DE112008001662T5

DE112008001662T5 - Verfahren und System zur Detektion von Schmuggelgut unter Verwendung von Photoneutronen und Röntgenstrahlen

Info

Publication number: DE112008001662T5
Application number: DE112008001662T
Authority: DE
Inventors: Kejun Kang; Haifeng Hu; Yigang Yang; Zhiqiang Chen; Qitian Miao; Jianping Cheng; Yuanjing Li; Yinong Liu; Hua Peng; Tiezhu Li; Ziran Zhao; Yaohong Liu; Wanlong Wu
Original assignee: Tsinghua University; Nuctech Co Ltd
Current assignee: Tsinghua University; Nuctech Co Ltd
Priority date: 2007-06-21
Filing date: 2008-06-19
Publication date: 2010-05-20
Also published as: RU2406171C1; CN101329284A; CN201247209Y; US8913707B2; WO2009000157A1; AU2008267660A1; CN101329283B; CN101340771B; US20100243874A1; CN101330795B; RU2408942C1; WO2009000155A1; US8396189B2; US20100266103A1; DE112008001701T5; US8374310B2; CN101330795A; AU2008267661B2; CN101329284B; CN201247208Y

Abstract

Verfahren zur Detektion von Schmuggelgut unter Verwendung von Photoneutronen und Röntgenstrahlen zum Detektieren eines Objekts, wobei das Verfahren aufweist:
gleichzeitiges Erzeugen eines ersten Röntgenstrahls und von Photoneutronen,
Durchführen einer bildgebenden Röntgendetektion des Objekts unter Verwendung des ersten Röntgenstrahls und
gleichzeitig mit dieser bildgebenden Röntgendetektion Durchführen einer Neutronendetektion des Objekts unter Verwendung der Photoneutronen gemäß der charakteristischen γ-Strahlen, die emittiert werden, wenn die Photoneutronen mit dem detektierten Objekt reagieren.

Description

Technischer Bereich
Diese Erfindung betrifft den technischen Bereich der Detektion von Schmuggelgut, insbesondere ein Verfahren und ein System zur Detektion von Schmuggelgut unter Verwendung von Photoneutronen und Röntgenstrahlen.
Stand der Technik
Derzeit stellt Terrorismus international und im Inland eine große Bedrohung für die soziale Stabilität dar. Regierungen vieler Länder bemühen sich um Terrorbekämpfung. Eine Technologie zur Detektion von Schmuggelgut, wie Sprengstoffen, ist der Kern des Antiterrorismus.
Eine bekannte Detektionstechnologie für Schmuggelgut ist eine bildgebende Röntgendetektionstechnologie. Die bildgebende Röntgendetektionstechnologie ist eine verbreitet angewendete Sicherheitsinspektionstechnologie. Viele Anlagen, die auf der bildgebenden Röntgendetektionstechnologie basieren, sind an Flughäfen und Eisenbahnstationen zu finden. Da Röntgenstrahlen hauptsächlich mit den Orbitalelektronen außerhalb des Atomkerns reagieren, sind sie nicht geeignet, die Eigenschaften des Atomkerns zu erkennen. Deshalb kann unter Verwendung von Röntgenstrahlen nur die Dichte (Massendicke) des detektierten Objekts gemessen werden, und es ist nicht möglich, die Art der Elemente des detektierten Objekts zu bestimmen. In der Praxis ist es schwierig, ein Schmuggelgut durch die bildgebende Röntgendetektionstechnologie aufzudecken, wenn das Schmuggelgut mit alltäglichen Artikeln vermischt ist und seine Dichte sich von der der alltäglichen Artikel kaum unterscheiden lässt. Obwohl einige neue bildgebende Röntgendetektionstechnologien, zum Beispiel Dualenergie-Röntgentechnik und CT-Technik, eine gewisse Verbesserung in der Erkennungs- oder Unterscheidungsfähigkeit zeigen, können sie den inhärenten Nachteil, dass die Arten von Elementen nicht erkannt werden können, noch nicht überwinden.
Eine andere bekannte Detektionstechnologie für unerlaubte Gegenstände ist eine Neutronendetektionstechnologie. Bei der Neutronendetektionstechnologie können Neutronen mit dem Atomkern einer Substanz reagieren und charakteristische γ-Strahlen (Gammastrahlen) emittieren. Es ist möglich, die Arten von Elementen der zu analysierenden Substanz ausgehend vom Energiespektrum der γ-Strahlen zu bestimmen. Der Nachteil der Neutronendetektionstechnologie liegt darin, dass ihre Bildauflösung gering ist, die derzeit höchstens eine räumliche Auflösung von 5 cm × 5 cm × 5 cm erreicht, was viel weniger ist als die Auflösung der Röntgenverfahren im Millimeterbereich. Außerdem ist eine separate Neutronenquelle meist teuer und weist eine begrenzte Lebensdauer auf, und die Neutronenausbeute ist nicht hoch genug.
Deshalb ist es wünschenswert, ein Verfahren und/oder ein System zur Verfügung zu haben, das in der Lage ist, die zuvor genannte bildgebende Röntgendetektionstechnologie mit der Neutronendetektionstechnologie zu kombinieren, um die Vorteile einer hohen Auflösung der bildgebenden Röntgendetektionstechnologie und die Fähigkeit zur Elementerkennung der Neutronendetektionstechnologie zu erzielen. Im US-Patent Nr. 5078952 ist ein System zur Sprengstoffdetektion offenbart, das eine Mehrzahl von Nachweismitteln kombiniert, darunter ein Röntgenbildgebungsmittel und ein Neutronendetektionsmittel, um eine hö here Detektionswahrscheinlichkeit und weniger falschpositive Ergebnisse zu erzielen. Außerdem offenbart das US-Patent ferner ein Assoziieren der durch das Röntgenbildgebungsmittel erhaltenen Daten und der durch das Neutronendetektionsmittel erhaltenen Daten, um mit einem Röntgenbild hoher Auflösung den Nachteil auszugleichen, dass die Neutronendetektionstechnologie keine hohe Auflösung aufweist. Es werden jedoch im US-Patent eine Röntgenquelle und eine Neutronenquelle eingesetzt, die voneinander unabhängig sind, und deshalb sind die Kosten hierbei höher.
Es ist bemerkenswert, dass eine Neutronenerzeugungsweise darin besteht, ein Targetmaterial mit Röntgenstrahlen zu beschießen, um Neutronen aus dem Targetmaterial zu erzeugen. Die auf diese Weise erzeugen Neutronen können als Photoneutronen bezeichnet werden. Diese Photoneutronenerzeugungsweise stellt eine Möglichkeit dar, um sowohl Röntgenstrahlen wie Neutronen aus einer einzigen Quelle zu erzeugen, was im Vergleich zu einer Erzeugung von Röntgenstrahlen und Neutronen unter Verwendung von jeweils zwei Quellen die Kosten verringert.
Die Offenlegungsschrift der internationalen Anmeldung WO 98/55851 offenbart ein System zum Detektieren und Erkennen von Schmuggelgut durch Photoneutronenbildgebungs- und Röntgenbildgebungsverfahren. Das System arbeitet in zwei Stufen. Insbesondere erzeugt das System zunächst einen Röntgenstrahl unter Verwendung einer Linearbeschleunigerröntgenquelle und detektiert ein Objekt durch ein bildgebendes Röntgenverfahren. Wenn keine Abnormität gefunden wird, kann das detektierte Objekt passieren, und wenn ein verdächtiger Bereich gefunden worden ist, wird vorübergehend ein Photoneutronenumwandlungstarget (Beryllium) in den Röntgenstrahl eingebracht, um Photoneutronen zu erzeugen, und der verdächtige Bereich wird auf Basis der charakteristischen γ-Strahlen, die aus der Strahlungseinfangreaktion zwischen den Photoneutronen und dem Atomkern der Substanz emittiert werden, weiter untersucht. Das System führt den ersten Detektionsschritt nur unter Verwendung von Röntgenstrahlen durch. Aufgrund der oben angeführten begrenzten Erkennungsfähigkeit der bildgebenden Röntgendetektionstechnologie, ist ihre Detektionswahrscheinlichkeit (PD, Probability of Detection) geringer. Außerdem erzeugt das System nicht gleichzeitig Röntgenstrahlen und Photoneutronen zur Detektion, sondern erzeugt Röntgenstrahlen und Photoneutronen zur Detektion in jeweils zwei Schritten. Das heißt, es werden in einem Schritt nur Röntgenstrahlen und keine Photoneutronen erzeugt, während in einem weiteren Schritt Photoneutronen unter Verwendung der Röntgenstrahlen erzeugt werden. Die in diesem weiteren Schritt erzeugten Röntgenstrahlen werden nur zur Erzeugung von Photoneutronen verwendet und nicht zu Detektionszwecken. Ferner werden die erzeugten Photoneutronen nur zur Detektion des verdächtigen Bereichs des detektierten Objekts verwendet, und nicht zur allgemeinen Detektion des detektierten Objekts.
Die chinesische Patentanmeldung Nr. 200510086764.8 dieses Anmelders offenbart ein Verfahren zum Erkennen von Materialien unter Verwendung schneller Neutronen und Röntgenstrahlen. Die Anmeldung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Erzeugen von Röntgenstrahlen und Photoneutronen, wobei von einem Beschleuniger erzeugte Röntgenstrahlen in zwei Strahlenbündel geteilt werden, von denen eines zum Erzeugen von Photoneutronen verwendet wird. Bei der Anwendung wird jedoch, was die Neutronen betrifft, eine Detektion mittels der Intensität von Photoneutronen durchgeführt, die das zu detektierende Objekt passieren, und nicht mittels der charakteristischen γ-Strahlen, die von der Reaktion zwischen den Neutronen und dem detektierten Objekt emittiert werden. Außerdem ist es bei einer solchen Detektionsweise bei der Anwendung üblicherweise notwendig, den Röntgenstrahl vom Neutronenstrahl um eine Distanz seitlich zu beabstanden, so dass der Röntgenstrahl und der Neutronenstrahl sich bei ihren Detektionen nicht gegenseitig stören.
Die oben genannten Anmeldungen und Patente werden hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit zum Bestandteil dieser Beschreibung gemacht.
Zusammenfassung der Erfindung
Gegenstand dieser Erfindung ist, ein Verfahren und ein System zur Detektion von Schmuggelgut unter Verwendung von Photoneutronen und Röntgenstrahlen zur Verfügung zu stellen. Das Verfahren und das System überwinden die oben genannten Nachteile im Stand der Technik und kombinieren die hochauflösende Abbildungsfähigkeit der bildgebenden Röntgendetektion mit der Fähigkeit zur Substanzerkennung der Neutronendetektion, um Schmuggelgut effektiver zu detektieren.
Gemäß einem Aspekt dieser Erfindung wird ein Verfahren zur Detektion von Schmuggelgut unter Verwendung von Photoneutronen und Röntgenstrahlen zum Detektieren eines Objekts zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst:
Erzeugen eines ersten Röntgenstrahls und von Photoneutronen gleichzeitig,
Durchführen einer bildgebenden Röntgendetektion des detektierten Objekts unter Verwendung des ersten Röntgenstrahls und
gleichzeitig mit dieser bildgebenden Röntgendetektion Durchführen einer Neutronendetektion des detektierten Objekts unter Verwendung der Photoneutronen auf Basis von charakteristischen γ-Strahlen, die emittiert werden, wenn die Photoneutronen mit dem detektierten Objekt reagieren.
Gemäß einem anderen Aspekt dieser Erfindung wird ein System zur Detektion von Schmuggelgut unter Verwendung von Photoneutronen und Röntgenstrahlen zum Detektieren eines Objekts zur Verfügung gestellt. Das System umfasst:
einen Röntgengenerator zum Erzeugen eines Röntgenhauptstrahls, der einen ersten Röntgenstrahl und einen zweiten Röntgenstrahl umfasst, der daraus abgeteilt ist, wobei der erste Röntgenstrahl in und durch das detektierte Objekt gerichtet ist,
ein Photoneutronenumwandlungstarget, das dazu ausgebildet ist, den zweiten Röntgenstrahl zu empfangen und Photoneutronen zu erzeugen, wobei die Photoneutronen in das detektierte Objekt gerichtet sind und mit dem detektierten Objekt reagieren, um charakteristische γ-Strahlen zu emittieren,
Röntgendetektionsmittel, die dazu ausgebildet sind, den ersten Röntgenstrahl zu empfangen, der das detektierte Objekt passiert hat, um eine bildgebende Röntgendetektion des detektierten Objekts durchzuführen, und
γ-Strahldetektionsmittel, die dazu ausgebildet sind, die charakteristischen γ-Strahlen zu empfangen, um eine Neutronendetektion des detektierten Objekts auf Basis der charakteristischen γ-Strahlen durchzuführen,
wobei das System die bildgebende Röntgendetektion und die Neutronendetektion des detektierten Objekts gleichzeitig durchführt.
Im Vergleich zu anderen bekannten technischen Lösungen, weist das System dieser Erfindung die folgenden Vorteile auf:

(1) Diese Erfindung hat einen Vorteil darin, dass sie im Vergleich zu einer alleinigen bildgebenden Röntgendetektion in der Lage ist, Arten von unerlaubten Gegenständen zu unterscheiden, und einen Vorteil darin, dass sie im Vergleich zu einem alleinigen Neutronendetektionsverfahren auf Basis von charakteristischen γ-Strahlen in der Lage ist, eine deutliche Abbildung zu geben und die Position des Objekts genau zu detektieren.
(2) Obwohl die technische Lösung der Veröffentlichung der internationalen Anmeldung WO 98/55851 auch Photoneutronendetektion und bildgebende Röntgendetektion verwendet, setzt sie eine zweistufige Vorgehensweise ein. Diese Erfindung kann jedoch eine Photoneutronendetektion und bildgebende Röntgendetektion gleichzeitig durchführen und die Detektionsgenauigkeit ist höher als die bei der Veröffentlichung der internationalen Anmeldung WO 98/55851 .
(3) In einer Ausführungsform dieser Erfindung ist der Körper des Photoneutronenumwandlungstargets in seiner Gestalt im Wesentlichen an die Intensitätsverteilung des Röntgenhauptstrahls angepasst, der vom Röntgengenerator erzeugt ist, so dass Röntgenstrahlen mit höherer Intensität sich im Körper des Photoneutronenumwandlungstargets über eine größere Distanz ausbreiten können. Auf diese Weise ist die Ausbeute an Photoneutronen sehr hoch; daher ist die Analysegeschwindigkeit bei der Neutronendetektion sehr schnell und es ist möglich, eine Erfassung der Elementverteilungsinformationen zu erreichen, während das Röntgenverfahren durchgeführt wird.
(4) In einer Ausführungsform dieser Erfindung sind eine Röntgenaufnahme und eine Neutronenaufnahme in ein Bild vereint, so dass die Punkte in der Neutronenaufnahme und der Röntgenaufnahme, die den gleichen Positionen des detektierten Objekts entsprechen, vollständig übereinstimmen. Auf diese Weise kann die Bedienungsperson Elementverteilungsinformationen und Dichteinformationen des detektierten Objekts durch Betrachten nur eines Bildes erfassen.
(5) In einer Ausführungsform dieser Erfindung ist ein leistungsfähigerer γ-Strahldetektor vorgesehen, der Röntgenstrahlen, Neutronen und Hintergrund-γ-Strahlen abschirmt, so dass das Detektionssystem in der Lage ist, ein Detektionsergebnis mit hoher Genauigkeit zu erfassen.

Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Darstellung der Struktur eines Systems zur Detektion von Schmuggelgut unter Verwendung von Photoneutronen und Röntgenstrahlen gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung,
2 zeigt eine vergrößerte schematische Draufsicht eines Photoneutronenumwandlungstargets von 1, das einen vom Photoneutronenumwandlungstarget definierten Durchtritt zeigt,
3 zeigt eine Ansicht des Photoneutronenumwandlungstargets von 2 und
4 zeigt einen leistungsfähigen γ-Strahldetektor.
Beschreibung spezieller Ausführungsformen
Nachfolgend werden typische spezielle Ausführungsformen dieser Erfindung ausführlich mit Bezug zu den Zeichnungen beschrieben. Die folgenden Ausführungsformen dienen zur Beschreibung dieser Erfindung, schränken den Rahmen dieser Erfindung aber nicht ein.
Mit Bezug zu einer in 1 gezeigten Ausführungsform ist ein zu detektierendes Objekt (zum Beispiel ein geschlossener Behälter (Container) 8) auf einer Plattform 19 angeordnet. Es ist anzumerken, dass der Container 8 in 1 in einer Schnittansicht gezeigt ist, so dass verschiedene darin eingeladene Güter 10 zu sehen sind. Diese Güter können verschiedene Materialien beinhalten, zum Beispiel ein Metall 11, einen Holzblock 12 und einen Sprengstoff 13. Die Plattform 19 wird von einem Beförderungsmittel 20 in einen Detektionsbereich in einem erfindungsgemäßen Detektionssystem gezogen. Der Container 8 ist allgemein aus Wellblech und Aluminium gebildet. Gleichermaßen kann eine Detektion auch an anderen Containern wie Flugtransportcontainern durchgeführt werden.
Wenn ein Positionssensor (nicht gezeigt) detektiert, dass der Container 8 schon auf eine vorgegebene Position gewandert ist, kann der Positionssensor den Röntgengenerator im erfindungsgemäßen System aktivieren, so dass er zu arbeiten beginnt. In einer Ausführungsform umfasst der Röntgengenerator einen Elektronenbeschleuniger (nicht gezeigt) und ein Elektronentarget 2. Der nicht gezeigte Elektronenbeschleuniger erzeugt einen Elektronenstrahl 1, der auf das Elektronentarget 2 geschossen wird. Das Elektronentarget 2 ist in der Regel aus einer Substanz mit einer höheren Atomzahl gebildet, zum Beispiel Wolfram und Gold. Nachdem sie von den Wolfram- oder Goldatomen abgeblockt sind, emittieren die Elektronen aufgrund von Bremsstrahlung einen Röntgenhauptstrahl 3. Wie nachfolgend ausgeführt wird, werden ein erster Röntgenstrahl und ein zweiter Röntgenstrahl aus dem Röntgenhauptstrahl 3 abgeteilt, wobei der erste Röntgenstrahl für eine bildgebende Röntgendetektion verwendet wird und der zweite Röntgenstrahl für eine Neutronendetektion verwendet wird. Die bildgebende Röntgendetektion bedeutet hierbei, dass die Röntgenstrahlen durch das detektierte Objekt transmittiert werden und die Dichteinformationen des detektierten Objekts durch Detektieren einer Dämpfung der Röntgensstrahlen detektiert werden; die Neutronendetektion bedeutet, dass die Neutronen mit den Atomen des detektierten Objekts reagieren, so dass charakteristische γ-Strahlen emittiert werden, und die Informationen zur Elementeart des detektierten Objekts durch Detektieren der charakteristischen γ-Strahlen detektiert werden. Es ist anzumerken, dass beim System und Verfahren dieser Erfindung das Objekt unter gleichzeitiger Verwendung einer bildgebenden Röntgendetektion und Neutronendetektion detektiert wird.
In 1 ist ein Photoneutronenumwandlungstarget 4 in Teilschnittansicht gezeigt. Der Röntgenstrahl 3 beschießt das Photoneutronenumwandlungstarget 4 so, dass Photoneutronen 6 gebildet werden und eine Photoneutronenuntersuchung des Containers 8 wird unter Verwendung der Photoneutronen 6 durchgeführt. Insbesondere wird in der Ausführungsform das Photoneutronenumwandlungstarget 4 auch verwendet, um einen ersten Röntgenstrahl und einen zweiten Röntgenstrahl aus dem Röntgenhauptstrahl 3 abzuteilen.
Das Photoneutronenumwandlungstarget 4 in 1 ist in vergrößerter Form in den 2 und 3 gezeigt. Wie in 2 gezeigt ist, umfasst das Photoneutronenumwandlungstarget 4 einen Körper 401. In einer Ausführungsform ist der Körper 401 ein langgestreckter Körper, der sich in eine Ausbreitungsrichtung des Röntgenhauptstrahls 3 erstreckt und ein erstes Ende 402 und ein zweites Ende 403 aufweist. Der Körper 401 weist darin einen Durchtritt 404 auf, der sich vom ersten Ende 402 zum zweiten Ende 403 durch diesen hindurch erstreckt. In den Ausführungsformen der 2 und 3 ist der Durchtritt 404 durch einen Spalt gebildet, der sich vollständig in einer Ebene P erstreckt (senkrecht zu den Zeichenebenen der 2 und 3), so dass der Körper 401 in zwei getrennte Teile geteilt ist. Bevorzugt erstreckt sich der Durchtritt 404 durch das Symmetriezentrum des Körpers 401 und teilt ihn in zwei symmetrische Teile. Der Durchtritt 404 ist zwischen diesen beiden getrennten Teilen definiert. Wenn der Röntgenhauptstrahl 3 zum Körper 401 des Photoneutronenumwandlungstargets 4 hereinkommt, verläuft ein Teil 405 des Röntgenhauptstrahls 3 direkt durch das Photoneutronenumwandlungstarget 4 durch den Durchtritt 404 ohne jegliche Reaktion mit dem Photoneutronenumwandlungstarget 4. Dieser Teil des Röntgenstrahls ist als der erste Röntgenstrahl 405 definiert. Ein weiterer Teil 406 des Röntgenhauptstrahls tritt in den Körper 401 ein und breitet sich in eine Richtung vom ersten Ende 402 zum zweiten Ende 403 aus und reagiert während der Ausbreitung mit dem Atomkern des Photoneutronenumwandlungstargets 4 so, dass Photoneutronen emittiert werden. Dieser Teil des Röntgenstrahls 406 ist als zweiter Röntgenstrahl 406 definiert. Es ist zu erkennen, dass der Durchtritt 404 tatsächlich als Strahlteiler zum Abteilen eines ersten Röntgenstrahls und eines zweiten Röntgenstrahls aus dem Röntgenhauptstrahl 3 dient. In anderen nicht gezeigten Ausführungsformen kann der Durchtritt 404 auch andere Formen annehmen. Zum Beispiel kann der Durchtritt als Durchgangsöffnung (nicht gezeigt) ausgebildet sein, die sich durch den Körper 401 erstreckt, ohne den Körper 401 in zwei Teile zu teilen, oder kann als weitere Durchtrittsform ausgebildet sein, die vom Körper 401 definiert ist, so lange gewährleistet ist, dass der Röntgenfächerstrahl, der zur Röntgenaufnahme verwendet wird, durch den Körper 401 durchtreten kann.
Um den Röntgenhauptstrahl 3, der vom Elektronentarget 2 austritt, vollständig zu nutzen und die Ausbeute an Photoneutronen vom Photoneutronenumwandlungstarget 4 zu erhöhen, kann das Photoneutronenumwandlungstarget 4 so ausgebildet sein, dass es im Wesentlichen der Intensitätsverteilung des Röntgenhauptstrahls 3 angepasst ist, nämlich Röntgenstrahlen ermöglicht, die eine höhere Intensität zur Ausbreitung über eine größere Distanz im Körper 401 des Photoneutronenumwandlungstargets 4 aufweisen. Mit Bezug zu den 1 und 2 weist der Röntgenhauptstrahl 3, der vom Elektronentarget 2 austritt, üblicherweise eine axialsymmetrische Intensitätsverteilung um eine Symmetrieachse der Intensitätsverteilung auf, die sich in Richtung des Elektronenstrahls 1 erstreckt. Außerdem ist die Intensität der Röntgenstrahlen üblicherweise umso größer, je näher sie zur Symmetrieachse der Intensitätsverteilung liegen. Dementsprechend weist das Photoneutronenumwandlungstarget 4 unter der Bedingung, dass der Durchtritt 404 im Photoneutronenumwandlungstarget 4 ignoriert wird, insgesamt eine axialsymmetrische Form auf und definiert eine Targetsymmetrieachse 409. Außerdem ist die axialsymmetrische Gestalt des Photoneutronenumwandlungstargets im Wesentlichen an die axialsymmetrische Verteilung des Röntgenhauptstrahls 3 angepasst. Bei der Anwendung fällt die Targetsymmetrieachse 409 mit der Symmetrieachse der Intensitätsverteilung des Röntgenhauptstrahls 3 zusammen. Bevorzugt ist mindestens ein Abschnitt des Photoneutronenumwandlungstargets 4 mit Vorzug zum zweiten Ende 403 verjüngt, so dass das Photoneutronenumwandlungstarget 4 im Bereich, wo es näher an der Targetsymmetrieachse liegt, eine größere Ausdehnung in Längsrichtung aufweist. In der in 2 gezeigten Ausführungsform umfasst das Photoneutronenumwandlungstarget 4 einen verjüngten Abschnitt 408 angrenzend an das zweite Ende 403 und einen zylindrischen Abschnitt 407 angrenzend an das erste Ende 402, wobei der zylindrische Abschnitt 407 integral mit dem verjüngten Abschnitt 408 ausgebildet sein kann. Der verjüngte Abschnitt 408 kann am zweiten Ende 403 enden. Der in 2 gezeigte verjüngte Abschnitt 408 ist ein Kegelstumpf. Der zylindrische Abschnitt 407 und der verjüngte Abschnitt 408 besitzen eine gemeinsame Längsmittelachse, die mit der Targetsymmetrieachse zusammenfällt. In anderen Ausführungsformen kann der verjüngte Abschnitt 408 ein nicht abgestumpfter Kegel sein oder kann auf andere Weise verjüngt sein (zum Beispiel in einer Wölbung verjüngt). In anderen Ausführungsformen kann das Photoneutronenumwandlungstarget 4 auch vom ersten Ende 402 zum zweiten Ende 403 verjüngt sein.
Obwohl die 1 bis 3 zeigen, dass der Durchtritt 404, der durch das Photoneutronenumwandlungstarget 4 definiert ist, als Strahlteiler dient, versteht es sich für einen Fachmann, dass andere Formen von Strahlteilern ebenso zum Aufteilen (Splitten) eines ersten Röntgenstrahls und eines zweiten Röntgenstrahls aus dem Röntgenhauptstrahl 3 eingesetzt werden können. Zum Beispiel einen Doppeldurchtritts-Abteilkollimator, der in der chinesischen Patentanmeldung Nr. 200510086764.8 dieses Anmelders offenbart ist. Der Doppeldurchtritts-Abteilkollimator kann den Röntgenhauptstrahl 3 in zwei Strahlen aufteilen, die voneinander beabstandet sind, wobei das Photoneutronenumwandlungstarget auf dem Ausbreitungsweg eines der beiden Strahlen angeordnet ist, so dass Photoneutronen erzeugt werden.
Es ist anzumerken, dass das Merkmal, dass das Photoneutronenumwandlungstarget 4 einen verjüngten Abschnitt aufweist, nicht auf eine Anwendung unter den Bedingungen bei oben angegebenen den Ausführungsformen dieser Erfindung beschränkt ist. Das Merkmal wird auch unter beliebigen anderen Bedingungen angewendet, unter denen ein Röntgenstrahl verwendet wird, um das Photoneutronenumwandlungstarget so zu beschießen, dass Photoneutronen erzeugt werden. Zum Beispiel kann es unter Bedingungen der Veröffentlichung der internationalen Anmeldung WO 98/55851 und der chinesischen Patentanmeldung Nr. 200510086764.8 angewendet werden, so dass die Ausbeute an Photoneutronen erhöht ist. Unter diesen anderen Anwendungsbedingungen kann das Photoneutronenumwandlungstarget den oben genannten Durchtritt, der als Strahlteiler dient, aufweisen oder dieser kann fehlen.
Nochmals mit Bezug zu 1 ist es üblicherweise notwendig, die Energie des gewünschten Röntgenstrahls und das Material des Photoneutronentargets zu berücksichtigen, wenn die Energie des Elektronenstrahls 1 gewählt wird. Gemäß verschiedener Arten von Objekten, die zu detektieren sind, unterschiedlicher Detektionsgeschwindigkeiten und unterschiedlicher Umgebungssicherheiten, können Röntgenstrahlen unterschiedlicher Energie zum Eindringen ausgewählt sein. Aus Gründen der Sicherheit und zur Kostenersparnis wird die Energie üblicherweise so gering wie möglich gewählt. Der nicht gezeigte Elektronenbeschleuniger kann Energie in einem Bereich zwischen 1 MeV und 15 MeV erzeugen. Wünschenswertes Material für das Photoneutronentarget 4 sollte eine geringere Photoneutronenreaktionsschwelle und einen höheren Photoneutronenreaktionsquerschnitt aufweisen, die jedoch beide schwer gleichzeitig zu erfüllen sind. Bezüglich eines Röntgenstrahls von zwischen 1 MeV und 15 MeV, da seine Energie nicht hoch genug ist, ist die Ausbeute an Photoneutronen geringer bei einem Targetmaterial mit einem größeren Querschnitt und einem höheren Schwellenwert. Jedoch ist Beryllium (⁹Be) oder schweres Wasser (D₂O) ein vorteilhafteres Material. Die Photoneutronenreaktionsschwelle von ⁹Be beträgt nur 1,67 MeV und die Reaktionsschwelle von D in D₂O beträgt 2,223 MeV. Der Röntgenhauptstrahl 3, der in das Photoneutronenumwandlungstarget 4 eintritt, bewirkt eine Photoneutronenreaktion mit dem darin enthaltenen ⁹Be oder ²H, so dass Photoneutronen 6 emittiert werden. Da das Energiespektrum des Röntgenhauptstrahls 3 kontinuierlich verteilt ist, ist das Energiespektrum der Photoneutronen 6 ebenfalls kontinuierlich verteilt. Außerdem kann, wenn der verwendete Elektronenbeschleuniger einen Elektronenstrahl 1 erzeugen kann, der eine höhere Energie besitzt, das Photoneutronenumwandlungstarget 4 auch aus einem Material gebildet sein, das einen höheren Schwellenwert, aber einen größeren Querschnitt aufweist, zum Beispiel verschiedene Isotope von Wolfram (W) und verschiedene Isotope von Uran (U).
In einer Ausführungsform kann der nicht gezeigte Elektronenbeschleuniger einen Elektronenstrahl 1 bei einer spezifischen Frequenz erzeugen. Auf diese Weise ist der Elektronenstrahl 1 Elektronenstrahlpulse 1 mit einer spezifischen Frequenz. Nachdem die Elektronenstrahlpulse 1 das Elektronentarget 2 beschießen, werden Röntgenpulse 3 mit der gleichen Frequenz gebildet. Die spezifische Frequenz kann basierend auf der Vorschubgeschwindigkeit des zu detektierenden Containers 8 bestimmt werden, zum Beispiel im Bereich zwischen 10 Hz und 1000 Hz. In einer Ausführungsform kann die spezifische Frequenz 250 Hz betragen. Die Elektronenstrahlpulse 1 können eine Pulsbreite zwischen 1 und 10 μs aufweisen.
Es ist anzumerken, dass nur eine sehr kurze Zeit benötigt wird (üblicherweise weniger als 1 μs) um Photoneutronen 6 zu erzeugen, wenn der Röntgenhauptstrahl 3 das Photoneutronenumwandlungstarget 4 beschießt. Es wurde deshalb beobachtet, dass die zur Neutronendetektion verwendeten Photoneutronen 6 und der erste Röntgenstrahl 405 im Röntgenhauptstrahl 3, der zur bildgebenden Röntgendetektion verwendet wird, fast ”gleichzeitig” erzeugt werden. Dies ermöglicht es, eine bildgebende Röntgendetektion und eine Neutronendetektion simultan durchzuführen. Dies ist offensichtlich ein Unterschied zur Veröffentlichung der internationalen Anmeldung WO 98/55851 .
Die Photoneutronen 6 sind isotrop, wenn sie im Photoneutronenumwandlungstarget 4 erzeugt werden. Deshalb kann nur ein Teil der Photoneutronen zum zu detektierenden Container 8 geschossen werden. Da ⁹Be und ²H im Photoneutronenumwandlungstarget 4 einen höheren Streuquerschnitt für Neutronen aufweisen, emittieren die Photoneutronen 6, die aus dem Photoneutronenumwandlungstarget 4 austreten, allgemein nach hinten (nämlich entgegen der Eintrittsrichtung des Röntgenhauptstrahls 3, der auf das Photoneutronenumwandlungstarget 4 fällt). Um die Effizienz zu erhöhen, mit der die Photoneutronen 6 den zu detektierenden Container 8 erreichen, kann ein Neutronenreflektor (nicht gezeigt) hinter dem Photoneutronenumwandlungstarget 4 (angrenzend an das erste Ende 402 des Photoneutronenumwandlungstargets 4) vorgesehen sein. Der Neutronenreflektor wird dazu verwendet, die Photoneutronen 6 zu reflektieren, die sich vom Container 8 weg bewegen, so dass sie veranlasst werden, sich zum Container 8 zu bewegen.
Mit Bezug zu den 1 und 2 ist ein Röntgenkollimator 5 im Ausbreitungsweg des ersten Röntgenstrahls 405 angeordnet, bevor er das detektierte Objekt 8 erreicht, so dass der erste Röntgenstrahl in einen planaren Fächerstrahl kollimiert wird. Der Röntgenkollimator 5 ist bevorzugt angrenzend an das zweite Ende 403 des Körpers 402 des Photoneutronenumwandlungstargets 4 vorgesehen und mit dem Durchtritt 404 ausgerichtet. Auf diese Weise wird der erste Röntgenstrahl 405 mittels des Röntgenkollimators 5 kollimiert, nachdem er über den Durchtritt 404 das Photoneutronenumwandlungstarget durchlaufen hat, wodurch ein planarer Fächerstrahl 7 gebildet wird. Röntgenstrahlen außerhalb des Fächerstrahls 7 werden durch den Röntgenkollimator 5 abgeschirmt. Auf diese Weise werden Einflüsse von Röntgenstrahlen auf eine Neutronendetektion (speziell den nachfolgend beschriebenen γ-Strahldetektor) verringert.
Eine bildgebende Röntgendetektion des Containers 8 unter Verwendung des ersten Röntgenstrahls 405 und einer Neutronendetektion des Containers 8 unter Verwendung der aus dem zweiten Strahlenbündel 406 erzeugten Photoneutronen werden nachfolgend beschrieben. Es ist zu erwähnen, dass die bildgebende Röntgendetektion bzw. die Neutronendetektion an sich den Fachleuten bekannt sind. In dieser Erfindung können die bildgebende Röntgendetektion und die Neutronendetektion jedoch gleichzeitig durchgeführt werden, da der erste Röntgenstrahl 405 und die Photoneutronen 6 gleichzeitig (oder fast gleichzeitig) erzeugt werden können.
Zunächst wird eine bildgebende Röntgendetektion beschrieben. Mit Bezug zu 1 wird der Röntgenfächerstrahl 7 (nämlich der kollimierte erste Röntgenstrahl 405) zum zu detektierenden Container 8 emittiert. Die im Container 8 geladenen Güter dämpfen den Fächerstrahl 7. Röntgendetektionsmittel messen die gedämpften Röntgenstrahlen. Die Röntgendetektionsmittel können ein Röntgendetektorarray 15 sein, das eine Mehrzahl von Röntgendetektoren umfasst. Der Dämpfungsfaktor der Röntgenstrahlen reflektiert die Absorptionsfähigkeit des Materials für Röntgenstrahlen entlang einer Linie vom Elektronentarget 2 zum zugehörigen Röntgendetektor im Röntgendetektorarray 15. Sein Betrag steht mit der Dichte und Zusammensetzung der in den Container 8 eingeladenen Substanz in Zusammenhang. Es ist möglich, unter Verwendung des Röntgendetektorarrays 15 eine zweidimensionale Abbildung des Containers 8 vorzunehmen. Die Detektoren im Röntgendetektorarray 15 können Gasionisierungskammern, Cadmiumwolframatkristalle und CsI-Kristalle sein und können auch andere Arten von Detektoren sein. Wie oben angeführt, beschießt der Elektronenstrahl 1 das Elektronentarget 2 mit einer spezifischen Frequenz, um Röntgenpulse mit der gleichen Frequenz zu erzeugen. Für jeden Röntgenpuls erhält das Detektorarray 15 ein eindimensionales Bild um einen bestimmten Querschnitt des Containers. Wenn die Beförderungsmittel 20 den Container 8 vorwärts ziehen, erzeugt eine Mehrzahl von eindimensionalen Bildern, die aus einer Mehrzahl von Messungen erhalten sind, ein zweidimensionales Transmissionsbild.
Nun wird die Neutronendetektion beschrieben, die gleichzeitig zur bildgebenden Röntgendetektion durchgeführt wird. Nachdem Neutronen 6 vom Photoneutronenumwandlungstarget 4 gebildet sind, wird der zu detektierende Container 8 in ein Photoneutronenfeld getaucht. Nachdem sie in den zu detektierenden Container 8 eingeschossen worden sind, verlieren die Photoneutronen 6 aufgrund von Streuung (inelastische und elastische Streuung) Energie. Es ist nicht notwendig, die Photoneutronen 6 zu kollimieren, bevor sie in den Container 8 eintreten, weil sie bei der Streuung in einen ziemlich weiten Bereich dispergieren. Bei ihrer Erzeugung sind die Photoneutronen 6 schnelle Neutronen und werden dann innerhalb weniger Mikrosekunden (μs) langsame Neutronen. Danach tritt die Energie der Photoneutronen 6 in den Energiebereich der thermischen Neutronen ein. Das Zeitintervall, das die Photoneutronen 6 von schnellen Neutronen zu thermischen Neutronen benötigen, beträgt in der Regel ungefähr 1 ms. Die thermischen Neutronen verschwinden schließlich auf zwei Wegen: sie werden von Substanz absorbiert oder entkommen. Die Dauer, über die die thermischen Neutronen im Raum existieren, beträgt zwischen 1 ms bis 30 ms. Die Neutronen können auch eine Einfangreaktion im Energiebereich der schnellen Neutronen und langsamen Neutronen durchführen, aber der Querschnitt ist dabei sehr gering. Wenn die Energie der Neutronen abnimmt, erhöht sich der Querschnitt schnell, da ihr Einfangquerschnitt in einer umgekehrten Relation zur Ausbreitungsgeschwindigkeit der Neutronen steht. Da der Elektronenbeschleuniger mit kontinuierlichen Pulsen arbeitet, überlagern sich die thermischen Neutronenfelder unterschiedlicher Pulse gegenseitig. Wenn zum Beispiel der Elektronenbeschleuniger bei einer Frequenz von 250 Hz und einer Pulsbreite von 5 μs arbeitet, ist das letztlich im Raum erzeugte Neutronenfeld ein schneller Neutronenpuls mit einer Frequenz von 250 Hz und einer Pulsbreite von 5 μs überlagert auf einem annähernd konstanten thermischen Neutronenfeld.
Nach der Strahleneinfangreaktion der thermischen Neutronen mit einer Substanz, werden charakteristische γ-Strahlen emittiert. Zum Beispiel kann ¹H mit Neutronen reagieren, so dass charakteristische γ-Strahlen von 2,223 MeV emittiert werde,; ¹⁴N kann mit Neutronen reagieren, so dass charakteristische γ-Strahlen von 10,828 MeV emittiert werden und ¹⁷Cl kann mit Neutronen reagieren, so dass charakteristische γ-Strahlen von 6,12 MeV emittiert werden. Die Arten von Elementen im detektierten Objekt können durch Messung dieser charakteristischen γ-Strahlen bestimmt werden. Unterschiedliche Materialien im Container 8 können unter Bestrahlung mit Neutronen unterschiedliche charakteristische γ-Strahlen emittieren. Die Arten der genannten Materialien können gemäß ihrer unterschiedlichen Energiespektren analytisch bestimmt werden. Wenn zum Beispiel eine große Menge an Signalen des Elements N und des Elements H im Container gefunden werden, sind möglicherweise Sprengstoffe und ”Düngemittelbomben” vorhanden, und wenn eine große Menge an γ-Strahlen von Cl gefunden werden, ist es möglich Drogen wie Heroin und Kokain zu finden (die üblicherweise in Form von Chloriden geschmuggelt werden). Außerdem kann auch Nuklearmaterial (wie Uran und Plutonium) durch Messen von Fissionsneutronen detektiert werden, die durch Photoneutronen induziert werden.
Die Messung des Energiespektrums von γ-Strahlen wird durch γ-Strahldetektionsmittel erreicht. Die γ-Strahldetektionsmittel können ein oder mehrere γ-Strahldetektorarrays 14 sein. Jedes γ-Strahldetektorarray 14 umfasst eine Mehrzahl von γ-Strahldetektoren, die so ausgebildet sind, dass sie die charakteristischen γ-Strahlen empfangen. Außerdem können, wenn eine Mehrzahl von γ-Strahldetektorarrays 14 vorhanden ist, diese zu beiden Seiten des Vorschubweges des Containers 8 angeordnet sein, wie es in 1 gezeigt ist. Außerdem können die γ-Strahldetektorarrays 14 in einem Abstand vom Röntgendetektorarray 15 angeordnet sein, d. h. in einer Distanz, die vom Röntgenfächerstrahl 7 (dem ersten Röntgenstrahl) abgesetzt ist, um den Einfluss des ersten Röntgenstrahls auf den γ-Strahldetektor zu minimieren. Bezüglich jedes γ-Strahldetektorarrays werden zweidimensionale Verteilungsinformationen eines fraglichen Elements durch Analyse des γ-Energiespektrumsignals erhalten.
Es können viele Arten von γ-Strahldetektoren ausgewählt werden, zum Beispiel NaI (T1), BGO, HPGe und LaBr₃.
In dieser Erfindung werden zwei Arten von Detektoren eingesetzt, nämlich ein Röntgendetektor und ein γ-Strahldetektor. Diese beiden Arten von Detektoren funktionieren in einer Umgebung, in der Röntgenstrahlen, Neutronen und γ-Strahlen gemeinsam vorkommen. Jeweils zwei Arten von Strahlen können in Interferenz zueinander kommen. Speziell Röntgenstrahlen sind im Vergleich zu Neutronen und γ-Strahlen sehr intensiv und sie zeigen möglicherweise Interferenz mit dem Energiespektrum, das von den γ-Strahldetektoren detektiert wird. Deshalb ist es sehr wichtig, dass der γ-Strahldetektor von den Röntgenstrahlen und Neutronenstrahlen abgeschirmt ist.
4 zeigt einen leistungsfähigeren γ-Strahldetektor, wobei ein NaI-Kristall 22 und ein Photomultiplizierer 23 einen Hauptteil des Detektors bilden. Der NaI-Kristall 22 weist eine Vorderseite 30 zum Empfangen von γ-Strahlen, eine Rückseite 31, gegenüberliegend zur Vorderseite 30 und eine Umfangsfläche 32 auf. Wenn in den NaI-Kristall 22 γ-Strahlen eingeschossen werden, erfolgt ein photoelektrischer Effekt, eine Compton-Streuung oder ein Elektronenpaareffekt. Die γ-Photonen geben Energie an Sekundärelektronen ab. Die Sekundärelektronen werden gestoppt und induzieren eine Ionisation im Kristall. Das durch die Ionisation gebildete Elektronenloch erzeugt Fluoreszenz. Fluoreszenzphotonen stimulieren Photoelektronen auf der Photokathode des Photomultiplizierers 23. Die Photoelektronen werden anschließend durch den Photomultiplizierer multipliziert und bilden mittels einer Vorverstärkerschaltung ein Spannungssignal. Um den NaI-Kristall 22 vor Röntgenstrahlen und Neutronen abzuschirmen, umfasst der in 4 gezeigte γ-Strahldetektor ein Neutronenabschirmmaterial 28, das mindestens die Umfangsfläche 32 des NaI-Kristalls 22 umgibt und die Vorderseite 30 des NaI-Kristalls 22 freilegt. Bevorzugt umgibt das Neutronenabschirmmaterial 28 ferner die Rückseite 31 des NaI-Kristalls 22. Das Neutronenabschirmmaterial 28 ist in der Regel aus einer wasserstoff(H)-reichen Substanz gebildet. Zum Beispiel ist Olefin, Polyethylen oder Wasser ein geeignetes Material. Unter Berücksichtigung von Struktur und Feuerfestigkeit wird in der Regel Polyethylen gewählt. H-Atome im Neutronenabschirmmaterial 28 mit größerem Streuquerschnitt für Neutronen können Neutronen reflektieren und die Energie der Neutronen schnell verringern und absorbieren. Nach einem Strahleneinfang zwischen dem Neutronenabschirmmaterial 28 und den Neutronen werden jedoch charakteristische γ-Strahlen von 2,223 MeV emittiert. Die charakteristischen H γ-Strahlen zeigen Interferenz mit den vom Detektor zu messenden γ-Signalen. Deshalb beinhaltet der γ-Strahldetektor im Neutronenabschirmmaterial 28 ferner einen Röntgen-/γ-Strahlabschirmkörper 26, der mindestens die Umfangsfläche des Detektorkristalls umgibt und die Vorderseite 30 des NaI-Kristalls 22 freilegt. Bevorzugt umgibt der Röntgen-/γ-Strahlabschirmkörper 26 ferner die Rückseite 31 des NaI-Kristalls. Der Röntgen-/γ-Strahlabschirmkörper 26 kann nicht nur die γ-Strahlen absorbieren, die emittiert werden, wenn das Neutronenabschirmmaterial 28 mit den Neutronen reagiert, sondern auch einen Großteil der Röntgenstrahlen vom Elektronentarget 2 und seine Streustrahlen absorbieren, so dass der γ-Strahldetektor sich in einer normalen Betriebsumgebung befinden kann. Das Material des Röntgen-/γ-Strahlabschirmkörpers 26 ist ein Schwermetall mit einer Atomzahl von größer oder gleich 74, zum Beispiel Blei Pb oder Wolfram W. Vor dem γ-Strahldetektorkristall 22 ist ferner ein Neutronenabsorber 27 vorgesehen, der der Vorderseite 30 des NaI-Kristalls 22 zugewandt ist. Im Unterschied zu den Anforderungen an das Neutronenabschirmmaterial 28, ist es beim Neutronenabsorber 27 erforderlich, dass er Neutronen absorbiert, ohne γ-Strahlen von 2,223 MeV des H zu emittieren. Der Neutronenabsorber 27 kann aus Olefin oder Polyethylen und einem Material aus Bor ¹⁰B mit einer hohen und starken Absorptionsfähigkeit für thermische Neutronen (zum Beispiel borhaltiges Polyethylen) gebildet sein, so dass H keine Gelegenheit bekommt, γ-Photonen zu emittieren. Um es dem γ-Strahldetektor zu ermöglichen, dass er nur den Bereich des detektierten Objekts misst, der vor dem γ-Strahldetektor liegt, und kein Interesse an Signalen aus anderen Richtungen zeigt (zum Beispiel Röntgenstreuung und γ-Hintergrund von N in der Luft), umfasst der γ-Strahldetektor ferner einen Kollimator 29, der vor dem NaI-Kristall 22 angeordnet ist, und den Neutronenabsorber 27 zum Abschirmen von Röntgenstreuhintergrund im umgebenden Raum und γ-Hintergrund, der von den Neutronen in der umgebenden Substanz erzeugt ist. Der Kollimator 29 beinhaltet eine mit der Vorderseite 30 des NaI-Kristalls ausgerichtete durchgehende Öffnung. Die durchgehende Öffnung definiert eine Ausbreitungsrichtung, die es Röntgen-/γ-Strahlen, die die Vorderseite erreichen, im Wesentlichen nur erlauben, in die Ausbreitungsrichtung und über die durchgehende Öffnung in den NaI-Kristall einzutreten, so dass die zu detektierenden γ-Strahlen kollimiert werden. Der Durchmesser der durchgehenden Öffnung kann gleich dem des NaI-Kristalls 22 sein, und ihre Länge, in der Regel in einem Bereich zwischen 5 und 30 cm, kann gemäß dem gewünschten Kollimationseffekt bestimmt sein. Der Kollimator 29 ist üblicherweise aus einem Schwermetall (zum Beispiel Blei Pb oder Wolfram W), das eine Atomzahl von größer oder gleich 74 aufweist, oder Stahl gebildet.
Zusätzlich kann auch eine Zeitgattersteuerschaltung für den γ-Strahldetektor vorgesehen sein, obwohl dies in den Zeichnungen nicht dargestellt ist, um die Messdauer des γ-Strahldetektors so zu steuern, dass die Messdauer des γ-Strahldetektors die Strahlausgangszeit des Röntgenhauptstrahls, der vom Röntgengenerator erzeugt ist, umgeht. Auf diese Weise ist es möglich, die Interferenz der Röntgenstrahlen mit dem γ-Strahldetektor weiter einzuschränken.
Auf Basis der Signale vom Röntgendetektorarray 15 und γ-Strahldetektorarray 14 ist es möglich, eine Röntgenaufnahme und eine Neutronenaufnahme des detektierten Containers 8 durchzuführen, so dass ein Röntgenbild und ein Neutronenbild erhalten werden. Nochmals mit Bezug zu 1 empfängt und verarbeitet eine Röntgenbildsignalverarbeitungsschaltung 17 im System dieser Erfindung Signale vom Röntgendetektorarray 15, so dass eine Röntgenabbildung erhalten wird. Eine γ-Strahlsignalverarbeitungsschaltung 18 empfängt Spannungssignale vom γ-Strahldetektorarray 14, um das γ-Energiespektrum zu analysieren und eine zweidimensionale Neutronenabbildung zu erhalten, die zweidimensionale Elementverteilungsinformationen des detektierten Objekts enthält. Die zweidimensionale Neutronenabbildung wird mit der zweidimensionalen Röntgenabbildung vereint, so dass eine Erkennung und ein Auffinden von Schmuggelgut im Container erreicht wird.
Wenn ein Objekt detektiert wird, sind das Röntgendetektorarray und das γ-Strahldetektorarray an unterschiedlichen Positionen angeordnet. Als Folge davon können die Röntgenabbildung und die Neutronenabbildung nicht gleichzeitig erhalten werden, wenn das detektierte Objekt verschoben wird. Außerdem sind die durch die jeweiligen γ-Strahldetektorarrays erhaltenen Neutronenabbildungen unterschiedlich, weil die jeweiligen γ-Strahldetektorarrays jeweils an unterschiedlichen Positionen angeordnet sind. Um die Röntgenabbildung und die Neutronenabbildung zu vereinen, damit eine bessere Inspektion von Schmuggelgut erzielt wird, werden die folgenden Verfahren eingesetzt:
Da bei unterschiedlichen γ-Strahldetektorarrays die Distanzverhältnisse zwischen ihnen festgelegt sind, sind auch die Positionsbeziehungen zwischen ihren Neutronenabbildungen festgelegt. Einstellen der Positionen der früher oder später erhaltenen Neutronenabbildungen kann den γ-Strahldetektorarrays in unterschiedlichen Positionen ermöglichen, gemeinsam eine Neutronenabbildung zu erzeugen, die eine Elementverteilung reflektiert.
Bezüglich der Röntgenabbildung und der Neutronenabbildung ist die räumliche Positionsbeziehung ebenfalls festgelegt, wodurch es möglich ist, die Neutronenabbildung und/oder Röntgenabbildung zu übertragen und sie in eine Abbildung zu vereinen, so dass die Punkte der Neutronenabbildung und der Röntgenabbildung, die den gleichen Positionen des detektierten Objekts entsprechen, vollständig übereinstimmen. Auf diese Weise enthält, was das vereinte Bild betrifft, jeder Punkt darin Elementverteilungsinformationen und Dichteinformationen des detektierten Objekts. Im System dieser Erfindung können Bildvereinigungsmittel (nicht gezeigt) eingesetzt sein, um die oben genannte Einstellung der Positionen der Röntgenabbildung und der Neutronenabbildung so vorzunehmen, dass die Röntgenabbildung und die Neutronenabbildung in ein Bild vereint werden. Auf diese Weise braucht die Bedienungsperson nur ein Bild zu betrachten, um Elementverteilungsinformationen und Dichteinformationen des detektierten Objekts zu erhalten, und eine relativ genaue Lokalisierung des verdächtigen Schmuggelguts im detektierten Objekt durchzuführen.
Obwohl typische Ausführungsformen dieser Erfindung beschrieben wurden, versteht es sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist. Die Fachleute in diesem Bereich können Variationen und Modifikationen dieser Erfindung vornehmen. Diese fallen jedoch alle unter den Geist und den Rahmen der Ansprüche dieser Erfindung.
Zusammenfassung
Die Erfindung offenbart ein Verfahren und ein System zur Detektion von Schmuggelgut unter Verwendung von Photoneutronen und Röntgenstrahlen. Das System umfasst: einen Röntgengenerator zum Erzeugen eines Röntgenhauptstrahls, der einen ersten Röntgenstrahl und einen zweiten Röntgenstrahl umfasst, wobei der erste Röntgenstrahl so gerichtet ist, dass er das detektierte Objekt passiert, ein Photoneutronenumwandlungstarget, das dazu ausgebildet ist, den zweiten Röntgenstrahl zu empfangen und Photoneutronen zu erzeugen, wobei die Photoneutronen in das detektierte Objekt gerichtet sind und mit dem detektierten Objekt reagieren, so dass charakteristische γ-Strahlen emittiert werden, Röntgendetektionsmittel, die dazu ausgebildet sind, den ersten Röntgenstrahl zu empfangen, der das detektierte Objekt passiert hat, um eine bildgebende Röntgendetektion des detektierten Objekts durchzuführen, und γ-Strahldetektionsmittel, die dazu ausgebildet sind, die charakteristischen γ-Strahlen zu empfangen, um eine Neutronendetektion des detektierten Objekts auf Basis der charakteristischen γ-Strahlen durchzuführen, wobei das System die bildgebende Röntgendetektion und die Neutronendetektion des detektierten Objekts gleichzeitig durchführt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 5078952 [0005]
- WO 98/55851 [0007, 0013, 0013, 0025, 0028]
- CN 200510086764 [0008, 0024, 0025]

Claims

Verfahren zur Detektion von Schmuggelgut unter Verwendung von Photoneutronen und Röntgenstrahlen zum Detektieren eines Objekts, wobei das Verfahren aufweist: gleichzeitiges Erzeugen eines ersten Röntgenstrahls und von Photoneutronen, Durchführen einer bildgebenden Röntgendetektion des Objekts unter Verwendung des ersten Röntgenstrahls und gleichzeitig mit dieser bildgebenden Röntgendetektion Durchführen einer Neutronendetektion des Objekts unter Verwendung der Photoneutronen gemäß der charakteristischen γ-Strahlen, die emittiert werden, wenn die Photoneutronen mit dem detektierten Objekt reagieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Photoneutronen in einer Weise erzeugt werden, dass ein zweiter Röntgenstrahl ein Photoneutronenumwandlungstarget beschießt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der erste und zweite Röntgenstrahl aus einem gleichen Röntgenhauptstrahl abgeteilt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der erste Röntgenstrahl aus dem Röntgenhauptstrahl unter Verwendung des Photoneutronenumwandlungstargets abgeteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Photoneutronenumwandlungstarget einen Durchtritt aufweist, durch den der erste Strahl durchtritt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die bildgebende Röntgendetektion eine Röntgenabbildung des detektierten Objekts erzeugt und die Neutronendetektion eine Neutronenabbildung des detektierten Objekts erzeugt und die Röntgenabbildung und die Neutronenabbildung so vereint werden, dass ein Punkt in der Neutronenabbildung und ein Punkt in der Röntgenabbildung, die einer gleichen Position des detektierten Objekts entsprechen, vollständig übereinstimmen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Röntgenabbildung Dichteinformationen des detektierten Objekts reflektiert und die Neutronenabbildung Elementverteilungsinformationen des detektierten Objekts reflektiert.
System zur Detektion von Schmuggelgut unter Verwendung von Photoneutronen und Röntgenstrahlen zum Detektieren eines Objekts, wobei das System aufweist: einen Röntgengenerator zum Erzeugen einen Röntgenhauptstrahls, der einen ersten Röntgenstrahl und einen zweiten Röntgenstrahl umfasst, die daraus abgeteilt sind, wobei der erste Röntgenstrahl in und durch das detektierte Objekt gerichtet ist, ein Photoneutronenumwandlungstarget, das dazu ausgebildet ist, den zweiten Röntgenstrahl zu empfangen und Photoneutronen zu erzeugen, wobei die Photoneutronen in das detektierte Objekt gerichtet sind und mit dem detektierten Objekt reagieren zur Emission von charakteristischen γ-Strahlen, ein Röntgendetektionsmittel, das dazu ausgebildet ist, den ersten Röntgenstrahl zu empfangen, der das detektierte Objekt passiert hat, um eine bildgebende Röntgendetektion des detektierten Objekts durchzuführen, und ein γ-Strahldetektionsmittel, das dazu ausgebildet ist, die charakteristischen γ-Strahlen zu empfangen, um eine Neutronendetektion des de tektierten Objekts auf Basis der charakteristischen γ-Strahlen durchzuführen, wobei das System die bildgebende Röntgendetektion und die Neutronendetektion des detektierten Objekts gleichzeitig durchführt.
System nach Anspruch 8, wobei der vom Röntgengenerator erzeugte Röntgenhauptstrahl Röntgenpulse umfasst, die eine spezifische Frequenz aufweisen.
System nach Anspruch 9, wobei die spezifische Frequenz im Bereich zwischen 50 Hz und 250 Hz liegt und/oder die Röntgenpulse eine Pulsbreite von ungefähr 5 μs aufweisen.
System nach Anspruch 8, wobei der Röntgengenerator aufweist: einen Elektronenbeschleuniger zum Erzeugen eines Elektronenstrahls und ein Elektronentarget, auf das der Elektronenstrahl geschossen wird, um den Röntgenhauptstrahl zu erzeugen.
System nach Anspruch 11, wobei der Elektronenstrahl Elektronenstrahlpulse mit einer spezifischen Frequenz umfasst, und der Elektronenbeschleuniger die Elektronenstrahlpulse mit einer spezifischen Frequenz so erzeugt, dass der Röntgenhauptstrahl Röntgenpulse mit der spezifischen Frequenz umfasst.
System nach Anspruch 11, wobei die Energie des vom Elektronenbeschleuniger erzeugten Elektronenstrahls zwischen 1 MeV und 15 MeV liegt.
System nach Anspruch 13, wobei die Energie des vom Elektronenbeschleuniger erzeugten Elektronenstrahls mindestens 1,67 MeV beträgt.
System nach Anspruch 8, wobei das Photoneutronenumwandlungstarget aus Beryllium oder schwerem Wasser gebildet ist.
System nach Anspruch 8, wobei das Photoneutronenumwandlungstarget einen langgestreckten Körper mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende aufweist, wobei der zweite Röntgenstrahl in das Innere des Körpers eintritt und sich in eine Richtung vom ersten Ende zum zweiten Ende ausbreitet.
System nach Anspruch 16, wobei der Körper des Photoneutronenumwandlungstargets so ausgebildet ist, dass es an die Intensitätsverteilung des Röntgenhauptstrahls, der vom Röntgengenerator erzeugt ist, im Wesentlichen angepasst ist, so dass sich Röntgenstrahlen mit höherer Intensität im Körper des Photoneutronenumwandlungstargets über eine größere Distanz ausbreiten können.
System nach Anspruch 17, wobei die Intensitätsverteilung des Röntgenhauptstrahls eine axialsymmetrische Verteilung ist, die eine Symmetrieachse der Intensitätsverteilung definiert, der Körper des Photoneutronenumwandlungstargets axialsymmetrisch um eine Targetsymmetrieachse ausgebildet ist und im Betrieb die Targetsymmetrieachse mit der Symmetrieachse der Intensitätsverteilung zusammenfällt.
System nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei mindestens ein Abschnitt des Körpers zum zweiten Ende des langgestreckten Körpers verjüngt ist.
System nach Anspruch 19, wobei der verjüngte Teil am zweiten Ende endet.
System nach Anspruch 20, wobei der verjüngte Teil in Form eines Kegels oder eines Kegelstumpfes vorliegt.
System nach Anspruch 19, wobei der Körper ferner einen zylindrischen Abschnitt beinhaltet, wobei der verjüngte Abschnitt an das zweite Ende angrenzt und der zylindrische Abschnitt an das erste Ende angrenzt.
System nach Anspruch 8, ferner umfassend einen Strahlteiler zum Abteilen des ersten Röntgenstrahls und des zweiten Röntgenstrahls aus dem Röntgenhauptstrahl.
System nach Anspruch 23, wobei der Strahlteiler ein Doppeldurchtritts-Abteilkollimator ist.
System nach einem der Ansprüche 16 bis 18, ferner aufweisend einen Strahlteiler zum Abteilen des ersten Röntgenstrahls und des zweiten Röntgenstrahls aus dem Röntgenhauptstrahl, wobei der Strahlteiler durch einen Durchtritt gebildet ist, der sich durch den Körper des Photoneutronenumwandlungstargets erstreckt, wobei sich der Durchtritt vom ersten Ende zum zweiten Ende des Körpers erstreckt, und wobei der Röntgenhauptstrahl auf das Photoneutronenumwandlungstarget gerichtet ist, wobei ein Teil des Röntgenhauptstrahls, der über den Durchtritt das Photoneutronenumwandlungstarget passiert, als erster Röntgenstrahl definiert ist und ein anderer Teil des Röntgenhauptstrahls, der in den Körper des Photoneutronenumwandlungstargets eintritt, als zweiter Röntgenstrahl definiert ist.
System nach Anspruch 25, wobei sich der Durchtritt vollständig in einer Ebene erstreckt, so dass der Durchtritt den Körper in zwei getrennte Teile unterteilt.
System nach Anspruch 25, wobei der Durchtritt sich entlang der Targetsymmetrieachse des Körpers erstreckt.
System nach Anspruch 8, ferner aufweisend einen Röntgenkollimator, der auf einem Ausbreitungsweg des ersten Röntgenstrahls angeordnet ist, bevor er das detektierte Objekt erreicht, so dass der erste Röntgenstrahl in einen planaren Fächerstrahl kollimiert wird.
System nach Anspruch 25, ferner aufweisend einen Röntgenkollimator, der angrenzend an das zweite Ende des Körpers angeordnet und mit dem Durchtritt so ausgerichtet ist, dass der erste Röntgenstrahl, der den Durchtritt passiert, in einen planaren Fächerstrahl kollimiert wird.
System nach Anspruch 8, ferner aufweisend einen Neutronenreflektor zum Reflektieren von Photoneutronen, die sich vom detektierten Objekt weg bewegen, um ihnen eine Bewegung zum detektierten Objekt zu ermöglichen.
System nach Anspruch 8, wobei das Röntgendetektionsmittel ein Röntgendetektorarray ist, das eine Mehrzahl von Röntgendetektoren beinhaltet.
System nach Anspruch 8, wobei das γ-Strahldetektionsmittel ein oder mehrere γ-Strahldetektorarrays umfasst, wobei jedes γ-Strahldetektorarray eine Mehrzahl von γ-Strahldetektoren beinhaltet.
System nach Anspruch 32, wobei das γ-Strahldetektionsmittel eine Mehrzahl von γ-Strahldetektorarrays umfasst, die auf gegenüberliegenden Seiten des detektierten Objekts angeordnet sind.
System nach Anspruch 8, wobei γ-Strahldetektionsmittel versetzt vom ersten Röntgenstrahl angeordnet sind, um den Einfluss des ersten Röntgenstrahls auf die γ-Strahldetektionsmittel zu minimieren.
System nach Anspruch 32, wobei der γ-Strahldetektor umfasst: einen Detektorkristall zum Konvertieren der in den Detektorkristall eingeschossenen γ-Strahlen in Fluoreszenzphotonen, wobei der Detektorkristall eine Vorderseite zum Empfangen der γ-Strahlen, eine Rückseite gegenüberliegend der Vorderseite und eine Umfangsfläche aufweist, einen Photomultiplizierer, der angrenzend an die Rückseite des Detektorkristalls angeordnet ist, zum Empfangen von Fluoreszenzphotonen vom Detektorkristall und zum Konvertieren der Photonen in Photoelektronen zum Multiplizieren der Photoelektronen, eine Röntgen-/γ-Strahlabschirmung, die mindestens die Umfangsfläche des Detektorkristalls umgibt und die Vorderseite des Detektorkristalls freilegt, eine Neutronenabschirmung, die außerhalb der Röntgen-/γ-Strahlabschirmung angeordnet ist und mindestens die Umfangsfläche des Detektorkristalls umgibt und die Vorderseite des Detektorkristalls freilegt, einen Neutronenabsorber, der angrenzend an die Vorderseite des Detektorkristalls angeordnet ist, um zu verhindern, dass Neutronen von der Vorderseite in den Detektorkristall eintreten, ohne charakteristische γ-Strahlen des Wasserstoffs von 2,223 MeV zu erzeugen, und einen Kollimator, der eine durchgehende Öffnung aufweist, die mit der Vorderseite des Detektorkristalls ausgerichtet ist, wobei die durchgehende Öffnung eine Ausbreitungsrichtung definiert, die es den Röntgen-/γ-Strahlen, die die Vorderseite erreichen, im Wesentlichen nur erlauben, in die Ausbreitungsrichtung über die durchgehende Öffnung in den Detektorkristall einzutreten.
System nach Anspruch 35, wobei die Röntgen-/γ-Strahlabschirmung ferner die Rückseite des Detektorkristalls umgibt.
System nach Anspruch 35, wobei die Neutronenabschirmung ferner die Rückseite des Detektorkristalls umgibt.
System nach Anspruch 35, wobei der Detektorkristall aus NaI gebildet ist.
System nach Anspruch 35, wobei die Röntgen-/γ-Strahlabschirmung aus einem Schwermetall mit einer Atomzahl von größer oder gleich 74 gebildet ist.
System nach Anspruch 35, wobei die Neutronenabschirmung aus einem wasserstoffreichen Material gebildet ist.
System nach Anspruch 40, wobei die Neutronenabschirmung aus Olefin, Polyethylen oder Wasser gebildet ist.
System nach Anspruch 35, wobei der Neutronenabsorber aus einem wasserstoffreichen Material und Bor gebildet ist.
System nach Anspruch 42, wobei der Neutronenabsorber aus borhaltigem Polyethylen gebildet ist.
System nach Anspruch 35, wobei der Kollimator aus einem Metall mit einer Atomzahl größer oder gleich 74 oder aus Stahl gebildet ist.
System nach Anspruch 35, wobei der γ-Strahldetektor ferner eine Zeitgattersteuerschaltung zum Steuern der Messdauer des γ-Strahldetektors umfasst, so dass die Messdauer des γ-Strahldetektors die Strahlausgangszeit des Röntgenhauptstrahls, der vom Röntgengenerator erzeugt ist, umgeht.
System nach Anspruch 8, ferner umfassend einen Signalprozessor zum Empfangen und Verarbeiten von Detektionssignalen von den Röntgendetektormitteln und γ-Strahldetektormitteln und Erzeugen einer Röntgenabbildung bzw. einer Neutronenabbildung.
System nach Anspruch 46, ferner umfassend ein Bildvereinigungsmittel zum Vereinen der Röntgenabbildung und der Neutronenabbildung in ein Bild, so dass Punkte in der Neutronenabbildung und der Röntgenabbildung, die den gleichen Positionen des detektierten Objekts entsprechen, vollständig übereinstimmen.