專利名稱：基于脈沖高能粒子的探測系統(tǒng)和探測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及有源中子探詢*支術(shù) (active neutron interrogation technology),更具體地涉及一種采用中子和伽瑪光子(gammaphotons) 探詢和探測物品中的材料或化合物的探測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
所謂"中子探詢"(neutronic interrogation)是目前已知的唯--種
允許從隔離且密封的物品中提取與物品中所包含的化學(xué)元素或化合物 相關(guān)的標記的無創(chuàng)性(non-invasive)技術(shù)。
因此該技術(shù)較只能通過物品的形狀和材料的密度區(qū)別物品的X-射 線機之類有顯著進步，并用于各種應(yīng)用，例如探測爆炸物，核材料或違 禁品，諸如物品或建筑物中的麻醉劑。
根據(jù)實際應(yīng)用，己開發(fā)了多種基于中子的探測技術(shù)。
熱中子分析(TNA)已被嘗試，例如，用于在機場檢查被檢行李。 更具體地，低能量中子使得某些爆炸物中所包含的氮放射伽瑪射線，并 導(dǎo)致裂變材料發(fā)出其自身的中子。然而，第一代TNA監(jiān)視器的不可接 受的錯誤報警率，因為通常行李中包含大量含氮物品。此外，TNA需 要慢化劑(moderator)從而將來自源的快中子減慢為熱中子。
針對例如爆炸物和麻醉劑等違禁品的行李的脈沖快速熱中子分析 (PFTNA)也已被提出。其結(jié)合了對從單個系統(tǒng)中的幾個不同中子相互作 用放射出的伽瑪射線的探測，并利用短脈沖高能中子進行FNA (快中子 分析)探詢。這使得FNA和TNA探詢在時間上分開，并改善了所測量 的伽瑪標記的質(zhì)量和統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
通常，基于氘一氚反應(yīng)的單個重復(fù)性脈沖中子放射器被用于產(chǎn)生14 MeV中子短脈沖(幾ps)。在該脈沖中，相互作用主要是由于在被探詢 的目標中的高能中子的非彈性散射Q伽瑪射線放射主要由來自(n.nV)和 (n.p丫)反應(yīng)的瞬發(fā)伽瑪光子構(gòu)成。脈沖以lOkHz的頻率重復(fù)，且采用傳統(tǒng)的單個光子計數(shù)伽瑪光譜學(xué)技術(shù)收集來自高能中子相互作用的瞬發(fā)
伽瑪光子的光譜。從這些光譜中，可提取來自例如c或o元素的伽瑪 標記。文件WO-99/53344A以及Vourvopoulos G.等人的"用于探測 隱藏爆炸物的脈沖快速熱中子系統(tǒng)"(A Pulsed Fast-Thermal Neutron System for the Detection of Hidden Explosives, Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, Elsevier, Amsterdam, NL， vol. B79, n° V4， 2 June 1993， pp. 585-588, XP000381502)公開了一種這種類型的探測系 統(tǒng)。
在該系統(tǒng)中，在中子脈沖之間，部分快中子持續(xù)與背景材料特別是 輕元素撞擊，并減速至熱能量。
當(dāng)中子的能量低于1 eV時，可容易地被例如H、 N或Fe元素捕獲， 從該(n. 丫)捕獲反應(yīng)產(chǎn)生瞬發(fā)伽瑪光子。單獨的熱中子反應(yīng)光譜由該時段 探測到的伽瑪放射構(gòu)成。文件DE 10323093 Al公開了該方法。
在預(yù)定數(shù)量的脈沖之后，出現(xiàn)長脈沖，該長脈沖能夠?qū)鏞、 Al 和Si等被激活的且隨延遲的伽瑪反應(yīng)衰退的元素放射的伽瑪光子進行 探測。
通過這三個步驟的循環(huán)，產(chǎn)生了三個單獨的光譜，代表快中子相互 作用，熱中子相互作用和延遲的激活相互作用。這三個光譜理論上能夠 清楚地確定高能爆炸物中的全部四種基本元素。
實際上，在PFTNA中識別物質(zhì)是通過檢測原子比，例如碳原子對 氧原子的比(C/O)實現(xiàn)的，如文件US-5200626A所述。這是通過獲得 碳和氧伽瑪射線的強度的比，然后應(yīng)用包括這些元素的反應(yīng)的伽瑪射線 的橫截面的比來實現(xiàn)的。
與固有地混合了來自TNA方法的伽瑪信號的FNA方法不同， PFTNA方法特別地分離了 FNA和TNA方法的光譜，從而改進了爆炸 物檢測中對感興趣的元素的識別。
與傳統(tǒng)的FNA技術(shù)相比，放射和收集來自FNA方法的伽瑪射線的 短暫而特定的時間，改進了來自C和O的伽瑪標記的信號與背景噪聲 的比。
然而，該改進只在FNA方法的過程中存在很少的熱中子捕獲反應(yīng)時才顯著。然而，在隱蔽的爆炸物的情況下，在爆炸物占據(jù)的小區(qū)域旁 邊通常有一大區(qū)域，其中將放射來自熱中子捕獲反應(yīng)的信號。這將使信 噪比顯著惡化，這就意味著又需要很長的探詢時間來獲得有用的統(tǒng)計數(shù) 據(jù)。
此外，在行李檢査的情況下，從外包裝到容納物中的大量塑料材料 的存在，將會大大影響由C/0或N/0比的測量實現(xiàn)的對爆炸物的識別。
另一種己知的探詢技術(shù)是PFNA (脈沖快中子分析)，其基于快中
子的速率/能量關(guān)系，其中持續(xù)時間幾納秒的很短并且高能中子脈沖可提
供機會來記錄從穿過被探詢目標的中子的飛行時間(TOF， time of flight) 開始，中子相互作用的空間區(qū)域。
為了收集TOF信息，采用單能(mono-energetic)快中子脈沖，從 而可以計算在任意給定時間的中子的空間位置。當(dāng)快中子與被探詢目標 中的元素發(fā)生伽瑪放射撞擊時，就可以將伽瑪光子的探測時間(以及放 射時間)和目標中的給定位置關(guān)聯(lián)。通過采用這種持續(xù)時間很短的重復(fù) 的脈沖中子源，并通過測量相對于中子脈沖的發(fā)射時間的發(fā)生時間以及 伽瑪放射的能量，可確定沿快中子路徑上的大塊材料中的元素區(qū)域的元 素密度。
特別地，采用來自快中子的瞬發(fā)伽瑪反應(yīng)，可確定給定空間立方體 (稱為立體象素)中的C、 N、 O元素的相對濃度。利用高能爆炸物中 的這三種元素的特定比率，可識別爆炸物的存在和位置。
更具體地，通過采用適當(dāng)?shù)馁が斕綔y器陣列，以及通過沿兩個軸掃 描中子束脈沖，理論上可建立不同立體象素中的元素濃度的3D圖。
PFNA技術(shù)特別適用于檢測隱藏在平均密度相對較低的大物體內(nèi)的 少量爆炸物。
然而，如果要獲得合理的空間分辨率，需要很短的單能中子脈沖。 通常，這種中子源由線性加速器產(chǎn)生。盡管這種基于加速器的PFNA系 統(tǒng)已經(jīng)被開發(fā)用于貨物集裝箱的檢測，以及航空安全應(yīng)用，具有很好的 效果，但是與線性加速器相關(guān)聯(lián)的大尺寸和充分隔離意味著該系統(tǒng)不可 移動，因此該技術(shù)不適用于采礦或機場應(yīng)用。
此外，所有現(xiàn)有的基于中子的探測技術(shù)，在準確地分析樣本的化學(xué) 成份時都很慢(執(zhí)行單次探測通常需要幾分鐘)。
7該瓶頸是由創(chuàng)建伽瑪光譜從而允許探測樣本中的化學(xué)元素所需的 標準光子計數(shù)技術(shù)造成的。
原因是探測器一次只能接收一個光子，且必須在下一個光子可到達 之前等待探測時間窗以在分析該光子的能量。
利用很高強度的中子脈沖，不可能分別記錄每個激活的伽瑪光子或 背向散射的中子，因為會出現(xiàn)脈沖堆積現(xiàn)象。事實上，如果在給定的測 量時間窗內(nèi)產(chǎn)生了多于一個中子，該光子被當(dāng)作"一起"到來，因此不 被彼此區(qū)分。
因此，單個光子探測和分析的最大速率限制了單個脈沖中可用的最 大中子流。
如上文所述，這導(dǎo)致需要幾分鐘的探測時間來建立用于積極的探測 的具有充分高的信噪比的有用的光譜。原因是要建立高質(zhì)量的光譜，需 要106或更多的測量值，每個測量值通常需要1微秒或更長時間。
此外，用于所述己知系統(tǒng)的中子源包括放射性元件或采用放射性目 標的電發(fā)生器，這在公眾環(huán)境中非常不好。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明致力于克服這些傳統(tǒng)的基于中子的用于探測物品的探測技 術(shù)的缺點。
更具體地，除了不言而喻的對成本效率和可接受的封裝的考慮外， 非常希望有一種能夠提供可靠性和快速的探測時間的系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的是提供一種新的基于脈沖中子探詢方法的材料探測 技術(shù)，該技術(shù)避免了使用傳統(tǒng)的單個光子計數(shù)方法來標識從目標激活并 背向散射的光子和中子的特性。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種通用探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)在單次測量 中覆蓋很寬的能量范圍，包括該能量在時間上的變化。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠充分降低錯 誤報警率，并提供用于操作者做決定的改進的數(shù)據(jù)輸出。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠探測可能隱藏在 金屬包裝中的傳統(tǒng)違禁品，例如麻醉劑和某些核材料，其可能隱藏在對
于傳統(tǒng)的x-射線檢査系統(tǒng)來說不清楚的金屬包裝中。
8本發(fā)明的另一個目標是提供一種克服脈沖堆積造成的限制的探測 系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個目標是提供一種探測系統(tǒng)，該探測系統(tǒng)能夠通過單 個高強度中子脈沖并且以很短的響應(yīng)時間，來探測機場行李中的多數(shù)爆 炸物或采礦中地雷的存在。
因此，本發(fā)明提供一種探測系統(tǒng)，包括
-粒子源，用于產(chǎn)生包含中子和伽瑪光子的高能粒子脈沖流，以及 將所述粒子流朝著待分析物品定向，所述粒子會與所述物品中的材料的 核子進行反應(yīng)，
-探測單元，其包括至少三個響應(yīng)于在各自的能量范圍內(nèi)的中子和 伽瑪光子的探測器組件，其中中子和伽瑪光子來自所述物品并響應(yīng)于所 述高能粒子流撞擊到物品上，其中所述探測器組件被設(shè)置為在電流探測 模式下工作，以發(fā)送代表隨時間撞擊的伽瑪光子和中子的電流信號，以 及
-數(shù)據(jù)處理單元，其連接到所述探測器的輸出端，能夠在應(yīng)用所述 脈沖流到所述物品上之后從所述信號產(chǎn)生標記，包括時間相關(guān)的信號特 征，并用于將所述標記與存儲的參考標記相對比。
該系統(tǒng)優(yōu)選但不局限的方面如下
*每個探測器組件包括各自的能量帶通濾波器。
*每個探測器組件包括由一組彈性光纖電纜連接到光電倍增器的 閃爍體。
*所述中子和伽瑪光子源包括
-第一和第二電極，
-在第一電極的等離子體離子源，
-等離子體離子源驅(qū)動器，用于使包含氘核的離子等離子體朝著第 二電極進展，
-用于在所述離子等離子體處于気核的空間分布位于距所述第二 電極一定距離的過渡狀態(tài)時，在所述電極之間提供短高壓脈沖的裝置， 從而將所述氖核朝著所述第二電極加速，并克服了傳統(tǒng)真空二極管的空 間充電電流的限制，以及
-所述第二電極形成含鋰目標，從而通過氖核/鋰相互作用在所述第
9二電極產(chǎn)生所述中子，其中中子與所述目標相互作用以產(chǎn)生伽瑪光子。
*所述中子具有至少3MeV的能量，適用于核材料的探測。
*所述中子具有至少5MeV的能量，適用于碳基材料的探測，且不 與可能的周圍元素相互作用。
*所述中子具有至少8MeV的能量，隨著它們與大多數(shù)爆炸物共有 的全部四種元素H、 C、 N、 O相互作用，適用于爆炸物的探測。
*探測器組件發(fā)送的信號與一個單個粒子脈沖相對應(yīng)，其中所述粒 子結(jié)合了來自所述源的中子和伽瑪光子。
根據(jù)第二方面，本發(fā)明提供一種用于探測物品中包含的材料屬性、 物質(zhì)或化合物的特性的方法，包括以下步驟
-向待分析物品應(yīng)用包含中子和伽瑪光子的高能粒子脈沖流，所述 粒子與所述物品中的材料的核子起反應(yīng)，
-響應(yīng)在至少兩個不同能量范圍內(nèi)的電流探測模式下的所述應(yīng)用， 探測來自所述物品的中子和伽瑪光子，從而發(fā)送代表隨時間撞擊伽瑪光 子和中子的電流信號，
-發(fā)送代表如此探測的中子和伽瑪光子的時間分辨的電流信號，
-從所述信號的時間相關(guān)的特征來產(chǎn)生標記，以及
-將所述標記與存儲的參考標記相對比。


可通過以下對本發(fā)明的優(yōu)選實施例的參考附圖的示例性描述更好
的理解本發(fā)明，其中
-圖l是根據(jù)本發(fā)明的識別系統(tǒng)的框-圖2更具體地描述了圖1中的系統(tǒng)所包括的探測單元；以及
-圖3是描述與脈沖放射和脈沖到達待分析物品相關(guān)的典型信號收
集的時序圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在參考附圖，圖l描述了根據(jù)本發(fā)明的識別系統(tǒng)700，包括
-用于待檢査物品600的傳送系統(tǒng)650;
-高能粒子源500;-探測單元400;以及 -數(shù)據(jù)處理單元800。
源500產(chǎn)生強力流和高強度短脈沖高能粒子，其中高能粒子包含朝 著待檢査物品600定向的中子和伽瑪光子。
所述源包括粒子發(fā)生器100，該粒子發(fā)生器響應(yīng)由控制單元300控 制的脈沖供電單元200而產(chǎn)生高能粒子流。
在操作中，產(chǎn)生高密度短脈沖和強力高能粒子流，并朝著位于檢查 區(qū)的物品600定向，其中束準直儀(beam collimator) 130向著檢查區(qū)定 向。
傳送系統(tǒng)650可以是傳統(tǒng)的，并用于通過適當(dāng)穿過檢查區(qū)遞進來移 動物品600，例如行李。
源500與探測單元400結(jié)合使用，以在與高能粒子穿透源相互作用 時，探測代表包含在被檢查的物品600中的材料的伽瑪光子和中子信號。
如圖2所示，探測單元400包括探測器410陣列，探測器410具有 寬能量響應(yīng)并能夠探測從暴露到源500下的物品600背向散射的伽瑪光 子和中子。每個探測器410對從目標背向散射的給定能量范圍內(nèi)的伽瑪 光子和中子敏感。
探測器一起提供數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)可被單元800處理以對所尋找的特 定化學(xué)或核材料或者化合物給出唯一標記。相應(yīng)地，本發(fā)明所述的探測基于可在單個高能粒子脈沖中(盡管也 可為多脈沖探測)獲得的特征伽瑪標記識別，且與WO-99/53344-A和 DE-103 23093-A1公開的已有技術(shù)系統(tǒng)不同，不需要具體的能量決定的 光譜測定法。
數(shù)據(jù)處理單元800分析由探測器陣列提供的信號，以產(chǎn)生物品600 的伽瑪標記。然后將計算出的標記與參考標記的數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)計學(xué)對 比，以確定每種材料或化合物在所述物品中存在或不存在。
下面給出對該系統(tǒng)各部件更詳細的描述。
粒子源500
粒子發(fā)生器100由脈沖供電單元200驅(qū)動以產(chǎn)生高能粒子短脈沖
140。
這些脈沖140根據(jù)需要在控制單元300發(fā)送的控制觸發(fā)下產(chǎn)生。在所有其他時間，整個系統(tǒng)500處于"關(guān)閉"狀態(tài)。
粒子發(fā)生器100被包含在真空室150中，真空室150包含一對隔開 的電極，即放射電極IIO和目標電極120。
通常，兩個電極110和120之間的距離是幾厘米，壓強在0.1和10Pa之間。
在供電單元200中設(shè)置用于放射電極110的高壓驅(qū)動器220，用于 通過在一對屬于所述電極并形成等離子體放電離子源的電極構(gòu)件(未畫 出)之間提供適當(dāng)?shù)碾妷好}沖225，來為所述電極供電。
具有1013粒子/01113或更高量級的等離子體密度的低壓等離子體在電 極110附近產(chǎn)生，然后在室150中發(fā)展成充電粒子的空間分布。在預(yù)定 的時間延遲dt之后，設(shè)置在供電單元200中的脈沖發(fā)生器210產(chǎn)生的高 壓脈沖215被應(yīng)用在電極110和120之間，以將包含在等離子體內(nèi)的具 有預(yù)定電荷符號的粒子朝著第二電極120加速。
時間延遲dt作為等離子體觸發(fā)脈沖225的電壓水平、加速電壓脈沖 215、兩個電極110和120形成的二級管的幾何形狀和室150中的壓力 的函數(shù)而被選擇。
控制單元300能夠根據(jù)上述時間延遲觸發(fā)驅(qū)動器220并繼而觸發(fā)發(fā) 生器210。
在時間延遲dt之后，同步命令控制高壓脈沖源210以開始在兩個電 極110和120之間應(yīng)用適當(dāng)?shù)拿}沖電壓215，從而從等離子體提取充電 粒子束。
在本發(fā)明的實施例中，高壓脈沖發(fā)生器210本身以已知的方式包括 電壓乘法電路，其后接脈沖壓縮電路(未畫出)。
更具體地，首先利用傳統(tǒng)的電子換流器單元將例如220V， 50Hz的 主電壓源升高到30kV。該電壓響應(yīng)于觸發(fā)器控制被供給4級馬克思 (Marx)電路以產(chǎn)生120kV電壓脈沖。然后該電壓被用于為一脈沖整 形電路充電，以產(chǎn)生120kV的5ns脈沖。該脈沖整形電路的輸出被連接 到脈沖變壓器，提供最終的720kV的5ns電壓脈沖215。
在應(yīng)用脈沖215時，包含在等離子體中的充電粒子被加速以形成高 電流(通常高于lkA)充電束，該充電束以可達到500keV或更高的能 量撞擊作為目標電極的電極120，從而產(chǎn)生由充電粒子引起的核反應(yīng)而產(chǎn)生的高能粒子流。
這里應(yīng)該明白，源500的工作原理能夠克服傳統(tǒng)真空二極管的空間 充電電流限制，其中通過直接將超短高壓脈沖215應(yīng)用到電極上產(chǎn)生高 能充電粒子流，其中電極之間的離子等離子體處于過渡狀態(tài)。例如可產(chǎn)
生短脈沖(〈10ns)、高電流(〉kA)、高能量(〉700keV)的充電粒子束。
利用上文所述的粒子源，高能粒子流140以等方向性方式放射。為 了產(chǎn)生朝著待分析物品600定向的束，設(shè)置適當(dāng)?shù)拿闇蕛x130。
最后，應(yīng)注意，控制單元300也可作為監(jiān)控單元，提供源500的所 有模塊的控制和狀態(tài)信息。為達此目的，單元300被連接到一組安全傳 感器和/或探測器，從而確保安源500的全互鎖和正確操作。 對于高速檢査操作，源500可被重復(fù)激活，例如每秒幾次。 源500可用于產(chǎn)生各種類型的高能粒子束。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例 中，所述粒子是中子和伽瑪光子，所述粒子通過持續(xù)時間約10ns、電流 值量級為kA的高能充電氘粒子束撞擊在鋰合金目標電極120上產(chǎn)生， 從而產(chǎn)生多于108個中子的10ns脈沖140，因此提供高達14MeV的寬 能量分布的1016中子/秒的高等價積分通量率。
前述的源500基本上能夠在很短的時間內(nèi)充分地探測由物品背向散 射的所有伽瑪光子和中子。
通過對比，例如文獻US-5200626-A所述的傳統(tǒng)的密封中子管通常 在微秒脈沖中提供少量中子，該脈沖必須以lkHz或更高的頻率重復(fù)以 獲得108n/s的等價積分通量率，并且需要幾分鐘的操作來提供足夠用于 分析的伽瑪光子數(shù)據(jù)。這導(dǎo)致放射計量至少比本發(fā)明中所出現(xiàn)的高兩個 量級。
在非限制性的實例中，在距離3m處，外露面積10cit^的物品600 將從本發(fā)明中的源500所獲得的單個脈沖中接收當(dāng)量率為1011 n/s的中 子流。
探測單元400
如圖2所示，探測單元400包括伽瑪光子探測部分410，其包括探 測器陣列(本發(fā)明中為3個)411、 412、 413。
每個探測器通過各自的一組彈性光纖電纜421、 422、 423連接到光 電倍增器431、 432、 433。
13每個探測器優(yōu)選地包括傳統(tǒng)的塑料閃爍體(例如已知的NE102A類
型)，對塑料閃爍體選擇適當(dāng)?shù)谋砻娣e從而對伽瑪光子和中子都敏感，
并且每個探測器輸出代表暴露在源500產(chǎn)生的束140下的物品600背向 散射的伽瑪光子和中子的信號。
每個閃爍體的尺寸例如為180 mm x 180 mm x 25 mm。更通常地， 大尺寸的閃爍體能夠充分改善信號/噪聲比。
每個探測器411、 412和413具有在特定能量譜內(nèi)的響應(yīng)，這優(yōu)選 地通過將材料(未畫出)放置在從物品600到各個探測器的中子和伽瑪 光子的傳輸路徑上獲得，這些材料作為每個探測器411、 412和413在 不同能量范圍內(nèi)的能量帶通濾波器。
因此每個探測器的輸出幅度和該范圍內(nèi)的光譜內(nèi)容有關(guān)，并且探測 器411、 412和413分別提供指示所接收到的輻射/粒子的量的信號A、 B禾口C。
應(yīng)明白，通過利用適當(dāng)長度的彈性光纖電纜將閃爍體連接到光電倍 增器，光電倍增器可放置在距輻射源一定距離的位置處，并被屏蔽以防 止高能粒子的影響以及防止電磁輻射在所述光電倍增器中產(chǎn)生噪聲。
優(yōu)選地，光電倍增器431、 432和433在電流探測模式中工作，以 能夠?qū)υ诟鱾€閃爍體上撞擊的光子/粒子的進展進行實時測量。
就這一點而言，通過收集到達給定的探測器411、 412或413的粒 子和光子而產(chǎn)生的電流信號被記錄為時間的函數(shù)，而不是測量各個伽瑪 光子或中子的能量。
因此，避免了在很短的時間間隔內(nèi)當(dāng)粒子撞擊閃爍體時，發(fā)生的傳 統(tǒng)的脈沖堆積而導(dǎo)致的計數(shù)錯誤的問題。
光電倍增器431、 432和433輸出的信號被提供給全局參考的模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)換器440，從而提供作為不同能量帶內(nèi)的時間的函數(shù)的，代表接 收自被輻照的物品600的光子/粒子的相應(yīng)數(shù)字數(shù)據(jù)流。
例如，可以使用4通道Tektronix TDS3034瞬態(tài)數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其最 大采樣率為2.5GS/S，最大數(shù)據(jù)存儲器深度(memory depth)為10k采 樣點。
優(yōu)選地，在每個粒子脈沖140被應(yīng)用到物品之后，以最大采樣率2ns 記錄例如2(^s的數(shù)字化的數(shù)據(jù)，從而保持在數(shù)字轉(zhuǎn)換器的存儲器深度之內(nèi)。
探測單元400提供的信號將物品600的材料中的任意中子相互作用 模式的結(jié)果結(jié)合在一起，包括彈性的、非彈性的和獲取的反應(yīng)，這些反 應(yīng)響應(yīng)于單個超短高能中子脈沖140發(fā)生并導(dǎo)致伽瑪光子或中子的放 射。
更具體地，在觸發(fā)單個短中子脈沖之后的不同時段內(nèi)，探測單元400 探測從快速熱中子產(chǎn)生的瞬態(tài)延時伽瑪光子，以及從樣本背向散射或放 射的中子。
圖3給出了與中子脈沖的產(chǎn)生相關(guān)的信號探測的典型時序的實例。 在這個實例中，在4兀的立體角內(nèi)放射具有10ns持續(xù)時間的大約108 個中子的單個脈沖P1。也放射具有細微時間偏移和略長的持續(xù)時間的伽
瑪光子第二脈沖P2。該伽瑪脈沖P2由中子脈沖Pl與中子產(chǎn)生目標的 附近圍繞物以及目標本身內(nèi)的相互作用產(chǎn)生。
區(qū)塊Al和A2分別對應(yīng)于到達距源1米處的目標的脈沖P1的中子， 和到達所述目標的脈沖P2的伽瑪光子。
如圖3底部所示的被探測的信號如下
-首先，被收集的信號Sl取決于直接到達探測器的伽瑪脈沖P2的 片段；
-信號S2緊隨信號Sl之后，其中信號S2產(chǎn)生自從物品600背向 散射的一定量的伽瑪脈沖P2;
-幾十納秒之后，接收到的信號S3由高能伽瑪光子構(gòu)成，所述高 能伽瑪光子在高能中子直接穿過物品600并與物品材料的核子發(fā)生非彈 性撞擊時產(chǎn)生；非常短的中子脈沖P和相對慢的傳輸速度(10MeV中 子在1納秒傳輸約4.4cm)能夠得到好的空間分辨率；此外，中子流的 高強度可實現(xiàn)很好的探測器信噪比；
-信號S3的后部分是伽瑪光子，所述伽瑪光子由大量延遲的中子 與物品600的相互作用產(chǎn)生，其中所述延遲中子來自在源處的非準直的 中子散射；
-這些信號之后是信號S4(時間度量為微秒量級)，信號S4對應(yīng)于 從物 品背 向散射的中子；
-最后被探測的信號來自獲取的伽瑪光子(十微秒或更長時間之
15后，未畫出)，所述伽瑪光子產(chǎn)生自在源瞄準儀中被"熱化"的中子以 及樣本及其圍繞物。這些熱化中子被物品材料的核子獲取，這反過來產(chǎn) 生伽瑪光子。
很多這些相互作用適用于多種元素/化合物。因此，通過在中子脈沖 140開始之后，在很長時間內(nèi)(通常幾十微秒)記錄所探測的信號，可 獲得非常有意義的信號，特別是當(dāng)考慮到時間的進展。
優(yōu)選地，為了補償閃爍體和光纖之間的耦合效應(yīng)的變化，在每個探 測器組件(閃爍體+光纖+光電倍增器)中結(jié)合了增益調(diào)節(jié)電路。
此外，有利地，通過不在探測器前加能量濾波器，而在所有探測器 上加同樣的能量濾波器而進行一組測量，來對探測器組件進行交叉校 準。
所有探測單元通過相同的方法校準，每個單元的增益被調(diào)整，從而 所有單元之間的信號輸出的變化在給定范圍內(nèi)(例如，最多2因素)。
所述校準可利用連接到多個光纖的參考脈沖光源來進行，其中每個 光纖連接到各自的光電倍增器。通過這種方法，每個光電倍增器被相同 的校準光源通過同樣的光纖連接照亮。
也可利用一個或幾個定義好的材料樣本，例如三聚氰胺和聚乙烯等 有機材料，來進行自動校準處理。所述處理能夠補償探測器靈敏度的可 能的偏移。
數(shù)據(jù)處理單元800
數(shù)據(jù)處理單元800具有針對接收自探測單元400的多個信號A、 B 和C的適當(dāng)?shù)男盘柼幚砟芰Α?br> 優(yōu)選地，為了產(chǎn)生與每個被分析的物品600關(guān)聯(lián)的標記，所述處理 包括對所述信號應(yīng)用一組預(yù)定算法，包括信號在時間上的進展。
一旦物品被分析完，其標記被提供給數(shù)據(jù)庫，用于與一組與不同的 已知材料或化合物或物質(zhì)相對應(yīng)的參考標記相對比，從而可快速識別并 可能定量任何所述材料或化合物或物質(zhì)的存在。
優(yōu)選地，單元800被編程，從而在很短的響應(yīng)之間內(nèi)(通常根據(jù)技 術(shù)處理能力，處理時間為不到1秒到幾秒)針對不同類型的材料或化合 物或物質(zhì)為操作者提供簡單的是/否的答案。
雖然已參考其示例性實施例對本發(fā)明進行了描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員
16應(yīng)明白可對本發(fā)明進行很多變化和修正。
如前文所述，盡管本發(fā)明的通常應(yīng)用是機場行李的安全檢査和例如 地雷和殺傷性地雷的隱藏目標的探測，本發(fā)明也可有很多其他的應(yīng)用。
權(quán)利要求
1、一種探測系統(tǒng)，包括-粒子源(500)，用于產(chǎn)生包含中子和伽瑪光子的高能粒子脈沖流(140)并將所述流朝著待分析物品(600)定向，其中所述粒子與所述物品中材料的核子反應(yīng)，-探測單元(400)，包括至少三個響應(yīng)于在各自的能量范圍內(nèi)的中子和伽瑪光子的探測組件(411、421、431；412、422、432；413、423、433)，所述中子和伽瑪光子來自所述物品，并響應(yīng)于所述高能粒子流撞擊到所述物品上，其中探測器組件被設(shè)置為在電流探測模式下工作以發(fā)送代表隨時間撞擊的伽瑪光子和中子的電流信號，以及-數(shù)據(jù)處理單元(800)，其連接到所述探測器的輸出端，能夠在應(yīng)用所述脈沖流到所述物品上之后從所述信號產(chǎn)生標記，包括時間相關(guān)的信號特征，并用于將所述標記與存儲的參考標記相對比。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中每個探測器組件包括各自的 能量帶通濾波器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1-2中任一項所述的系統(tǒng)，其中每個探測器組件 包括通過一組彈性光纖電纜(421、 422、 423)連接到光電倍增器(431、 432、 433)的閃爍體(411、 412、 413)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述中子和伽瑪 光子源包括-第一和第二電極(110， 120)， -在第一電極的等離子體離子源，-等離子體離子源驅(qū)動器(220)，用于使包含氖核的離子等離子體 朝著第二電極進展，-裝置(210)，用于在所述離子等離子體處于氖核的空間分布位于 距所述第二電極一定距離的過渡狀態(tài)時，在所述電極之間提供短高壓脈 沖，從而將所述氘核朝著所述第二電極加速，并克服傳統(tǒng)真空二極管的空間充電電流的限制，-所述第二電極(120)形成含鋰目標，從而通過気/鋰相互作用在 所述第二電極產(chǎn)生所述中子，其中中子與所述目標相互作用以產(chǎn)生伽瑪 光子。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述中子具有至少3MeV的能量。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述中子具有至 少5MeV的能量。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述中子具有至 少8MeV的能量。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的系統(tǒng)，其中探測器組件所發(fā) 送的信號與來自所述源的中子和伽瑪光子的一個單個脈沖相對應(yīng)。
9、 一種用于探測物品中包含的材料、物質(zhì)或化合物的特性的方法， 包括以下步驟-向待分析物品應(yīng)用包含中子和伽瑪光子的高能粒子脈沖流，所述 粒子與所述物品中的材料的核子起反應(yīng)，-響應(yīng)在至少兩個不同能量范圍內(nèi)并且在電流探測模式下的所述 應(yīng)用，探測來自所述物品的中子和伽瑪光子，從而發(fā)送代表隨時間撞擊 的伽瑪光子和中子的電流信號，-發(fā)送代表如此探測的中子和伽瑪光子的時間分辨的電流信號，-從所述信號的時間相關(guān)的特征來產(chǎn)生標記，以及-將所述標記與存儲的參考標記相對比。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述中子具有至少3MeV能
11、根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述中子具有至少5MeV能
12、根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述中子具有至少8MeV能
全文摘要
一種探測系統(tǒng)，包括-粒子源(500)，用于產(chǎn)生包含中子和伽瑪光子的高能粒子脈沖流，并將所述流(140)朝著待分析物品(600)定向，所述粒子與所述物品中的材料的核子反應(yīng)；-探測單元(400)，包括至少三個響應(yīng)于在各自的能量范圍內(nèi)的中子和伽瑪光子的探測組件，所述中子和伽瑪光子來自所述物品，并響應(yīng)于所述高能粒子流撞擊到物品上，并且所述探測器組件能夠發(fā)送相應(yīng)的時間信號；以及-數(shù)據(jù)處理單元(800)，被連接到所述探測器的輸出端，能夠在應(yīng)用所述脈沖流到所述物品上之后從所述信號產(chǎn)生標記，包括時間相關(guān)的信號特征，并用于將所述標記與存儲的參考標記相對比。本發(fā)明還提供了一種相應(yīng)的探測方法。本發(fā)明特別應(yīng)用于機場行李安全檢查、地雷探測等。
文檔編號G01N23/222GK101512330SQ200780032741
公開日2009年8月19日 申請日期2007年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月28日
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