Cette image montre comment un compact, un faisceau de photons précis (ligne rouge) pourrait pénétrer à travers 40 centimètres d'acier (côté gauche de l'image). Le faisceau pourrait être utile pour détecter et identifier des matières nucléaires, entre autres utilisations. Crédit :Berkeley Lab, Université du Michigan
Un nouveau, technique compacte pour produire des faisceaux de photons de haute énergie (particules de lumière) avec une énergie et une direction contrôlées avec précision pourrait "voir" à travers l'acier épais et le béton pour détecter et identifier plus facilement les matières nucléaires cachées ou de contrebande, selon un rapport dirigé par des chercheurs du laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère de l'Énergie (Berkeley Lab).
Ces photons sont similaires aux rayons X mais ont une énergie photonique encore plus élevée que les rayons X conventionnels, ce qui leur permet de pénétrer des matériaux épais.
Les techniques passées ont eu de larges écarts d'énergie et d'angle qui ont limité leur efficacité. De nouveaux développements pourraient apporter les capacités de haute précision, des installations de la taille d'un bâtiment à des plates-formes de la taille d'une pièce ou mobiles qui permettent une gamme d'utilisations de non-prolifération et de sécurité nucléaires hautement prioritaires.
Cette précision peut simultanément augmenter la résolution tout en produisant une dose de rayonnement plus faible pour de nombreuses utilisations dans et au-delà de la sécurité nucléaire, tel que:
"Ce rapport se concentre sur le type de source nécessaire pour avoir le plus grand impact plutôt que sur ce qui a été développé à ce jour, " dit Jean Valentin, Responsable du programme de Berkeley Lab pour la sécurité nationale et intérieure. « Il établit la feuille de route pour la réalisation d'applications. Le rapport a été préparé pour la National Nuclear Security Administration (NNSA), une agence du DOE responsable des applications de la science nucléaire axées sur la sécurité nationale.
« Une application majeure de ce type de technologie est la détection de matières nucléaires dissimulées – par exemple, caché dans des conteneurs de fret ou un véhicule - mais il est largement utilisé pour détecter d'autres types de contrebande, " a déclaré Cameron Geddes, un scientifique du laboratoire Berkeley Laboratory Laser Accelerator (BELLA) Center du laboratoire. Geddes a dirigé la préparation du rapport avec Bernhard Ludewigt, un scientifique du laboratoire Fusion Science and Ion Beam Technology Group, partie de la division Technologie des accélérateurs et physique appliquée (ATAP).
Une source de photons « monoénergétique » pourrait être utilisée pour vérifier le contenu des emballages de stockage de combustible des réacteurs nucléaires (en haut). Le faisceau pourrait être modelé dans un balayage "parallèle" (en bas à gauche) ou un balayage en "éventail" (en bas à droite). Crédit :Berkeley Lab, Université du Michigan
Geddes et Ludewigt ont travaillé avec une équipe de scientifiques du nord-ouest du Pacifique, Idaho, et les laboratoires nationaux Lawrence Livermore, ainsi que l'Université du Michigan, pour effectuer des simulations détaillées qui ont montré les capacités améliorées que les nouvelles techniques rendraient possibles.
« Les technologies existantes utilisent couramment des sources dites « Bremsstrahlung » pour détecter et identifier les matières nucléaires, ", a déclaré Ludewigt. Ce type de source de rayonnement n'est pas étroitement dirigé et fournit une diffusion en forme d'éventail sur une large gamme d'énergie de rayonnement. Ces caractéristiques peuvent limiter les capacités d'imagerie et nécessiter des doses de rayonnement plus élevées.
Connue comme une « source de photons monoénergétiques, " la nouvelle technologie aurait un faisceau étroitement collimaté - ce qui signifie que ses photons se déplaceraient presque parallèlement les uns aux autres sur un chemin étroit. Ces photons auraient également une plage d'énergie étroite et réglable avec précision. Ces propriétés réduiraient la sortie de rayonnement nécessaire pendant les scans par rapport à d'autres technologies utilisées aujourd'hui. Ils réduiraient également l'effet des signaux indésirables, comme le bruit des photons diffusés, pouvant interférer avec la détection des matières nucléaires.
Lors de la recherche de matières nucléaires cachées, Ludewigt a dit, "Vous ne voulez pas avoir à ouvrir chaque conteneur qui contient quelque chose de dense." La possibilité de numériser rapidement des objets volumineux, tels que les conteneurs de fret, est également essentiel, alors que des millions de conteneurs de fret affluent aux États-Unis chaque année.
Le faisceau de la technique de balayage doit également être sans danger pour les humains qui pourraient entrer en contact avec lui par inadvertance, Geddes ajouté. « Cela signifie que nous devons effectuer une détection avec une spécificité élevée tout en maintenant une faible dose, de sorte que si quelqu'un se cache dans le conteneur de fret, le scan ne lui fera pas de mal, " il a dit.
Les simulations montrent, par exemple, que le balayage à deux gammes d'énergie distinctes permettrait aux opérateurs d'identifier le type général de matériaux présents. Si un objet est découvert dans cette analyse initiale qui est si épais ou dense qu'il nécessite une analyse plus pénétrante pour explorer son contenu, ensuite, en réglant l'énergie sur des valeurs spécifiques, la même source de photons pourrait être utilisée pour identifier si un élément est une matière nucléaire.
Avec un contrôle très strict de l'énergie du faisceau, la nouvelle source pourrait également identifier l'élément exact - y compris les isotopes des éléments, qui ont un poids atomique différent et peuvent être importants pour évaluer les menaces à la sécurité nucléaire.
Ce diagramme montre comment un faisceau de photons à haute énergie pénètre à l'intérieur d'un objet inconnu (cube) pour détecter de l'uranium hautement enrichi. Crédit :Berkeley Lab, Laboratoire national de l'Idaho
Le rapport note également que la dose de rayonnement réduite du faisceau et la spécificité accrue de la détection des matériaux pourraient avoir un impact important dans d'autres domaines qui utilisent des photons de haute énergie, y compris les usages médicaux et industriels. Une telle source serait, par exemple, améliorer l'analyse industrielle non destructive - la possibilité de regarder à l'intérieur des machines sans avoir besoin de les démonter.
Alors que les accélérateurs de particules de la taille d'un bâtiment sont depuis longtemps capables de faisceaux de photons monoénergétiques, la nouvelle technologie pourrait réduire ces systèmes, les rendant plus abordables et compacts pour permettre une large utilisation.
"Au lieu d'amener les applications à la machine, nous espérons apporter la machine aux applications, qu'il s'agisse de scanner du fret, vérifier le respect des traités, ou bien d'autres utilisations, " a déclaré Wim Leemans, directeur du Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center et de la division ATAP du laboratoire.
Berkeley Lab est parmi les leaders dans l'effort mondial pour développer de nouveaux, technologies d'accélération compactes dans son centre BELLA. BELLA utilise des lasers pour générer un état de matière super chaud connu sous le nom de plasma, et de générer des paquets d'électrons et de les accélérer rapidement à des énergies élevées sur une très courte distance.
Des expériences ont déjà montré que les accélérateurs à plasma de BELLA peuvent produire les types de faisceaux d'électrons nécessaires pour réaliser un faisceau de photons à haute énergie contrôlé qui répondrait aux exigences décrites dans le rapport.
Geddes dirige un projet distinct du Centre BELLA pour démontrer une source monoénergétique compacte. Les faisceaux seraient générés par diffusion d'un faisceau laser séparé du faisceau d'électrons à haute énergie d'un accélérateur à plasma pour produire des faisceaux de photons pulsés avec une gamme étroite d'énergies et d'angles contrôlés, un processus appelé diffusion de Thomson. Le nouveau rapport détaille comment ces faisceaux pourraient améliorer la qualité de l'identification et de l'imagerie des matières nucléaires.
« Nous testons de nouvelles technologies qui peuvent réduire les échelles et les coûts massifs des accélérateurs de nouvelle génération, nous permettant d'explorer de nouveaux domaines de la physique, ", a déclaré Leemans. Il s'agit notamment des collisionneurs de particules à haute énergie de nouvelle génération, et les lasers à électrons libres qui produisent les rayons X les plus brillants au monde. Tout cela exige des taux de pulsation plus rapides pour les lasers qui pilotent les nouvelles sources, et la R&D est également en cours vers des taux de pouls qui permettraient les techniques décrites dans le rapport.
