revendication 3, dans lequel les photons sont produits par la réaction 7l_i(p, y) 8Be.
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