用于材料辨別的飛行時間中子探詢的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】用于材料辨別的飛行時間中子探詢的方法和系統(tǒng)
[0001]交叉引用相關申請
[0002]本申請要求如下申請的優(yōu)先權以及依賴于如下申請:2012年6月I日提交、發(fā)明名稱為‘‘Methods and Systems for Time-of-Flight Neutron Interrogat1n forMaterial Discriminat1n(用于材料辨別的飛行時間中子探詢的方法和系統(tǒng))”的美國臨時專利申請第61/654，656號，在此通過引用將其全文并入。
技術領域
[0003]本說明書一般涉及探測隱藏對象的輻射能成像系統(tǒng)的領域，尤其涉及使用中子探詢檢查對象以及提供更高水平的材料表征的系統(tǒng)。
【背景技術】
[0004]包括郵件、商品、原材料、和其它貨物的裝運的材料的有形裝運是任何經濟的組成部分。通常，材料以集裝箱或貨柜的形式裝運，該集裝箱或貨柜一般經由半掛車、大型卡車、和機動有軌車以及可以在集裝箱船或貨運飛機上攜帶的聯(lián)運集裝箱運輸。但是，這樣的裝運或貨物集裝箱有時也被用于違禁品的非法運輸。對這些危險品的探測需要迅速、安全和精確的檢查系統(tǒng)。
[0005]全世界都采用高能X射線檢查來探測包括毒品、貨幣、武器和明顯褻瀆品的違禁品。違禁品探測通常通過分析圖像的異常來進行。時常當異常被識別成潛在違禁品時，需要勞動力密集的和費時的開箱。在一些情況下，不得不損壞裝備來確定違禁品是否實際存在。不幸的是，這些異?？赡苡闪夹载浳锏淖匀蛔兓穑虼藢е虏槐匾斯z查的假報警狀況。
[0006]檢查集裝箱化貨物的已知掃描過程包括X射線掃描、化學分析從貨物中發(fā)出的汽化物、偵聽來自貨物的聲音以探測活體以及最終由一個或多個安全官員介入性地人工搜索貨物。在一些系統(tǒng)中，將中子用在次級檢查技術和方法中來探測和/或查明爆炸物和其它材料的存在。例如，Rapiscan Systems公司擁有采用慢化232Cf自發(fā)裂變源或像d_D或d_T那樣的電子中子發(fā)生器(ENG)來產生檢查貨物集裝箱的中子的運輸工具爆炸物探測系統(tǒng)(VEDS)。在大多數(shù)情況下，中子大體上是非準直的，撞擊在集裝箱的大區(qū)域上，非深度敏感的以及提供有限元素信息。因此，這些系統(tǒng)可以探測中等數(shù)量的違禁品以及局限于某些類型的材料。
[0007]采用中子的優(yōu)點之一是它們與物質的相互作用導致γ射線。這些γ射線是產生它們的元素的特征，因此可以用于導出元素成分。當利用中子探詢一個對象時，從該對象的不同部分中產生γ射線信號；通過確定作為時間的函數(shù)的單能中子的位置降低信號混合。這又產生作為時間的函數(shù)的γ射線信息。由于中子的速度是已知的，所以可以計算產生γ射線的地點。這使得可以來自其它區(qū)域的信號的混合小地確定作為深度的函數(shù)的掃描區(qū)域的元素成分。
[0008]對于連續(xù)產生輻射或以微秒間隔脈沖化的連續(xù)波(CW)源，非常難以確定產生Y射線的地點。在對象的前面、中心和后面產生的γ射線會發(fā)生疊加，使導出的元素成分混合在一起。例如，如果有一定數(shù)量的可卡因處在載紙集裝箱的中心，則將存在主要來自紙張和少量來自可卡因的γ射線，在該情況下，可能仍然探測不到可卡因。這是因為由于衰減，中子在前面比在中心多地發(fā)生相互作用，由于沒有時間(深度)信息，來自可卡因的元素信號(非常小信號)與紙張的元素信號(更豐富信號)累加在一起。例如，可卡因的信號是C = 4和O = I (C/0 = 4)。紙張的信號是C = 10和O = 10 (C/Ο = I)。測量的信號是C/O為1.3的C= 14和O= 11。但是，如果存在時間(深度)信息，則將來自前面、中心和后面的信息分離成離散、可探測信號。因此，由于作為深度的函數(shù)的信號的混合，ΤΝΑ(熱中子分析)效果不怎么好。
[0009]舉例來說，在脈沖快中子分析(PFNA)技術中，高能脈沖氘束撞擊在氘靶上，產生強納秒級脈沖中子束，這使得可以確定正受到檢查的區(qū)域的元素含量。通過準直的使用獲得橫截面(χ-y)映像，以及使用飛行時間(ToF)技術獲得深度(z)圖。PFNA可以用于初級檢查和/或用于次級檢查。在次級做法中，初級系統(tǒng)(PFNA、x射線等)識別懷疑包含違禁品、然后利用準直中子束檢查的區(qū)域。盡管PFNA是非常強有力的技術，但基于這種技術的系統(tǒng)既龐大又昂貴，這限制了它的部署。
[0010]類似地，相關的α粒子成像(API)采用部分準直中子束來檢查對象，從而可以確定對象的元素圖。通過探測相對于發(fā)射中子的方向180°發(fā)射的相關α粒子方向獲得橫截面元素圖。深度圖也是使用ToF技術而不是使用脈沖中子束獲得的，對α粒子的探測提供開始時間。當來自發(fā)生器的氘擊中氚靶時，核反應導致相互180°產生的α粒子和中子。首先探測到α粒子，因為α探測器近。因此，可以用于啟動確定相關中子在何處的時鐘。如果在t = O時，中子在1cm上，則在t = Ins時，它將在15cm上，以及在t = 2ns時，它將在20cm上，因為中子以近似5cm/ns運動。
[0011]由于α粒子和中子誘發(fā)γ射線測量的隨機符合，所得信號受限制最大中子輸出的高本底影響。這要求將中子輸出降低到這種本底低的水平，但導致檢查時間延長，降低了吞吐量。
[0012]雖然已經使用了采用與PFNA和API類似的技術的d_D和d_T中子發(fā)生器，但由于尺寸和成本的限制，或作為低中子產額的結果的長檢查時間，它們未得到廣泛部署。d-D中子發(fā)生器采用撞擊在氘氣靶上以便以?8.5MeV的束能量產生中子束的氘束。d-T中子發(fā)生器使用氘(2H)-氚(3H)反應產生中子。加速束中的氘原子與靶中的氘和氚原子熔合產生中子和α粒子。
[0013]因此，需要適合部署的小型、低成本、高強度、特定材料初級和次級檢查系統(tǒng)和方法。作為次級檢查方法和系統(tǒng)，需要那種方法和系統(tǒng)可以高吞吐量地在相對較短檢查時間內查明或確認初級系統(tǒng)的警報。
[0014]因此，所需的是導致檢查時間短的小型、高產額和可部署定向中子檢查系統(tǒng)。

【發(fā)明內容】

[0015]本說明書描述了基于飛行時間的中子檢查系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用快中子的準直束來探詢可疑貨物，以便作為深度的函數(shù)地確定元素信息。然后分析該元素成分以確定違禁品的存在。
[0016]在一個實施例中，采用了納秒級脈沖、小型和高產額d-τ發(fā)生器。
[0017]在一個實施例中，該系統(tǒng)可以用于初級檢查，以及以入口、門框或可移動配置實現(xiàn)。
[0018]在另一個實施例中，該系統(tǒng)可以用于辨別材料的次級檢查，以降低假報警率，降低高成本和縮短與人工開箱相聯(lián)系的時間。在一個實施例中，通過初級系統(tǒng)或由操作人員將受到檢查的對象識別為包含潛在危險品，然后將其輸送到本發(fā)明的系統(tǒng)作次級檢查。在一個實施例中，初級系統(tǒng)以受到檢查的對象內的小區(qū)域為目標。
[0019]在又一個實施例中，將得到適當準直的API發(fā)生器應用于次級檢查。以小區(qū)域為目標使得可以提高API發(fā)生器的強度，因為以前用于探詢大區(qū)域的強度現(xiàn)在集中到較小斑點上，因此將中子輸出提高到本底低的水平上，并且使得可以縮短檢查時間。
[0020]在一個實施例中，本說明書描述了檢查對象中的可疑區(qū)域的系統(tǒng)，其包含:納秒級脈沖氘發(fā)生器，所述發(fā)生器包含產生氘離子的束的離子源、和將氘離子的束成形成窄脈沖寬度的離子過濾器、斬波器和聚束器；當受到氘離子的脈沖束撞擊時產生脈沖中子的氚靶；將脈沖中子對準可疑區(qū)域的可動準直器；探測脈沖中子與可疑區(qū)域相互作用之后產生的γ射線的γ射線探測器；以及分析來自該探測器的飛行時間(ToF)數(shù)據(jù)以確定可疑區(qū)域中的材料的處理單元。在一個實施例中，該納秒級脈沖氘發(fā)生器產生至少19個中子/秒。在一個實施例中，該處理單元使用ToF數(shù)據(jù)作為深度的函數(shù)地將來自γ射線探測器的信號映射到可疑區(qū)域的元素。
[0021]在一個實施例中，撞擊在氚靶上的氘束的電流在100 μ A的范圍中。在一個實施例中，該束的加速電壓在100到300kV范圍中。在一個實施例中，該離子源是正離子源。
[0022]在一個實施例中，該氚靶包含多個靶。在另一個實施例中，該氚靶包含旋轉靶。進一步，該氚靶近似處在與初級系統(tǒng)中的源之一的地點相同的高度上。
[002