Gamma Imagers for Nuclear Security and Nuclear Forensics: Recommendations based on results from a side-by-side intercomparison

Cet article présente les résultats d'une comparaison inter-comparaison côte à côte entre des imageurs gamma à semi-conducteurs et à scintillateurs afin de fournir des orientations sur leur utilisation optimale dans une stratégie de réponse graduée en matière de sécurité nucléaire et de criminalistique.

L'essentiel

Imaginez que vous êtes un détective essayant de trouver un trésor caché et brillant (un matériau radioactif) dans une grande forêt sombre. Vous avez deux types différents de « lunettes magiques » pour vous aider à voir d'où vient la lueur. Ce document est un rapport sur un test où les auteurs ont placé ces deux types de lunettes très différents côte à côte pour voir lequel fonctionne le mieux pour différentes parties du travail.

Voici le détail de leurs conclusions en termes simples :

Les deux « lunettes magiques »

Les chercheurs ont testé deux dispositifs spécifiques conçus non seulement pour détecter la radiation, mais aussi pour prendre une photo de l'endroit exact d'où elle provient, en superposant cette image sur une photo normale de l'environnement.

1. Les « Jumelles Légères » (H3D H420) :

   • Ce que c'est : Un petit appareil portable utilisant un cristal semi-conducteur spécial (Tellure de Cadmium-Zinc).
   • Comment ça marche : C'est comme une caméra de haute qualité qui voit la radiation de toutes les directions à la fois (360 degrés). Il est très précis pour identifier ce qu'est la radiation, mais il est un peu « faible » lorsqu'il s'agit de voir l'image globale.
   • L'analogie : Pensez à un détective avec une loupe très précise. Il peut lire parfaitement les petits caractères d'un indice unique, mais il lui faut beaucoup de temps pour scanner une pièce entière, et si vous essayez de scanner en courant, l'image devient trop floue pour voir quoi que ce soit.

2. La « Lampe Torche Grand Angle » (SCoTSS 3×3) :

   • Ce que c'est : Un dispositif plus grand composé de centaines de minuscules cristaux (scintillateurs) disposés en grille.
   • Comment ça marche : Il agit comme un projecteur puissant et rapide. Il peut voir beaucoup de radiations très rapidement et créer une image claire et fluide de l'endroit d'où elles proviennent.
   • L'analogie : Pensez à un détective avec une lampe torche super brillante. Il peut scanner tout un champ en quelques secondes et vous dire exactement d'où vient la lueur. Cependant, si la lueur est derrière vous ou sur le côté, le faisceau de la lampe devient un peu plus faible et flou, ce qui le rend plus difficile de voir les détails dans ces endroits spécifiques.

Le test de conduite

Les auteurs ont mis en place une expérience contrôlée à Ottawa. Ils ont placé des sources radioactives (comme des billes brillantes) à des distances et des angles spécifiques. Ils ont ensuite utilisé alternativement les deux dispositifs pour « photographier » les sources.

• Le test de la source unique : Lorsqu'il n'y avait qu'une seule bille brillante, les deux dispositifs l'ont trouvée.

  • La Lampe Torche Grand Angle (SCoTSS) a créé une image très lisse et claire presque instantanément. Elle était si efficace qu'elle pouvait trouver la source en seulement 2 secondes.
  • Les Jumelles Légères (H3D) ont mis 2 minutes pour construire une image qui était un peu granuleuse (bruyante), mais elles ont quand même trouvé la source.

• Le test du « Derrière le dos » : Ils ont déplacé la source sur le côté et à l'arrière des dispositifs.

  • Les Jumelles ont continué à fonctionner tout aussi bien. Peu importait que la source soit devant, derrière ou sur le côté ; la qualité de l'image restait la même.
  • La Lampe Torche a eu du mal. L'image est devenue plus floue et la source semblait plus faible lorsqu'elle n'était pas directement devant le dispositif.

• Le test des « Deux sources » : Ils ont placé deux billes brillantes proches l'une de l'autre.

  • La Lampe Torche a été incroyable pour les séparer. Elle montrait deux points distincts clairement, même lorsqu'ils étaient proches.
  • Les Jumelles les ont vues comme un seul gros bloc flou. Elles ne pouvaient pas distinguer qu'il y avait deux sources distinctes, seulement que la lueur était étalée.
  • Cependant, lorsque les deux sources étaient très éloignées (l'une devant, l'autre derrière), la Lampe Torche a eu un problème : elle était tellement concentrée sur la source de devant qu'elle a « caché » la source de derrière dans l'image finale à cause de la façon dont le logiciel filtre l'image. Les Jumelles, étant équitables envers toutes les directions, ont montré l'étalement des deux.

Le verdict : Quel outil pour quel travail ?

L'article conclut que vous ne devriez pas simplement choisir un seul appareil pour tout. Au lieu de cela, vous avez besoin d'une approche « par paliers », comme utiliser différents outils pour différentes étapes d'une recherche :

1. Étape 1 : La recherche large (Levée de doute mobile) :

   • Meilleur outil : La Lampe Torche Grand Angle (SCoTSS).
   • Pourquoi : Lorsque vous conduisez une voiture ou pilotez un drone pour chercher une source radioactive sur une vaste zone, vous avez besoin de vitesse. Ce dispositif peut trouver les « points chauds » en quelques secondes et dessiner une carte pour vous. Il remplace les anciens détecteurs « aveugles à la direction » qui disent simplement « la radiation est ici » sans dire « elle est par là ».

2. Étape 2 : L'investigation de près (Caractérisation in situ) :

   • Meilleur outil : Les Jumelles Légères (H3D).
   • Pourquoi : Une fois que la recherche large a trouvé un endroit suspect, une équipe s'approche et reste immobile pendant 15 minutes. Ici, vous n'avez pas besoin de vitesse ; vous avez besoin de précision. Ce dispositif donne une vue très claire et équitable de la radiation, peu importe d'où elle provient, aidant les experts à déterminer exactement ce qu'est le matériau sans rien manquer de caché derrière un objet.

L'essentiel à retenir

L'article ne prétend pas que ces dispositifs sont parfaits pour le moment, mais il prouve que différentes technologies excellent à différentes étapes d'une mission de sécurité nucléaire.

• Si vous courez pour trouver un problème, utilisez l'imageur à cristaux lourd et rapide.
• Si vous restez immobile pour analyser un problème, utilisez l'imageur semi-conducteur précis qui voit tout.

L'avenir de la sécurité nucléaire, selon les auteurs, consiste à utiliser les deux types d'imageurs en équipe, remplaçant les anciens détecteurs « aveugles » par ces nouveaux détecteurs « visionnaires » pour rendre l'ensemble du processus plus sûr et plus précis.

Résumé technique

Résumé technique : Intercomparaison d'imageurs gamma à semi-conducteurs et à scintillateurs pour la sécurité nucléaire

Énoncé du problème
La sécurité nucléaire et les opérations de criminalistique reposent sur une stratégie de réponse échelonnée, commençant par des recherches de zone étendue à l'aide de spectromètres mobiles à haute sensibilité, suivies d'une caractérisation de haute précision avec un temps de comptage prolongé à l'aide de détecteurs à l'état solide. Bien que les méthodes actuelles permettent de détecter efficacement la présence et la quantité de radioactivité, elles possèdent une capacité limitée à déterminer la localisation précise d'une source. Les progrès récents de la technologie d'imagerie gamma, issus de la physique médicale et de l'astrophysique, offrent la capacité de cartographier les distributions radioactives et de les superposer à des photographies optiques. Cependant, la prolifération de différentes approches technologiques (par exemple, semi-conducteur vs scintillateur) et l'absence de normalisation du compte rendu des performances rendent difficile pour les opérateurs le choix de l'imageur optimal pour des missions spécifiques. Les intercomparaisons précédentes étaient limitées par le fait de tester des dispositifs dans des lieux et des conditions de fond différents.

Méthodologie
Cette étude présente une intercomparaison préliminaire côte à côte de deux imageurs gamma basés sur des technologies fondamentalement différentes, déployés au même endroit sous des configurations expérimentales identiques à Ottawa, Canada, en octobre 2019.

• Instruments :
  • H3D H420 : Un imageur commercial utilisant un détecteur à semi-conducteur de Tellure de Cadmium et de Zinc (CZT) de >19 mm³. Il présente une haute résolution en énergie (≤1,1 % FWHM à 662 keV) et un champ de vision de 4π, mais une masse sensible plus faible.
  • SCoTSS 3×3 : Un imageur personnalisé basé sur une conception à scintillateur utilisant 288 cristaux de CsI(Tl) disposés dans une configuration de « couche de diffusion » et de « couche d'absorption », lus par des photomultiplicateurs à silicium. Il offre une plus grande puissance d'arrêt (comparable à un cristal de NaI(Tl) de 4 L) et un champ de vision 4π illimité, bien qu'avec une résolution en énergie plus faible (7 % FWHM à 662 keV) par rapport au dispositif CZT.
• Configuration expérimentale : Les deux détecteurs ont été montés alternativement sur un plateau tournant à une position fixe. Deux sources ponctuelles de Cs-137 de 160 MBq ont été déployées à une distance de 10 mètres. L'étude a utilisé à la fois des séries à source unique (aux azimuts de -20° et -120°) et des séries à deux sources (avec des séparations de 10°, 30° et 100°).
• Traitement des données : Pour assurer une comparaison équitable, les données brutes en « mode liste » des deux instruments ont été traitées via un code d'analyse unifié. Cela impliquait des critères de sélection d'événements stricts : exiger exactement deux dépôts d'énergie, les sommer au pic photo du Cs-137 (662 keV), et appliquer une coupure de « bras de levier » pour le SCoTSS afin de minimiser le flou de position. L'imagerie a été réalisée à l'aide d'algorithmes de rétroprojection de Compton, avec un seuil de 50 % appliqué à l'affichage des contours pour minimiser les faux positifs dus aux fluctuations statistiques.

Résultats clés
L'intercomparaison a révélé des caractéristiques de performance distinctes adaptées à différents niveaux opérationnels :

1. Localisation de source unique :

   • Le SCoTSS 3×3 a démontré une lissage d'image et une résolution angulaire supérieurs, particulièrement pour les sources dans la direction avant. Il a réussi à localiser une source dans une fenêtre d'acquisition de 2 secondes, indiquant une aptitude pour les relevés mobiles et l'imagerie en mouvement.
   • L'H3D H420 a produit des images présentant une dispersion statistique importante en raison d'une efficacité moindre, mais a maintenu une réponse uniforme à travers le champ de vision 4π. Il nécessitait des temps d'acquisition plus longs (par exemple, 2 minutes) pour reconstruire une image utilisable et a été jugé inadapté pour un relevé mobile rapide.

2. Résolution de sources multiples et de sources étendues :

   • SCoTSS 3×3 : Bien que capable de résoudre deux sources séparées de 30° (-20° et -50°) avec une grande précision, ses performances se sont considérablement dégradées pour des sources à des angles larges (par exemple, -120°). La résolution angulaire et l'efficacité variaient fortement selon l'emplacement de la source, la source hors axe étant supprimée en dessous du seuil d'affichage de 50 % lorsqu'une seconde source sur l'axe était présente.
   • H3D H420 : En raison de sa réponse 4π uniforme, l'H3D H420 a réussi à indiquer l'étendue de la radioactivité pour des sources largement séparées (par exemple, de -20° à -120°) et des sources étendues. Cependant, sa résolution angulaire large a empêché la discrimination de deux sources ponctuelles distinctes séparées par de petits angles (par exemple, 10° ou 30°), apparaissant souvent comme un seul bloc allongé.

Signification et conclusions
L'article conclut qu'aucune technologie d'imagerie gamma unique n'est optimale pour toutes les étapes d'une réponse de sécurité nucléaire. Au lieu de cela, les résultats soutiennent une approche par paliers :

• Recherche de zone étendue : Le SCoTSS 3×3, basé sur un scintillateur, est bien adapté aux opérations de relevé mobile où une accumulation rapide de données et une haute efficacité sont nécessaires pour cartographier les zones chaudes, agissant efficacement comme un remplacement directionnel pour les spectromètres de relevé NaI(Tl) traditionnels.
• Caractérisation de suivi : Le H3D H420, basé sur un semi-conducteur, est mieux adapté à la caractérisation in situ fixe. Sa haute résolution en énergie et sa réponse 4π uniforme le rendent idéal pour l'analyse isotopique détaillée et la localisation de sources dans des scénarios complexes ou distribués, à condition que des temps de comptage plus longs soient disponibles.

Les auteurs soulignent que ce travail préliminaire met en évidence la nécessité de comparaisons côte à côte pour évaluer équitablement les forces et les faiblesses technologiques. Ils notent que les directions futures incluent l'optimisation du séquençage des événements, la correction des fonctions de réponse non uniformes pour les imageurs à scintillateurs, et le remplacement éventuel des instruments non directionnels par des homologues d'imagerie à mesure que l'électronique devient plus petite et plus intégrée.