SISTEMA DE DETECCIÓN Y MÉTODO DE DETECCIÓN BASADOS EN PARTÍCULAS ENERGÉTICAS PULSADAS.

Sistema de detección y método de detección basados en partículas energéticas pulsadas. Campo de la invención La presente invención se refiere a tecnología de interrogación de neutrones activos y, más particularmente, a un sistema de detección que utiliza neutrones para interrogar y detectar materiales o compuestos en objetos. Antecedentes de la invención La denominada interrogación neutrónica es la única tecnología no invasiva conocida hasta la fecha que permite extraer de un objeto blindado y sellado una firma que está relacionada con los elementos o compuestos contenidos en el objeto. Por tanto, dicha tecnología ofrece un progreso significativo con respecto a las máquinas de rayos X y similares, que permiten discriminar entre objetos sólo por su forma y la densidad del material, y se utiliza para diversas aplicaciones, por ejemplo la detección de explosivos, materiales nucleares o contrabandos, tales como narcóticos en objetos o edificios. Se ha desarrollado una pluralidad de técnicas de detección basadas en neutrones, dependiendo de la aplicación práctica. Se ha intentado el Análisis de Neutrones Térmicos (TNA), por ejemplo, para la inspección de equipajes facturados en aeropuertos. Más específicamente, los neutrones de baja energía hacen que el nitrógeno contenido en ciertos explosivos emita rayos gamma y provoquen que los materiales físiles cedan neutrones de su propiedad. Sin embargo, los cribadores TNA de primera generación producían una tasa inaceptable de falsas alarmas debido a un gran número de artículos portadores de nitrógeno contenidos en un equipaje típico. Además, el TNA requiere moderadores para ralentizar los neutrones rápidos de una fuente hasta convertirlos en neutrones térmicos. Se ha propuesto también el Análisis de Neutrones Térmicos Rápidos Pulsados (PFTNA) de equipaje de contrabando, tal como explosivos y narcóticos. Combina la detección de emisiones de rayos gamma procedentes de diversas interacciones de neutrones diferentes en un único sistema y utiliza un neutrón de alta energía e impulso corto para realizar una interrogación FNA (Análisis de Neutrones Rápidos). En la patente US nº 5.200.626 se describe típicamente un generador de neutrones adecuado. Esto hace posible separar en tiempo las interrogaciones FNA y TNA y mejora la calidad y las estadísticas de las firmas gamma medidas. Típicamente, se utiliza un único generador de neutrones repetitivamente pulsados basado en la reacción de deuterio-tritio para producir un breve impulso (varios µs) de neutrones de 14 MeV. Durante este impulso, la interacción se debe principalmente a la dispersión inelástica de neutrones de alta energía en el objeto que se interroga. La emisión de rayos gamma está compuesta principalmente por fotones gamma instantáneos procedentes de reacciones (n.ny) y (n.py). El impulso se repite con una frecuencia de 10 kHz y los espectros de fotones gamma instantáneos procedentes de las interacciones de neutrones de alta energía se recogen utilizando una técnica de espectroscopia gamma convencional de solo recuento de fotones. A partir de estos espectros, pueden extraerse las firmas gamma de elementos tales como C y O. Entre los impulsos neutrónicos, parte de los neutrones rápidos continúan chocando con el material de base, en particular los elementos luminosos, y ralentizándose hasta el nivel de energía térmica. Cuando un neutrón tiene energía por debajo de 1 eV, puede ser capturada fácilmente por elementos tales como H, N o Fe, produciendo fotones gamma instantáneos procedentes de tales reacciones de captura (n.y). Se construye un espectro separado de reacción de neutrones térmicos a partir de la emisión gamma detectada durante este periodo. Después de un número predeterminado de impulsos, hay una larga pausa que permite la detección de fotones gamma emitidos desde elementos tales como O, Al y Si, que se han activado y se extinguen con una reacción gamma retardada. Pasando cíclicamente por estas tres etapas, se generan tres espectros independientes que representan la interacción de neutrones rápidos, la interacción de neutrones térmicos y la interacción de activación retardada. Estos tres espectros permitirían, en principio, una determinación clara de los cuatro elementos básicos en altos explosivos. En la práctica, la identificación de una sustancia en PFTNA se realiza examinando las relaciones atómicas, por ejemplo la relación de átomos de carbono a átomos de oxígeno (C/O). Esto se hace tomando la relación de las intensidades para rayos gamma de carbono y oxígeno y aplicando entonces la relación de las secciones transversales para las reacciones inductoras de gamma de estos elementos. 2 E06291226 10-01-2012   A diferencia del procedimiento FNA con señales gamma inherentemente mezcladas procedentes del procedimiento TNA, el procedimiento PFTNA separa específicamente los espectros debidos a los procedimientos FNA y TNA, lo que mejora la identificación de los elementos de interés en la detección de explosivos. El tiempo corto y específico durante el cual se emiten y se recogen los rayos gamma procedentes del procedimiento FNA mejora la relación señal a ruido de fondo de las firmas gamma procedentes de C y O en comparación con la técnica FNA convencional. Sin embargo, esta mejora es significativa sólo si hay muy pocas reacciones de captura de neutrones térmicos durante el tiempo del procedimiento FNA. No obstante, en el contexto de los explosivos ocultos, hay frecuentemente una región grande, además de la región pequeña ocupada por los explosivos, en donde se emitirá una señal procedente de reacciones de captura de neutrones térmicos. Esto deteriorará significativamente la relación señal a ruido, lo que significa a su vez que es necesario de nuevo un tiempo de interrogación largo para obtener estadísticas útiles. Además, en el contexto de la inspección de equipajes, la presencia de gran cantidad de materiales plásticos desde la carcasa exterior hasta el contenido afectará fuertemente a la identificación de explosivos hecha a partir de una medición de la relación C/O o N/O. Otra técnica de interrogación conocida es el PFNA (Análisis de Neutrones Rápidos Pulsados) y se basa en la relación de velocidad/energía de un neutrón rápido, con lo que un impulso neutrónico muy corto y de alta energía de una duración de unos pocos nanosegundos puede proporcionar una oportunidad para registrar la región espacial de la interacción de neutrones a partir del momento de vuelo (TOF) del neutrón a través del objeto bajo interrogación. Esta técnica se describe, por ejemplo, en el documento WO 91/11010. Con el fin de recoger la información TOF, se utiliza un impulso neutrónico rápido monoenergético, de modo que pueda calcularse la posición espacial del neutrón en cualquier momento dado. Cuando un neutrón rápido realiza una colisión de emisión gamma con un elemento en el objeto bajo interrogación, es posible entonces asociar el tiempo de detección (y, por tanto, de emisión) de este fotón gamma con una posición dada en el objeto. Utilizando una fuente de neutrones repetitivamente pulsados de tal duración muy corta, y midiendo el tiempo de aparición con relación al tiempo de lanzamiento del impulso neutrónico, así como la energía de la emisión gamma, puede determinarse la densidad elemental de un rango de elementos dentro de un material a granel, a lo largo de la trayectoria del neutrón rápido. Específicamente, utilizando las reacciones gamma instantáneas procedentes de neutrones rápidos, puede determinarse la concentración relativa de los elementos C, N, O en un cubo espacial dado, denominado voxel. Utilizando las relaciones específicas de estos tres elementos en altos explosivos, pueden identificarse la presencia y la localización de un explosivo. Más particularmente, utilizando agrupaciones ordenadas de detectores de gamma adecuados y explorando el impulso de haz de neutrones a lo largo de dos ejes, puede construirse en principio un mapa 3D de la concentración de elementos en los diferentes voxeles. La técnica PFNA es particularmente adecuada para examinar una pequeña cantidad de explosivos ocultos dentro de un objeto grande de densidad media relativamente baja. Sin embargo, se requiere un impulso neutrónico monoenergético muy corto si debe conseguirse una resolución espacial razonable. Típicamente, tal fuente de neutrones se produce a partir de una aceleración lineal. Aunque se han desarrollado sistemas de PFNA basados en tal acelerador para el examen de contenedores de cargamento y para aplicaciones de seguridad aérea con buenos resultados, el requisito de tamaño grande y blindaje sustancial asociado al acelerador lineal significa que el sistema no puede ser móvil, de modo que la técnica no sea apropiada para aplicaciones de desminado o de aeropuertos.... [Seguir leyendo]

- una fuente de partículas (500) para generar un flujo pulsado (140) de partículas energéticas y para dirigir dicho flujo hacia un objeto (600) a analizar, estando destinadas dichas partículas a reaccionar con núcleos de material o materiales en dicho objeto, - una unidad de detección (400) que comprende al menos tres conjuntos detectores (411, 421, 431; 412, 422, 432; 413 423, 433), y - una unidad de procesamiento de datos (800) conectada a las salidas de dichos detectores, capaz de generar una firma a partir de dichas señales después de la aplicación de dicho flujo pulsado a dicho objeto, incluyendo características de señal relacionadas con el tiempo, y para comparar dicha firma con firmas de referencia almacenadas, caracterizado porque: - las partículas energéticas incluyen tanto neutrones como fotones gamma, y - los conjuntos detectores son sensibles a neutrones y fotones gamma que proceden de dicho objeto y que inciden sobre el mismo en respuesta a dicho flujo de partículas energéticas, siendo cada uno sensible a un rango diferente de energía, y están concebidos para funcionar en modo de detección de corriente para suministrar señales de corriente representativas de los fotones gamma y neutrones incidentes a lo largo del tiempo. 2. Sistema según la reivindicación 1, en el que cada conjunto detector comprende un respectivo filtro de paso de banda de energía, y cada filtro de paso de banda posee una respuesta en un espectro de energía diferente. 3. Sistema según la reivindicación 1 ó 2, en el que cada conjunto detector comprende un escintilador (411; 412; 413) acoplado a un fotomultiplicador (431; 432; 433) por medio de fibras ópticas (412; 422; 423). 4. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que dicha fuente de partículas comprende: - un primer y un segundo electrodo (110, 120), - una fuente de iones de plasma en el primer electrodo, - un excitador (220) de la fuente de iones de plasma para permitir que se desarrolle un plasma ionizado que contiene deuterones hacia el segundo electrodo, - unos medios (210) para aplicar entre dichos electrodos un corto impulso de alto voltaje en un momento en el que dicho plasma ionizado está en un estado transicional con una distribución espacial de deuterones a cierta distancia de dicho segundo electrodo, para acelerar dichos deuterones hacia dicho segundo electrodo mientras se supera el límite de corriente de carga espacial de un diodo de vacío convencional, - formando dicho segundo electrodo (210) un anticátodo portador de litio para generar dichos neutrones en dicho segundo electrodo por interacción de deuterones/litio, e - interactuando dichos neutrones con dicho anticátodo para producir fotones gamma. 5. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que dichos neutrones tienen una energía de al menos 3 MeV. 6. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que dichos neutrones tienen una energía de al menos 5 MeV. 7. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que dichos neutrones tienen una energía de al menos 8 MeV. 8. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que las señales suministradas por los conjuntos detectores corresponden a un único impulso de partículas procedentes de dicha fuente. 9. Método para detectar propiedades de materiales, sustancias o compuestos contenidos en objetos, en el que un flujo pulsado de partículas energéticas se aplica a un objeto a analizar, estando destinadas dichas partículas a reaccionar con núcleos de material o materiales en dicho objeto, 11 E06291226 10-01-2012   caracterizado porque las partículas energéticas incluyen tanto neutrones como fotones gamma, y el método comprende además las siguientes etapas: - detectar neutrones y fotones gamma que proceden de dicho objeto en respuesta a dicha aplicación en modo de detección de corriente en al menos tres rangos de energía, en el que cada rango de energía es diferente de los otros, para suministrar señales de corriente representativas de neutrones y fotones gamma incidentes a lo largo del tiempo, - suministrar señales resueltas en el tiempo representativas de neutrones y fotones gamma así detectados, - generar una firma a partir de dichas señales, incluyendo a partir de características de dichas señales correlacionadas con el tiempo, y - comparar dicha firma con firmas de referencia almacenadas. 10. Método según la reivindicación 9, en el que dichas partículas son neutrones con una energía de al menos 3 MeV. 11. Método según la reivindicación 9 ó 10, en el que dichas partículas son neutrones con una energía de al menos 5 MeV. 12. Método según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, en el que dichas partículas son neutrones con una energía de al menos 8 MeV. 12 E06291226 10-01-2012   13 E06291226 10-01-2012   14 E06291226 10-01-2012   E06291226 10-01-2012