μ介子斷層掃描檢查中的初級和次級掃描的制作方法
【專利說明】μ介子斷層掃描檢查中的初級和次級掃描
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本專利文件要求于2012年8月21日提交的題為“PRIMARY AND SECONDARYSCANNING IN MUON TOMOGRAPHY INSPECT10N( μ介子斷層掃描檢查中的初級和次級掃描)”的美國臨時(shí)專利申請?zhí)?1/691,642的優(yōu)先權(quán)。通過引用并入上述專利申請的整個(gè)內(nèi)容作為本申請的公開的一部分。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本專利文件涉及包括基于宇宙μ介子射線的μ介子斷層掃描的粒子探測(detect1n)，以及在用于包括安全和入口監(jiān)控的各種用途的對象、貨物、車輛、集裝箱和其他的檢查(inspect1n)中的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0004]可以通過各種方法探測具有高原子量的材料(諸如核材料)。一種值得注意的技術(shù)是μ介子斷層掃描，其利用高穿透性宇宙射線產(chǎn)生的μ介子的散射以執(zhí)行材料的無損檢查，而無需使用人工輻射。地球被來自外太空的能量穩(wěn)定粒子(主要為質(zhì)子)連續(xù)轟擊。這些粒子與上層大氣中的原子相互作用，以產(chǎn)生粒子的傾瀉(shower)，該粒子包括衰變產(chǎn)生更長壽命的μ介子的短壽命介子。μ介子主要通過庫倫力與物質(zhì)相互作用，而沒有核相互作用。μ介子比電子更不容易輻射能量，并且由于通過電磁相互作用的散射損失能量。結(jié)果，許多宇宙射線產(chǎn)生的μ介子到達(dá)地球的表面，作為高穿透性帶電輻射。海平面的μ介子通量是大約Iμ介子每平方厘米每分鐘。
[0005]μ介子斷層掃描利用宇宙射線產(chǎn)生的μ介子作為探索(probing)粒子，并且測量穿透通過被檢查的目標(biāo)對象的這種μ介子的散射。隨著μ介子移動通過目標(biāo)對象的材料，亞原子粒子的電荷的庫倫散射干擾它的軌跡?？偟钠D(zhuǎn)取決于若干材料屬性，但是主要影響是原子核的原子數(shù)ζ。進(jìn)行好的伽馬射線屏蔽的材料(例如，諸如鉛和鎢)以及特種核材料(SNM) ( S卩，鈾和钚)，比組成更普通對象(諸如水、塑料、鋁和鋼鐵)的材料更強(qiáng)地影響軌跡。每個(gè)μ介子攜帶關(guān)于它已經(jīng)穿透的對象的信息，并且多個(gè)μ介子的散射的測量可以用于探索這些對象的屬性。例如，當(dāng)材料位于低Z或中Z物質(zhì)內(nèi)時(shí)，可以探測和識別具有高原子數(shù)Z和高密度的材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]用于使用宇宙射線產(chǎn)生的μ介子檢查對象的技術(shù)和系統(tǒng)，其基于所有對象的初步掃描以及由初步掃描確定為潛在包括一個(gè)或多個(gè)可疑區(qū)域的對象的額外掃描。在一個(gè)實(shí)施方式中，系統(tǒng)可以包括用于執(zhí)行初步或初級掃描的初級掃描器，以及用于額外或次級掃描的較小的次級掃描器，用于提供有效的和準(zhǔn)確的對象的檢查，同時(shí)維持檢查的希望吞吐量。在另一實(shí)施方式中，可以使用單個(gè)掃描器執(zhí)行初步掃描和額外掃描兩者，同時(shí)維持受檢查對象的線路的足夠吞吐量。
【附圖說明】
[0007]圖1A圖示μ介子斷層掃描掃描器系統(tǒng)的示例，該μ介子斷層掃描掃描器系統(tǒng)用于利用宇宙射線產(chǎn)生的μ介子獲得對象的圖像的入口監(jiān)控和其他檢查應(yīng)用。
[0008]圖1B圖示利用宇宙射線產(chǎn)生的μ介子探測對象的μ介子斷層掃描掃描器系統(tǒng)的側(cè)視圖。
[0009]圖2圖示μ介子斷層掃描掃描器的詳細(xì)透視圖。
[0010]圖3示出車輛檢查系統(tǒng)的示例，該車輛檢查系統(tǒng)基于用于初步掃描并且用于維持受檢查車輛的流量的初級μ介子斷層掃描掃描器、以及提供在由初級掃描器識別的可疑區(qū)域上的離線詳細(xì)掃描的次級μ介子斷層掃描掃描器。
[0011]圖4示出初級和次級掃描器的操作的示例。
[0012]圖5示出圖3中的系統(tǒng)的檢查操作細(xì)節(jié)的示例。
[0013]圖6示出基于圖3中的系統(tǒng)或類似系統(tǒng)的操作流程的示例。
[0014]圖7示出單個(gè)掃描器的示例，該單個(gè)掃描器執(zhí)行用于檢查的線路中所有對象的初步掃描，以及對由初步掃描確定潛在地具有一個(gè)或多個(gè)可疑區(qū)域的對象的額外掃描。
[0015]圖8Α和8Β示出在執(zhí)行初步/初級掃描和額外/次級掃描時(shí)的掃描序列的示例。
【具體實(shí)施方式】
[0016]基于宇宙射線產(chǎn)生的μ介子的μ介子斷層掃描掃描器依賴于不能人工增加的來自天空的μ介子的自然密度。因此，在來自天空的進(jìn)入μ介子的限制下，μ介子斷層掃描掃描器需要讓對象在最小時(shí)間段內(nèi)暴露給來自天空的μ自然介子流入，以確保足夠數(shù)目的μ介子穿透并且由受檢查的對象散射，從而生成具有足夠細(xì)節(jié)使得能夠識別對象和/或與周圍回波(clutter)區(qū)分的μ介子斷層掃描圖像。該操作稱為成像掃描，并且這種掃描的持續(xù)時(shí)間由暴露到特定質(zhì)量的μ介子斷層掃描圖像所需的μ介子的時(shí)間指定。長掃描時(shí)間提供比用較短掃描時(shí)間獲得的圖像更多的圖像細(xì)節(jié)。在實(shí)際檢查系統(tǒng)中，μ介子斷層掃描掃描器的這方面在檢查的吞吐量和檢查的可靠性之間加以權(quán)衡。一些小部分車輛將包含屏蔽、輻射發(fā)射材料或增加威脅存在的嫌疑的其他材料的可疑配置。作為示例，如果90%的車輛不包含可疑配置，并且在30秒內(nèi)通過，而10%的測量包含要求一分鐘通過的可疑配置，那么平均吞吐量是33秒每次掃描。10%的掃描持續(xù)到60秒，但是平均吞吐量受微小影響。
[0017]這種μ介子斷層掃描掃描器的一個(gè)實(shí)施例將在車輛檢查點(diǎn)一次檢查一輛車，每輛車經(jīng)歷相同的掃描時(shí)間，其足夠長以提供充分的圖像細(xì)節(jié)以便以高可信度水平確定地區(qū)分和/或識別核材料(和/或屏蔽)。這可能不必要地降低了車輛檢查吞吐量，因?yàn)榇蠖鄶?shù)車輛不太可能攜帶可疑核材料，并且因此不需要與可能攜帶可疑屏蔽或核材料的少數(shù)車輛經(jīng)歷相同級別的審查。這種檢查系統(tǒng)是不合需要的，特別在由高日常交通量的檢查點(diǎn)。
[0018]本文檔中描述的技術(shù)和系統(tǒng)提供兩個(gè)級別的掃描以維持用于檢查的對象的希望交通流量。用于檢查的線路中的所有對象對于預(yù)定的短掃描時(shí)間經(jīng)歷通過μ介子掃描器的第一掃描，以確定包含可疑區(qū)域的對象。僅在基于第一掃描對象確定為具有一個(gè)或多個(gè)可疑區(qū)域時(shí)，然后執(zhí)行額外掃描以進(jìn)行最終確定。因此，提供基于使用宇宙射線產(chǎn)生的μ介子的斷層掃描檢查對象的方法，以操作包括位置敏感帶電粒子檢測器的μ介子斷層掃描掃描器在成像持續(xù)時(shí)間受檢查的對象的線路中對象的成像掃描，以獲得整個(gè)對象的μ介子斷層掃描圖像。該方法處理整個(gè)對象的μ介子斷層掃描圖像，以獲得關(guān)于對象內(nèi)部的一個(gè)或多個(gè)可疑區(qū)域的信息，并且當(dāng)μ介子斷層掃描圖像的處理顯示對象內(nèi)部沒有可疑區(qū)域時(shí)，生成通過信號，以設(shè)置μ介子斷層掃描掃描器準(zhǔn)備接收下一個(gè)用于檢查的對象。當(dāng)μ介子斷層掃描圖像的處理顯示對象內(nèi)部的一個(gè)或多個(gè)可疑區(qū)域時(shí)，操作μ介子斷層掃描掃描器掃描對象額外掃描時(shí)間，該額外掃描時(shí)間足夠長以進(jìn)行對象內(nèi)部的一個(gè)或多個(gè)可疑區(qū)域是否構(gòu)成威脅的肯定決定。
[0019]在一個(gè)實(shí)施方式中，μ介子斷層掃描掃描器以比具有高可信度水平的上述長掃描時(shí)間更短的掃描時(shí)間，一次檢查一輛車輛。該較短掃描時(shí)間可以基于應(yīng)用的環(huán)境(例如，車輛可能隱藏威脅的可能性)確定。各種簡單場景可能不需要長掃描時(shí)間以實(shí)現(xiàn)用于通過所需可信度水平。使用較短掃描時(shí)間可以增加車輛檢查點(diǎn)的車輛檢查吞吐量。減少掃描時(shí)間將導(dǎo)致較低質(zhì)量圖像，但是這種較低質(zhì)量圖像可以設(shè)計(jì)為足以識別可疑對象或者處于預(yù)定可信度水平的配置。如果指示沒有潛在威脅包存在的可信度水平超過用于通過的預(yù)定可信度要求，則車輛通過。如果還沒有收集足夠信息以提供沒有可疑配置存在的高可信度，那么掃描繼續(xù)。如果識別可疑配置，則根據(jù)需要用延長的掃描時(shí)間掃描這些區(qū)域，以提供允許車輛通過或探測到威脅的更高質(zhì)量圖像。以這樣的方式執(zhí)行該延長的掃描，以便不顯著影響檢查點(diǎn)的車輛檢查吞吐量，其中如果需要則使得車輛等待用于延長掃描的適當(dāng)時(shí)間?？梢曰谲囕v檢查點(diǎn)的特定情況優(yōu)化檢查吞吐量和可信度水平之間的這種平衡。
[0020]在另一實(shí)施方式中，可以在車輛檢查點(diǎn)使用兩個(gè)μ介子斷層掃描掃描器。第一掃描器運(yùn)行為“初級”掃描器，以便用足夠短以維持車輛吞吐量的希望水平的掃描時(shí)間掃描車輛。第二掃描器運(yùn)行為“次級”掃描，以便在需要時(shí)提供額外掃描。例如，如果通過第一掃描的掃描指示車輛可能是可疑的，那么如果交通流量允許則在初級掃描器經(jīng)歷延長的掃描，或者如果第一掃描器需要掃描下一輛車輛以便維持交通流量因此不可用于延長的掃描，則在“次級”掃描器經(jīng)歷延長的掃描。兩個(gè)掃描器的使用確?？梢酝ㄟ^使用第一“初級”掃描器執(zhí)行初級掃描維持車輛檢查吞吐量的希望水平，而同時(shí)可疑車輛由第二掃描器掃描以允許具有高可信度水平的威脅/非威脅分類。兩個(gè)掃描器不需要是相同的，因?yàn)榇渭墥呙杵骺赡苄枰獌H掃描車輛的一部分，其中初級掃描器已經(jīng)識別可能的關(guān)注點(diǎn)。這將允許次級掃描器的探測器模塊更小，從而整體減小掃描器系統(tǒng)的尺寸，并且導(dǎo)