CN101287984B - 用于确定材料的平均原子序数和质量的方法和系统 - Google Patents

用于确定材料的平均原子序数和质量的方法和系统 Download PDF

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Abstract

这里公开了一种针对潜在威胁扫描目标的方法和系统，其利用自目标散射的光子的能量谱确定目标中平均原子序数和/或质量的空间分布。示范的方法包含：利用光子束照亮目标的多个体元的每一个；确定入射到每个体元上的入射通量；测量自体元散射的光子的能量谱；利用能量谱确定体元中的平均原子序数；以及利用入射通量、体元中材料的平均原子序数、能量谱、以及与体元对应的散射核确定体元中的质量。示范的系统可基于若干体元的平均原子序数和/或质量利用威胁检测试探法来确定是否触发进一步的动作。

Description

用于确定材料的平均原子序数和质量的方法和系统
相关申请的交叉引用
本申请要求由Robert J.Ledoux和William Bertozzi于2004年7月8日提出的、标题为“Determination of the Average Atomic Numberand Mass of Material Using High Energy Photon Scattering”的美国临时专利申请No.60/586,351的利益，该申请通过引用而被结合在此。
技术领域
本发明涉及非侵入式扫描领域，具体涉及确定目标或者目标的一部分或多个部分的平均原子序数和质量的系统和方法，以及获得对出现在目标或者目标的一部分或多个部分中的某些元素的质量的限制的系统和方法。
背景技术
用于检查目标的非侵入式检查技术的期望特征是快速确定目标材料的原子序数(Z)和密度的能力，以及原子序数和密度的空间分布。尤其是，优选地在低辐射剂量的情况下，平均原子序数和/或质量的三维分布的快速确定是确定目标容器的内容的强大而有用的手段。这个信息可用来确定目标容器(比如，一件行李、集装箱、贮藏容器、或者用于陆、海或空运的其他容器)包含某种材料的概率，例如高-Z和/或高密度材料。知道目标容器包含这种材料可用来识别威胁。例如，容器内铅的存在可能表示藏有“脏弹”或其他放射性材料。高Z材料的存在(如铀)可能发信号告知容器内核武器的存在。此外，质量分布、平均原子序数或两者的测量可形成系列检查技术的一部分。例如，经确定与特定Z和密度类别相匹配的目标区域可用作将进一步探查这些区域的其他检查技术的输入。这样的系统可提供下列优点：以方便的时间尺度提供威胁确定。
用于货物的非侵入式检查的技术包括透射辐射(如在x射线成像中)的检测以此获得目标货物容器中密度分布的二维表示。利用散射辐射(如康普顿散射辐射)的二维成像同样已经被证实。因为二维成像的限制，常常期望获得三维的密度分布。利用核共振荧光技术的非侵入式扫描同时获得目标的二维和三维图像已经在比如“Explosives Detection Using Resonance Fluorescence ofBremsstrahlung Radiation”的美国专利No.5,115,459和“Detection ofExplosives and Other Materials Using Resonance Fluorescence，Resonance Absorption，and Other Electromagnetic Processes withBremsstrahlung Radiation”的美国专利No.5,420,905中进行了描述，上述两个申请的内容通过引用而被结合在此。
发明内容
在这里，提供了用于通过对由光子束的散射产生的散射光子能量谱的测量获得货物、集装箱、行李和其他目标的非侵入式检查的方法和系统。这里所提供的方法和系统利用了对511KeV湮灭峰值有贡献的过程或更高次过程，某些过程发生于更高的能量下，其表现为比康普顿或卢瑟福散射这样的过程更强的Z依赖性。所公开的方法和系统还受益于在超过大多数材料的K边缘的能量下发生的更大的辐射穿透，从而允许将另外对来自目标深处的信号有影响的光子目标更少的损失。这使得更大和/或更密集的目标的检查比利用在更低光子能量下操作的系统可能更切实可行。另外，这里所提供的方法可用来更快速地获得二维和三维的平均原子序数和/或密度以及对高Z材料存在的质量限制、数据以及利用比NRF成像更低的辐射剂量。
在一个方面，用于分析目标的体元中的材料的方法包含：利用光子束照亮体元；测量在第一能量范围内和第一测量方向上自体元散射的第一光子数；测量在第二能量范围内和第二测量方向上自体元散射的第二光子数；确定第一光子数与第二光子数的比率；并且利用该比率确定体元中的材料的平均原子序数。在另外的实施例中，第一能量范围包括511KeV。在另外的实施例中，第二能量范围将511KeV排除在外。在其他实施例中，第一方向与第二方向相同。
在另一个方面，用于分析目标的体元中的材料的方法包含：利用光子束照亮体元；测量在测量方向上自体元散射的光子的能量谱；确定对第一能量范围内的能量谱有贡献的第一光子数；确定对第二能量范围内的能量谱有贡献的第二光子数；计算第一光子数与第二光子数的比率；以及利用该比率确定体元中材料的平均原子序数。在另外的实施例中，第一能量范围包括511KeV。在另外的实施例中，第二能量范围将511KeV排除在外。
在又一个方面，用于分析目标的体元中材料的系统包含：用于生成光子束的装置；被配置成可检测在第一测量方向上自体元散射的光子的第一能量谱的第一检测器；以及处理器；其中处理器被配置成可确定具有第一能量范围内的能量的第一散射光子数与具有第二能量范围内的能量的第二散射光子数的比率；并且其中处理器还被配置成可确定体元中的平均原子序数。在其他实施例中，用于分析目标的体元中材料的系统还包含第二检测器，所述第二检测器被配置成可检测在第二测量方向上自体元散射的光子的第二能量谱。在另外的实施例中，第一角度与第二角度相同。在另外的实施例中，第一能量范围包括511KeV。在另外的实施例中，第二能量范围将511KeV排除在外。
在另一个方面，用于分析目标的体元中材料的方法包含：利用光子束照亮体元；确定体元上的入射通量；测量自体元散射的光子的至少一个能量谱；利用测得的能量谱确定体元中的平均原子序数；以及利用入射通量、体元中材料的平均原子序数、测得的能量谱、以及与体元相对应的散射核的预定值确定体元中的质量。在另外的实施例中，确定体元中的平均原子序数包含确定对第一能量范围内至少其中一个能量谱有贡献的第一光子数；确定对第二能量范围内至少其中一个能量谱有贡献的第二光子数；计算第一光子数与第二光子数的比率；以及利用该比率确定体元中材料的平均原子序数。在另外的实施例中，第一能量范围包括511KeV。在另外的实施例中，第二能量范围将511KeV排除在外。
在又一个方面，分析目标的多个体元中材料的方法包含：(a)利用光子束照亮若干体元；(b)针对若干体元的每一个，测量自体元散射的光子的至少一个能量谱；(c)针对若干体元的每一个，利用测得的能量谱确定体元中材料的平均原子序数；以及(d)针对每个体元，(i)确定体元上的入射通量；以及(ii)利用入射通量、体元中材料的平均原子序数、测得的能量谱、以及与体元相对应的散射核的预定值确定体元中的质量。在另外的实施例中，确定若干体元的每一个中的平均原子序数包含确定对第一能量范围内至少其中一个能量谱有贡献的第一光子数；确定对第二能量范围内至少其中一个能量谱有贡献的第二光子数；计算第一光子数与第二光子数的比率；以及利用该比率确定体元中材料的平均原子序数。在另外的实施例中，第一能量范围包括511KeV。在另外的实施例中，第二能量范围将511KeV排除在外。
在另一个方面，分析目标的多个体元中材料的方法包含：(a)利用光子束照亮若干体元；(b)测量自若干体元的每一个散射的光子的至少一个能量谱；(c)利用测得的能量谱确定若干体元的每一个中的平均原子序数；(d)针对每个体元，(i)确定入射到体元上的光子的通量；以及(ii)利用平均原子序数、测得的能量谱、以及散射核的预定值确定体元中的平均质量；(e)利用每个体元中估计的平均质量和平均原子序数计算射出目标的估计的出射通量；测量射出目标的测得的出射通量；计算估计的出射通量和测得的出射通量之间的差异；以及基于估计的出射通量和该出射通量之间的计算的差异来计算对每个体元中估计的平均质量的修正值。在另外的实施例中，计算对每个体元中估计的平均质量的修正值还包含，针对每个体元分配对估计的出射通量和与该体元中估计的平均质量成比例的出射通量之间的计算的差异的贡献。在另外的实施例中，计算对每个体元中估计的平均质量的修正值还包含，利用求最小值过程来调节每个体元中估计的平均质量，以使估计的出射通量和该出射通量之间的计算的差异最小。在另外的实施例中，计算对每个体元中估计的平均质量的修正值还包含，调节每个体元中所计算的平均原子序数，以使估计的出射通量和该出射通量之间的计算的差异最小。
在又一个方面，分析目标的体元中材料的方法包含：(a)利用光子束照亮体元；(b)确定入射到体元上的入射通量；(c)测量自体元散射的光子的至少一个能量谱；(d)通过下列方式确定体元中的质量：(i)利用入射通量和测得的能量谱确定体元中的平均原子序数；以及(ii)利用平均原子序数、测得的能量谱、以及散射核的预定值确定体元中的质量；以及(e)利用测得的能量谱和体元中的质量确定体元中出现的所选择物种质量的上限。在另一个实施例中，确定体元中出现的所选择物种质量的上限包含：评估与选择的物种对应的第一散射核，以及评估与第二物种对应的第二散射核。在另外的实施例中，确定每个体元中的平均原子序数包含：确定对第一能量范围内的至少其中一个能量谱有贡献的第一光子数；确定对第二能量范围内的至少其中一个能量谱有贡献的第二光子数；计算第一光子数与第二光子束的比率；并且利用该比率确定体元中材料的平均原子序数。在另外的实施例中，第一能量范围包括511KeV。在另外的实施例中，第二能量范围将511KeV排除在外。
在另一个方面，用于确定目标的体元中平均原子序数的系统包含：光子束；用于确定入射到体元上的入射通量的单元；被配置成可观察目标并被配备成可检测自体元散射的光子的能量谱的检测器；以及处理器；其中处理器被配置成可利用能量谱确定体元中的平均原子序数；并且处理器还被配置成可利用入射通量、平均原子序数、能量谱和散射核的预定值确定目标体元中的平均原子质量。
在又一个方面，用于分析目标的体元中材料的方法包含：利用光子束照亮体元；确定体元上的入射通量；测量自体元散射的光子的至少一个能量谱；确定对第一能量范围内至少其中一个能量谱有贡献的第一光子数，第一能量范围包括511KeV；确定对第二能量范围内至少其中一个能量谱有贡献的第二光子数；计算第一光子数与第二光子数的比率；利用该比率和第一光子数之间的相关性确定体元中可能的平均原子序数和质量。在另外的实施例中，第二能量范围将511KeV排除在外。
本公开内容还描述了用于扫描潜在威胁目标的方法和系统。在一个方面，扫描潜在威胁目标的方法包含：(a)针对目标中多个体元的每一个(i)利用光子束照亮体元；(ii)测量在测量方向上自体元散射的光子的能量谱；(iii)确定对第一能量范围内的能量谱有贡献的第一光子数；(iv)确定对第二能量范围内的能量谱有贡献的第二光子数；(v)计算第一光子数与第二光子数的比率；以及(vi)利用该比率确定体元中材料的平均原子序数；以及(b)利用多个体元的每一个的平均原子序数确定是否触发进一步的动作。在另外的实施例中，第一能量范围包括511KeV。在另外的实施例中，第二能量范围将511KeV排除在外。在另外的实施例中，该方法还包含在输出装置上显示平均原子序数的空间分布。在另外的实施例中，进一步的动作包含通过核共振荧光扫描目标的一部分或通知操作者可能存在可疑的材料。
在另一个方面，扫描潜在威胁目标的方法包含：(a)针对目标中多个体元的每一个(i)利用光子束照亮体元；(ii)测量在第一能量范围内以及第一测量方向上自体元散射的第一光子数；(iii)测量在第二能量范围内以及第二测量方向上自体元散射的第二光子数；(iv)确定第一光子数与第二光子数的比率；以及(v)利用该比率确定体元中材料的平均原子序数；以及(b)利用多个体元的每一个中的材料的平均原子序数确定是否触发进一步的动作。在另外的实施例中，第一能量范围包括511KeV。在另外的实施例中，第二能量范围将511KeV排除在外。在另外的实施例中，该方法还包含在输出装置上显示平均原子序数的空间分布。在另外的实施例中，进一步的动作包含通过核共振荧光扫描目标的一部分或通知操作者可能存在可疑的材料。
在另一个方面，扫描潜在威胁目标的方法包含：(a)针对目标中多个体元的每一个(i)利用光子束照亮体元；(ii)确定体元上的入射通量；(iii)测量自体元散射的光子的至少一个能量谱；(iv)利用测得的能量谱确定体元中的平均原子序数；以及(v)利用入射通量、体元中材料的平均原子序数、测得的能量谱、以及与体元对应的散射核的预定值确定体元中的质量；利用多个体元的每一个中的质量和平均原子序数确定是否触发进一步的动作。
在又一个方面，用于扫描威胁材料目标的系统包含：用于生成光子束的单元；用于相对于光子束平移目标的单元；被配置成可检测在测量方向上自目标的至少一个体元散射的光子的至少一个能量谱的至少一个检测器；以及处理器；其中处理器被配置成可确定具有第一能量范围内能量的第一散射光子数和具有第二能量范围内能量的第二散射光子数的比率；处理器还被配置成可确定体元中平均原子序数；处理器还被配置成可利用体元中平均原子序数确定是否触发进一步的动作。
附图说明
本发明下面的描述涉及附图，其中：
图1是扫描仪配置的示范实施例的示意图；
图2是用于确定目标容器的若干体元中平均原子序数和质量的示范设备的细节的示意图；
图3是自被纸环绕的氧化硼(B2O3)、铜和铅的目标样本散射的高能光子的能量分布的曲线图；
图4说明了作为511KeV和600KeV下散射光子强度的比率的函数的目标样本的原子序数；以及
图5是针对各种质量和平均原子序数的样本的、比率R(Z)对511KeV湮灭峰值下计数数目的曲线图。
具体实施方式
为了提供全面的了解，现在将描述某些说明性实施例；然而，本领域的普通技术人员将会了解，这里所描述的装置和方法可以被改编和修改以此提供用于其他适当应用的装置和方法，并且在没有偏离这里所描述的系统的范围的情况下，可进行其他的添加和修改。
除非另有说明，所说明的实施例可以理解为提供了某些实施例的变化细节的示范特征并且因此，除非另有说明，在没有偏离所公开的装置或方法的情况下，特征、部件、模块和/或说明的若干方面可以被另外组合、指定、交换和/或重新布置。另外，部件的形状和尺寸也是示范性的，并且除非另外说明，在没有偏离所公开的装置或方法的情况下，可以改变部件的形状和尺寸。
在非侵入式扫描应用的共振散射测量(还称作核共振荧光或NRF)中使用连续谱光子源(如轫致辐射源)的某些示范系统在美国专利Nos.5,115,459和5,420,905中进行了讨论。这里所描述的系统和方法可使用利用非共振散射过程测量的类似设备。
图1示出了扫描仪配置的示范实施例的示意图。
该系统包括光子源12，所述光子源12产生具有超过某个能量范围的能量谱的光子。适当的光子源可包括：轫致辐射源；利用来自辐射源的核衰变的康普顿展宽的光子源；相干轫致辐射；自由电子激光器；来自高能电子的激光反向散射器；中子俘获光子；或本领域的技术人员已知的其他光子源。
在图1说明的实施例中，光子源12可以是轫致辐射源并且可包括提供入射到轫致辐射目标16上的电子束32的电子源14，以此生成轫致辐射光子束34。轫致辐射目标16可以跟随有束流阻挡器(图中未说明)，以此阻挡电子32。滤光片52可跟随束流阻挡器以此根据需要过滤掉来自轫致辐射束34的低能光子。准直器18可以用来准直轫致辐射束34。屏蔽(图中未说明)可封闭光子源12。示范的适当轫致辐射光子源的描述可以在美国专利No.5,115,459中找到。
要被扫描的目标20(如货物容器、集装箱、行李、包裹、或其他容器或物体)可以放置到光子束34的路径上。在一个实施例中，可以比如通过传送带使目标移过射束路径。在另一个实施例中，可以比如通过移动光子源12或操纵电子束32使射束34扫过目标20。实现光子束34在目标容器20上的扫描的其他方式将被本领域的技术人员认可。目标20可包含目标内容22。入射光子束34撞击目标容器20，并且光子48可以同时自内容22和目标20被散射以及被传过内容22和目标20。
可包括检测器阵列42的检测设备38和40可俘获、测量、计算和/或记录在给定方向或若干方向上散射的光子的能量。若干示范的适当检测设备的描述可以在美国专利No.5,115,459中找到。检测设备38或40还可包括在每个检测器的表面上方用来吸收低能光子的滤光片以及屏蔽(图中未说明)。当自准直孔径18的散射可导致大量光子朝向检测设备38或40时，可使用准直器和检测设备38或40之间的阴影屏蔽(图中未说明)。可设置束流收集器30以此吸收当射束34穿过目标20时未被吸收的射束34的能量。在允许便利单元进出目标的同时，屏蔽(图中未说明)可封闭整个装置。
来自检测设备38或40的数据被发送至处理器46，所述处理器46可分析数据，比如以此确定如下面所描述的选择的元素的平均原子序数、质量、或质量的上限。数据可以通过预处理电子部件44进行预处理，所述预处理电子部件44可包括前置放大器、滤光片、定时电子部件和/或其他适当的预处理电子部件。(尽管预处理电子部件44在图中是串联的，但是它们也可以是与处理器46并联的。)处理器46还可能适于评估数据以确定目标体积的内容是否满足或超过一个或多个预定的检测阈值。例如，处理器46可将每个被照射的目标体积的数据和“正常”目标体积的轮廓进行比较以确定被照射的目标体积是否应当被认为是“可疑的”。另外，可以利用如下所描述的其他威胁检测试探法对处理器46进行编程。另外，如下面更详细的描述，处理器46可以控制光子束、扫描、检测的各种参数和/或系统的其他方面。
检测设备38和/或40可以被配置成可相对于光子束34以测量角度θ观察目标20(相对于光子束的方向大于90度)。在示范的实施例中，检测设备40以接近130度的测量角度观察目标。
射束34穿过目标内容22。该射束可以被吸收进射束收集器30，所述射束收集器30被设计成可吸收基本上所有的剩余能量。例如，适用于10MeV的射束收集器可包括含硼或锂的含氢材料层、碳层以及在铅和/或铁屏蔽中形成的空穴中的铁层，以此使侧边和检测器与回流的低能光子隔离。含硼或锂的含氢材料层可环绕这个屏蔽的外部。这个空穴的深度、射束尺寸、检测器的定向准直、和检测器的精确位置是相关的参数，这些相关的参数可以是兼容的以便使从射束收集器进入检测器的回流光子的数目最小。可以建立附加的阴影屏蔽以此有助于满足该目标。
可以各种方式利用这里所描述的技术来实现扫描。可以通过移动整个光子源12、目标20或仅仅移动孔径18利用射束扫描行李。还可以通过磁铁偏转电子束以此扫过光子束方向。优选的光子束几何形状包括斑点(锥形)和条纹。其他适当的扫描配置、几何形状和图案可以被本领域的技术人员认可并且可以被使用。
例如，在一个实施例中，如果利用较小的环状孔径18使射束34平行准直于接近1/20弧度的平均角度(大约3度)，距孔径1米的斑点可能是大约10cm的直径，这个尺寸适合于使一件行李的内容成像。如果想要更高的分辨率，可能要使用更紧密准直的射束。另一方面，更大的斑点尺寸可能对快速扫描和/或较大的目标来说是优选的。
如果利用垂直缝隙孔径使光子束34准直以此在一件行李的入射点处产生10cm宽的细条纹，则当比如60cm长的手提箱在传送带上移动时可在几秒钟内扫描该手提箱。另一方面，还可以通过可调节的准直器或通过用来生成光子束34的电子束32的磁偏转将光子束34准直成垂直扫描的斑点。即使准直是垂直条纹的形式，中心强度保持最高，从而反射自然准直，并且电子束32的磁偏转对成像可能是有用的。在其他实施例中，可使用具有除垂直之外的配置的条纹。
另外，在某些实施例中，脉冲光子束可用来提供空间分辨率。在光子源通过具有适当脉冲结构的电子加速器产生的地方，光子脉冲和检测时间之间的相对时间可用来推断可能的相互作用点的空间位置。
目标20可以概念化地分成若干部分或“若干体元”。每个体元通过光子束34和准直检测器42的视图的三维交叉点来定义。在图1中标识了一个这样的体元50。
处理器46可适于分析通过38和/或40的任何组合中的检测设备获得的数据。例如，可以利用属于“正常”轮廓的质量或原子序数分布的统计信息对处理器46进行编程。明显偏离这些轮廓的目标体积或体元50或若干体积或体元50的组合可以认为是“可疑的”。处理器46还可适于将数据和所存储的表示特定威胁类型的较高可能性的轮廓进行比较。例如，如果目标区域示出爆炸物质的显式元素轮廓或通常用作辐射屏蔽的高密度材料的显式元素轮廓的话，处理器46可发信号告知这是肯定的威胁检测事件。该系统可以各种方式的任何一种对肯定的威胁检测事件作出响应，包括以更高的分辨率重新扫描该区域、对特殊材料实施不同类型的扫描(如NRF扫描)、显示目标内容的图像和/或发信号通知操作者。
因此，所描述的其中自目标20和目标内容22的散射通过检测器阵列38和/或40中的检测器42检测的检测方法可以用来获得目标内容22的三维成像。例如，如果依照这里所描述的方法在每个体元50中确定平均原子序数，则这些数据可以根据需要而被重新绘制成显示平均原子序数的空间分布的目标内容22的三维图像。同样地，利用每个体元中的质量测量，整个目标的质量的三维分布可以绘制成图像。
在图1说明的实施例中，该系统还可包括直接透射检测器24，如X射线成像器，其可测量作为其中光子束34撞击目标20的位置的函数(或者，对于轫致辐射源来说，作为其中电子束撞击轫致辐射目标的位置的函数)的穿过目标20的光子强度和/或能量。这种测量可用来比如获得沿光子束34的轴投射的、目标20的平均密度图。这样，可以绘制目标的透射密度的非常精确的图像。这种图像将识别目标中高材料密度的特定区域，其将进一步有助于检测爆炸或高原子序数材料。(类似的密度成像还可以通过检测自目标20的向后散射来实现，尤其是在低能量的情况下)。透射检测器24还可以用来在具有或不具有空间分辨率的情况下测量作为能量的函数的、穿过目标20的总光子通量。
图2进一步示意性地说明了用于完成目标容器的非侵入式检查的示范系统。光子的准直射束34碰撞目标20。如上所述，这个准直的光子束34可具有所关注能量区域内的连续谱并且可以通过各种机构(如轫致辐射、辐射衰变、或本领域已知的其它单元)来产生。根据设计和控制参数或者通过直接测量或者上述两者，在碰撞目标之前光子束的强度和能量(“入射通量”F1)是已知的。
在一个实施例中，通过在光子束中的位置72处插入通量测量装置可以测量和/或监测目标20上的入射通量F1。通量测量装置可以是比如静电计和/或电离压力计，其中光子束携带光子以光子束34的能量穿过具有已知的相互作用截面的材料。通量测量装置接着测量光子束与材料相互作用时产生的电流并且输出优选地作为光子能量的函数的入射通量F1。(如下所述，类似的通量测量装置74可以出现在目标20的下游，用于测量出射通量)。
自目标和/或其内容散射的光子可以在光子检测器42或光子检测器阵列38中被检测，其可以被准直成可观察目标的特定部分。在该实例中通过光子检测器观察的空间体积通过射束的截面面积和沿着检测器的准直轴的检测器视图来确定。(如上所注意到的，通过光子检测器、光子束34的路径空间与检测器42的视场的交叉点看到的目标体积的部分被称为“体元”，其是目标容器的三维空间的体积单位。可能是不规则的每个体元的精确形状可以由射束的形状和几何结构以及每个检测器的准直视图的几何结构来确定。)在图2示意性说明的实施例中，检测器42的阵列38可同时观察自多个体元(如沿着射束34的体元62、64、66)散射的光子。准直光子检测器的阵列38可以被在对这里所述方法的概括没有任何损失的情况下可改变观察体积的单个光子检测器(或任何数目的光子检测器)代替。光子检测器42测量在相对于入射射束方向测得的测量方向θ上散射的光子的数目和能量分布。散射进每个检测器的光子能量谱的比率(或固定时间计算的积分或光子数目)和形状取决于(i)到达检测器观察的体元的入射光子通量的强度和能量分布；(ii)所观察体元的密度和成分；(iii)相对于入射光子束指向检测器的角度θ；(iv)光子检测器的效率和能量分辨率；以及(v)体元和检测器之间的材料的密度和/或成分。
图3说明了被散射光子的能量谱与将要被探测的目标部分的成分的相关性。在图3中，自铅、铜和被多层纸片(如杂志)环绕的B2O3粉末的目标(相对于光子束34的方向)以130度散射的光子的能量谱被示出为类似于入射光子束。图3中重要的特征是511KeV下正电子湮灭峰值之外的能量的光子能量谱幅度的较大差异。如图所说明的，湮灭峰值之外的光子强度随着Z的增加而增加。例如，如图所说明的，对于铅(Z＝82)来说，大于511KeV能量的光子能量谱表明其光子强度的量级近似大于其它可比拟的更低Z值散射材料或更大的照射质量的光子强度的量级。低于511KeV峰值的能量的光子能量谱表明了光子强度随增加的Z的类似增加，并且还可用于下面描述的Z测量技术。然而，在低于大约150KeV的能量下，光子能量谱受控于目标材料和/或可能出现的任何屏蔽材料中的K边缘效应。这些更低的能量因此对于平均Z测量来说不是理想的。
图3说明的特征是一般性的并且可以在通过利用比如具有大于1MeV的极限能量(end-point energy)的光子轫致辐射束照射样本而获得的散射光子能量谱中观察到。正如本领域的技术人员将会了解的，类似的光子能量谱对于各种检测器几何形状来说是可观察的，包括不限制以相对于入射光子束大于将近90°的视角放置的任何检测器。
如图3所示的散射光子能量谱具有一般的并且重要的特征，其构成了用于识别高Z材料的快速检测方案的基础：以相对于轫致辐射束大于将近90度的角度以及以刚好低于轫致辐射束的终点的能量散射的光子能量谱的部分非常依赖于材料的Z值。作为一个实例，铅样本呈现的强度量级大于铜的类似质量。这个光子能量谱的特征的Z相关性可以如下面所描述的用于识别和/或映射目标容器的内容的平均原子序数。
另外，正如下面将充分描述的，通过下面描述的方法获得的检查的目标材料的体元中测得的平均Z值连同测得的绝对散射光子强度可用来确定该体元的总质量。
示范方法
下面的方面可用来非侵入式检查目标容器并识别内容的平均Z值。正如在图1和2中示意性说明的，使光子束34撞击目标20。可以垂直于目标容器的表面扫描光子束。可以使目标容器以垂直于射束方向并且垂直于扫描方向的方向移过该系统从而允许容器的每一个区域被检查。如图2示意性说明的，对于射束的每一个位置，准直检测器询问其中射束和检测器的准直视图交叉的体元(被检测器询问的体元可以相邻设置；为了清楚说明起见，图2所说明的体元62、64和66已经被空间分隔)。检查系统可包括处理器46，利用下面描述的方法对所述处理器46进行编程以此动态分析来自检测器阵列的数据，从而快速确定被射束照射的每个体元中材料的平均原子序数Z、质量和/或对特定材料的质量的限制。
示范的检查系统可包括数据采集电子部件，用于收集来自光子检测器的光子数和/或能量分布。另外，还可以利用根据分析收集的数据的结果确定是否采取进一步动作的威胁检测试探法对处理器进行进一步的编程。这种进一步动作可包括通知潜在威胁的操作者或触发将要被自动系统或操作者起动和/或引导的进一步测量。例如，可以对该系统编程以此根据具有特定范围内或超过阈值的平均Z值的材料出现的检测警告操作者或引导进一步测量。这种进一步测量可包括目标的选择区域的更高分辨率扫描。进一步测量还可包括利用其它扫描方法(包括NRF成像)扫描目标，用于进一步分析目标或目标一部分的同位素含量。用于确定目标中平均Z值和/或质量分布的示范系统可将相同的检测器用于平均Z值和/或质量测量以及该目标的任何附加NRF成像。另一方面，可以提供附加的检测器组用于另外的成像。正如图1所说明的，该系统可包括如在美国专利No.5,115,459和No.5,420,905中描述的可用于NRF成像的检测器阵列38和/或40。同样如图1所说明的，同样如在美国专利No.5,115,459和No.5,420,905中描述的，该系统可被配置成利用参考散射器28和检测器阵列36进行透射NRF检测。
在某些实施例中，处理器46可以被配置成可针对每个体元将平均Z值和/或平均密度以图形方式绘制到可视显示器上(如利用颜色或阴影)以此形成容器内容的二维或三维图像。该处理器还可以被配置成可显示具有超过某一阈值的平均原子序数的容器的若干区域。
平均原子序数的确定
体元中材料的平均Z、Sav通过在散射光子的能量谱的两个能量区域内测得的光子计数的比率于第一近似中被确定。(术语“光子谱”、“能量谱”和“光子能量谱”在整个公开内容中轮流用来指光子能量谱分布或在每个能量通道中检测到的计数数目。)例如，区域1可包括由目标体元中正电子产生和湮灭生成的511KeV线，并且区域2可包括能量带，所述能量带以600KeV开始并且伸向经过编程或进入数据减少系统的某一更高能量限制。更高能量区域可以非常宽；在示范的实施例中，它以600KeV开始并且向上伸展到大约2MeV。在备选的实施例中，如果计数统计适当的话，任何一个或两个区域可能与单个检测通道一样窄。精确的能量限制将通过特定应用的具体要求来确定，并且可能取决于计数统计、检测器分辨率或者在特定应用中的更高能量通道上获得的信噪比。将会了解，600KeV是任意限制，并且可以使用将511KeV峰值排除在外的任何能量范围，尽管如上面所讨论的，超过150KeV的能量可能是优选的。实际上，更高能量区域可以通过选择中心能量并且接着选择宽度来选择，以使该区域上的统计波动不再受噪声的控制。
使R(Z)表示区域1中的散射光子强度和区域2中的散射光子强度的比率。在图4中，针对Z＝92、82、29和～7(分别是铀、铅、铜和被纸环绕的B203)情形下近似相等的有效材料质量绘制R(Z)。在图4中，E1被选择以使在511KeV峰值下R(Z)的分子是整数；E2近似为600KeV+/-5KeV。
正如从图4中看到的，R(Z)对原子序数Z的依赖性是十分明显的。通常，目标中的平均Z值越高，R(Z)的值就越低。比率很大程度上独立于包含在体元中的材料的总质量。因此，体元中的平均Z值通过下列步骤来确定：对在适当选择的区域1和2的每一个中散射的光子进行计数；计算比率R(Z)并且将结果与R(Z)曲线(如图4所示的曲线)进行比较。用于这种比较的已知的R(Z)曲线可以通过将已知Z的测试目标放置到射束路径上并且根据具有Z范围的若干这样的测试目标测量R而以经验方法来确定。另一方面，R(Z)曲线可以通过发生在目标中的相互作用的分析或统计建模来确定。
应当注意的是，取决于包括湮灭峰值的间隔E1的大小，在计算比率R(Z)之前，这个能量间隔中光子能量谱的连续部分的减少可能是所期望的。例如，如果检测器具有较宽的能量分辨率(相对于511KeV峰值的宽度)，间隔E1可包括来自光子能量谱的连续部分的贡献。为了得到湮灭峰值中的标准化计数的精确测量，这些贡献将被估计并被减去。在示范的实施例中，连续部分的贡献可以通过平均能量间隔E1的任何一侧上的光子能量谱的连续部分来估计。
在某些实施例中，区域1中的光子强度可以在不同于区域2中的光子强度的散射方向上被测量。在这样的实施例中，两个区域之一中的光子强度可以在计算比率之前针对测量角度的差异来修正。这个修正可以根据经验方法、分析方法或通过统计建模来确定以此确定散射光子的角度分布和/或检测器之间的检测效率的任何差异。
在另一个示范实施例中，如下所述，来自体元的散射光子能量谱可以和自目标的相邻区域散射的光子一起用来表示高Z材料的存在。一个体元中大量高Z材料的存在可导致射束的强吸收，其又导致入射到射束路径上体元下游的通量减少。因此，自下游体元散射的光子的能量谱可能表现为信号强度的减小。同样地，如果高Z材料出现在询问的体元和检测器中间(光子束路径之外)，则自询问的体元散射的光子可以通过其到达检测器过程的吸收而被衰减，从而导致来自被询问体元的信号的减弱。在示范的实施例中，威胁检测系统可寻找信号衰减中这种空间相关，并且利用它们来同时沿着射束和/或沿着自询问的体元至检测器的路径确定或核实高Z材料的存在。例如，当检测到这种相关时，它可以警告操作者和/或触发进一步对目标或目标区域的调查，比如利用NRF成像。
质量的确定
包含在每个体元中的材料的质量可以通过迭代方法来估计，使用光子数作为输入，该光子数在超过如600KeV的给定能量(参见图3)的光子能量谱的连续区域内测得。能量区域的选择是任意的，并且可以使用提供适当计数统计的任何区域。针对特定应用的最佳能量区域将取决于散射系统的设计细节。特定应用中使用的能量区域可以通过调节参数直至获得用于质量确定的最大敏感度而根据经验方法来选择。另一方面，能量区域可以利用统计建模的方法进行选择，以此计算估计的最佳值。
在这个方法的示范实施例中，被光子束询问的第一体元中的质量利用入射通量F1来确定，并且接着质量被用来估计入射到射束路径上的下一个体元的通量，以及沿着射束的再下一个体元的通量等等。参见图2，该图示意性地说明了沿着射束路径自若干体元散射的光子的检测，其中自第i个体元的、进入方向θ的、具有落入范围Eγ的能量的光子数Si由下列方程给出：
方程1：
Si(Eγ，θ，Zi)＝Gi(Eγ，θ，Zi)FiMi
利用方程1，比率R(Z)由下列方程给出：
方程2：
Ri(θ，Zi)＝Si(E1，θ，Zi)/Si(E2，θ，Zi)＝Gi(E1，θ，Zi)/Gi(E2，θ，Zi)
其中Gi(Eγ，θ，Zi)是取决于平均Z值(Zi)、测得的光子的能量以及自第i个体元散射的角度θ的已知因子，Fi是进入第i个体元的总光子通量；以及Mi是包含在第i个体元中的质量。(如果所考虑的体元是被入射射束照射的绝对第一目标体元，则Fi是上面讨论的入射通量Fi。)如上面所讨论的，E1优先包括511KeV下的湮灭峰值，而E2优选地为某一更高能量范围。同样如上面所讨论的，取决于包括湮灭峰值的间隔E1的大小，这个能量间隔中光子能量谱的连续部分的减少可能是所期望的。
因子Gi(Eγ，θ，Zi)可以根据经验方法或者通过分析或统计建模来确定。在这里Gi(Eγ，θ，Zi)被称为散射核。对于每cm2的单位总入射通量来说，它表示在测量方向θ上、自具有原子序数Zi和标准化至1克的质量的材料散射的光子的通量或数目。该核取决于定义入射到第i个体元的通量的形状的参数。例如，对于轫致辐射源来说，该核取决于用来生成轫致辐射光子的电子束的极限能量。因此，必须针对在任何给定实施例中使用的特定光子源来确定该核。
在利用方程1来确定第i个体元中质量Mi的数据减少软件中，可以将核Gi(Eγ，θ，Zi)的数据表或分析表达式提供给处理器。例如，通过在体元i中放置已知Zi和已知Mi的测试目标并且利用若干具有平均Zi范围的这种测试目标的已知入射光子通量Fi测量Si，从而可以提前根据经验方法来确定核Gi(Eγ，θ，Zi)。利用这样的测试质量，G测量的校准必须考虑询问体元的大小。这可以通过比如利用比入射光子束更小的截面面积的测试目标来实现。接着，测试目标的面积密度和测试目标的截面面积的乘积提供了用于校准的被询问体元的总质量。另一方面，代替直接测量，核Gi可以通过发生在目标中并结合检测器和射束几何形状的相互作用的蒙特卡罗建模来确定。或者，核Gi可以通过分析建模或提前或实时地来确定。因此，示范值可以被系统存进数据表或存成分析表达式。不管因子Gi是如何确定和存储的，它的值在这里将被称为“预定值”。通常，因子Gi(Eγ，θ，Zi)结合了散射截面的空间相关性和Z相关性、入射到第i个体元上的光子的能量分布(在使用轫致辐射源时，其取决于用来产生轫致辐射源的电子束的谱)、以及检测器的几何形状。
沿射束的每个体元中的平均Z值Z1可以通过比如上面讨论的比率方法来确定。利用第一体元中的平均原子序数Z1来评估G1连同测得的自第一体元散射的光子数S1和已知的初始光子通量F1，第一体元中的平均质量M1可以由方程1来确定。
由入射光子束同第一体元的内容的相互作用产生的衰减可以根据Z1和M1的提取值来估计，以使可以估计入射到第二体元(沿射束的下一个体元)上的通量F2。利用第二体元中的平均原子序数Z2(例如，利用上面描述的比率方法确定的)来评估G2连同测得的自第一体元散射的光子数S2和估计的入射到第二体元上的光子通量F2，第二体元中的质量M2可以由方程1来确定。可以对处理器进行编程以此针对沿射束的所有体元重复这个计算，从而估计入射到每个体元上的通量Fi，并且利用平均Z值Zi来计算每个体元的质量Mi。
在一个实施例中，值Zi或Mi或两者比如通过绘制到可视显示器上的颜色或阴影或点来表示，以此产生沿射束的质量分布或Z分布的图像。通过使射束扫过目标并且重复这个过程，可绘制目标内容的3D图像。
在另一个示范实施例中，可以测量容器的出射通量以此提供对质量确定的附加约束。与上述的初始通量F1的测量类似，可以通过在目标下游的射束路径上放置通量测量装置来测量出射通量和它的能量谱FE(E)，如图2中附图标记74示意性说明的。另一方面，如图1示意性说明的，出射通量可以通过射束路径上其他类型的透射检测来确定。例如，透射检测器24可以是X射线成像检测器，其可提供关于透射通量的空间信息以及总透射通量的测量。作为另一个实例，可以根据利用参考散射器28和检测器阵列36的透射NRF测量来减少出射通量。出射通量测量可以为如下的质量测量提供附加约束。
每个连续体元中质量的逐步导出在具有预测的出射通量P(E)的容器结尾处终止，其中基于入射通量的能量分布和测得的散射光子的能量分布可以预测通量的显式能量分布以及总通量。这个通量可以与测得的出射通量FE(E)进行比较以此修正预测的质量测量。为了开始修正预测的质量分布的示范过程，能量平均的通量差异D(E)＝FE(E)-P(E)可用来按照对原始Zi和Mi的总光子通量的影响改变沿路径的每个体元的质量。也就是说，按照该体元的衰减与Zi和Mi导出过程中的透射通量的比例，将差异D分配给每个体元。接下来，这个第一级质量分布在求最小值过程中被修改以使入射通量能量分布和出射通量能量分布尽可能地紧密匹配。另外，出射通量的能量谱可以和预测的出射通量P(E)的能量谱进行比较，并且每个目标体元测得的平均Z可以同样在求最小值过程中被调节，尤其是以此利用随Z的光子吸收的能量相关的大的变化。
在另一个实施例中，体元几何形状的若干方面(如直径或取向)可以被改变以此改进预测的出射通量能量谱和测得的出射通量能量谱之间的比较和/或精炼每个体元中质量的测量。例如，具有原始体元的两倍面积但是一半厚度的重新定义的体元可包含相同的质量，但是产生非常不同的光子衰减。(在数学上，这在散射核Gi的几何相关中被俘获。)这种体元的重新定义可以通过比如改变光子束和/或检测器的准直来实现。
在另外的实施例中，平均原子序数和质量估计中改进的分辨率可以通过计算上面定义的R(Z)和511KeV下的湮灭峰值的标准化强度之间的相关来获得。这种相关可以通过比如绘制R(Z)对511KeV峰值下累计计数的曲线来获得。因为这些变量均具有较强的对Z的相关性，并且峰值强度取决于被询问体元中的质量，这种相关可提供不同原子序数和/或不同质量的物种之间改进的分离。例如，越轻的物种具有相对大的R(Z)(参见图4)但是湮灭峰值下相对小的计数，而越重的物种具有小的R(Z)和湮灭峰值下更大的计数数目。图5的曲线说明了这种相关。
图5中的每个点代表不同质量和图例中标识的不同物种。下面的表1提供了用于图5中测量的目标质量。表中列示的每个质量对应于图5中的数据点。对于给定的物种，通过注意标准化湮灭峰值强度(x轴的值)随增加的质量单调增加，可以使目标质量与它的对应数据点相匹配。因此，比如，0.54kg的Sn目标对应于图5中最左边的Sn点(最低的标准化峰值强度)，并且1.61kg的Sn目标对应于最右边的Sn点(最高的标准化峰值强度)。将湮灭峰值下的计数数目用作分子，并且将1000KeV附近的+/-5KeV的能量间隔中的计数数目用作分母，来测量并计算图5的y轴R(Z)。光子源是利用2.8MeV电子束生成的轫致辐射束。
Figure G2005829515320070306D000211
由图5的数据可以看到，给定的R(Z)测量值可对应于不止一个平均原子序数。这是因为测得的R(Z)值中的实验不确定性，并且对于更低的平均原子序数来说可能尤其成问题，其中背景效应(如环境散射)可控制R(Z)测量。作为一个实例，由图5可以看到，测得的大约1600的R(Z)可以利用碳、B2O3或铝的样本进行观察。
然而，绘制R(Z)对标准化湮灭峰值强度的曲线可提供改进的分离，从而便于可产生相似的测得的R(Z)值的不同物种之间的区分。这是因为对于给定的体元几何形状和给定的平均原子序数来说，存在有对多少质量可出现在体元中的限制。因此，对于可对应不止一个平均原子序数的给定的R(Z)值来说，高的峰值强度暗示更密集的材料的存在，从而增加了体元具有更高的平均原子序数的概率。作为一个实例，由图5可以看到，虽然碳、B203或铝的某些样本全都产生测得的大约1600的比率，但是绘制这些比率对标准化湮灭峰值强度的曲线提供了这些物种当中的某种分离。
威胁检测系统可分析测得的R(Z)和测得的湮灭峰值强度之间的这种相关以此区分多个可能的平均Z值。另一方面，在给定测得的R(Z)和湮灭峰值强度的条件下，系统可计算并输出体元包含某一质量/平均Z组合的概率(体元包含具有平均Z值ZA的材料的质量MA的概率PA，和/或体元包含具有平均Z值ZB的材料的质量MB的概率PB)。例如，考虑图5所示的针对碳和铝的样本的数据。因为这些物种的两个当中的某些样本产生测得的大约1600的R(Z)，该R(Z)测量独自不能区分它们。然而，如果标准化湮灭峰值强度相对较高(例如，大约450)，概率可能十分低以使足量的轻元素碳可能存在于询问的体元中以此产生测得的峰值强度。相反，概率可能相当高以使足量的相对较重元素铝可能存在。在某些实施例中，系统可使用威胁检测试探法，所述的威胁检测试探法使用这样的概率来确定是否通知操作者、发出警报、和/或触发进一步的扫描(如NRF成像或其他成像)。
应当注意的是，在构建相关(如图5所示的相关)的过程中，测得的湮灭峰值强度可能需要针对一个或多个因子而被标准化。首先，可能要求入射通量的整体标准化。在某些实施例中，这种整体标准化可能是基于入射射束的亮度的。例如，在图5的说明中，湮灭峰值中计数数目被标准化成用来生成射束的轫致辐射目标上的总电荷(使用时间×电子束电流)。另一方面，如上所述，在估计每个体元上的入射通量时，湮灭峰值强度可以标准化成估计的入射通量。另外，在必要的或期望细化相关之处可以应用第二的、更复杂的标准化因子。这种附加的标准化考虑了体元的几何效应，以及如上所述连同确定散射核G。
高Z材料的质量的限制
体元可包含具有测得的由元素散射光子分布的总和产生的Z和M值的材料的混合物。(出于该讨论的目的，给定体元中测得的Z和M值将分别用Zm和Mm来表示。)例如，对于两种材料，一种将具有ZH＞Zm和质量MH，而另外一种将具有ZL＜Zm和质量ML。在这种情况下，对于给定的体元来说，下面的关系成立：
方程3：
Mm＝MH+ML.
对于散射的光子能量谱的每个能量区域来说，下列关系成立：
方程4：
G(Eγ，θ，Zm)Mm＝G(Eγ，θ，ZH)MH+G(Eγ，θ，ZL)ML
其中入射到体元上的通量F除去。方程4通过将ZL设为最低值可用来设置对质量MH的限制，为此G(Eγ，θ，ZL)已经被测量。
利用方程3和方程4：
方程5：
MH＝Mm[G(Eγ，θ，Zm)-G(Eγ，θ，ZL)]/[G(Eγ，θ，ZH)-G(Eγ，θ，ZL)]
正如由图3的示范数据看到的，在与Zm比较较小的ZL的限制中，G(Eγ，θ，ZL)比G(Eγ，θ，Zm)小得多。同样，G(Eγ，θ，ZL)比G(Eγ，θ，ZH)小得多。利用这些近似，方程5简化为：
方程6：
MH＝Mm[G(Eγ，θ，Zm)/G(Eγ，θ，ZH)]
作为一个实例，利用来自图3的数据，其中Zm＝29，ZH＝82，MH～1/10Mm。
下面的实例说明了计算质量MH的限制的备选方法。
定义Gi(0.51MeV，θ，Zi)＝Ga(Z)(湮灭峰值的G)和Gi(0.6Mev，θ，Zi)＝Gc(Z)(为测量选择的连续能量的G，其中0.6MeV可通过无论哪一个能量被选择来代替)，并假定两个质量分量ML和MH的混合物，测得的R值由下列方程给出：
方程7：
R(Zm)＝[Ga(ZH)MH+Ga(ZL)ML]/[Gc(ZH)MH+Gc(ZL)ML]
其可以改写成：
方程8：
R(Zm)＝[Ga(ZH)/(Gc(ZH)][MH+ML Ga(ZL)/Ga(ZH)]/[MH+ML Gc(ZL)/Gc(ZH)]
这可以简化为：
方程9：
R(Zm)＝R(ZH)[MH+ML Ga(ZL)/Ga(ZH)]/[MH+ML Gc(ZL)/Gc(ZH)]
方程9可用来估计被嵌入更低Z矩阵的高Z材料影响的上限。作为一个实例，对于质量等于Mm的体元来说，假定Zm＝29(其中Zm和Mm可以利用上述方法来测量)。如果高Z材料假定是铀，铀(ZH＝92)的影响的上限通过外推ZL＝1来获得。在这个实例中，正如图3的数据表示的，Ga(ZL)/Ga(ZH)项被取为1，并且Gc(ZL)/Gc(ZH)为1/100量级，从而产生M(ZH＝92)＜1/7Mm。对于大致相等的质量目标来说，这个结果的简化取决于随Z的连续通量的快速变化和湮灭产生的相对恒定性。

Claims (37)

1.一种用于分析目标的体元中的材料的方法，所述方法包含：
利用光子束照射所述体元；
测量在第一能量范围内和第一测量方向上自所述体元散射的第一光子数；
测量在第二能量范围内和第二测量方向上自所述体元散射的第二光子数；
确定所述第一光子数与所述第二光子数的比率；以及
利用所述比率确定所述体元中所述材料的平均原子序数，其中所述第一能量范围与所述第二能量范围是不同的能量范围。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一能量范围包括511KeV。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述第二能量范围将511KeV排除在外。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述第一测量方向与所述第二测量方向相同。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述第一能量范围包括511KeV。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述第二能量范围将511KeV排除在外。
7.一种用于分析目标的体元中的材料的方法，所述方法包含：
利用光子束照射所述体元；
测量在测量方向上自所述体元散射的光子的能量谱；
确定对第一能量范围内的所述能量谱有贡献的第一光子数；
确定对第二能量范围内的所述能量谱有贡献的第二光子数；
计算所述第一光子数与所述第二光子数的比率；以及
利用所述比率确定所述体元中所述材料的平均原子序数，其中所述第一能量范围与所述第二能量范围是不同的能量范围。 
8.如权利要求7所述的方法，其中所述第一能量范围包括511KeV。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述第二能量范围将511KeV排除在外。
10.一种用于分析目标的体元中的材料的系统，所述系统包含：
用于生成光子束的装置；
第一检测器，被配置成可检测在第一测量方向上自所述体元散射的光子的第一能量谱；以及
处理器；其中
所述处理器被配置成可确定具有第一能量范围内的能量的第一散射光子数与具有第二能量范围内的能量的第二散射光子数的比率；并且其中
所述处理器还被配置成确定所述体元中的平均原子序数，其中所述第一能量范围与所述第二能量范围是不同的能量范围。
11.如权利要求10所述的系统，还包含第二检测器，所述第二检测器被配置成可检测在第二测量方向上自所述体元散射的光子的第二能量谱。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述第一测量方向与所述第二测量方向相同。
13.如权利要求10所述的系统，其中所述第一能量范围包括511KeV。
14.如权利要求10所述的系统，其中所述第二能量范围将511KeV排除在外。
15.一种用于分析目标的体元中的材料的方法，所述方法包含：
利用光子束照射所述体元；
确定所述体元上的入射通量；
测量自所述体元散射的光子的至少一个能量谱；
确定对第一能量范围内至少其中一个能量谱有贡献的第一光子数，所述第一能量范围包括511KeV； 
确定对第二能量范围内至少其中一个能量谱有贡献的第二光子数；
计算所述第一光子数与所述第二光子数的比率；以及
利用所述比率和所述第一光子数之间的相关确定所述体元中可能的平均原子序数和质量，其中所述第一能量范围与所述第二能量范围是不同的能量范围。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述第二能量范围将511KeV排除在外。
17.一种针对潜在威胁扫描目标的方法，所述方法包含：
(a)针对所述目标中多个体元的每一个
(i)利用光子束照射所述体元；
(ii)测量在测量方向上自所述体元散射的光子的能量谱；
(iii)确定对第一能量范围内的能量谱有贡献的第一光子数；
(iv)确定对第二能量范围内的能量谱有贡献的第二光子数；
(v)计算所述第一光子数与所述第二光子数的比率；以及
(vi)利用所述比率确定所述体元中的材料的平均原子序数；以及
(b)利用所述多个体元的每一个的平均原子序数确定是否触发进一步的动作，其中所述第一能量范围与所述第二能量范围是不同的能量范围。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述第一能量范围包括511KeV。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述第二能量范围将511KeV排除在外。
20.如权利要求19所述的方法，还包含在输出装置上显示所述平均原子序数的空间分布。
21.如权利要求19所述的方法，其中进一步的动作包含通过核共振荧光扫描所述目标的一部分。
22.如权利要求19所述的方法，其中进一步的动作包含通知操作 者可能存在可疑的材料。
23.一种针对潜在威胁扫描目标的方法，所述方法包含：
(a)针对所述目标中多个体元的每一个
(i)利用光子束照射所述体元；
(ii)测量在第一能量范围内以及第一测量方向上自所述体元散射的第一光子数；
(iii)测量在第二能量范围内以及第二测量方向上自所述体元散射的第二光子数；
(iv)确定所述第一光子数与所述第二光子数的比率；以及
(v)利用所述比率确定所述体元中的材料的平均原子序数；以及
(b)利用所述多个体元的每一个中的材料的平均原子序数确定是否触发进一步的动作，其中所述第一能量范围与所述第二能量范围是不同的能量范围。
24.如权利要求23所述的方法，其中所述第一能量范围包括511KeV。
25.如权利要求24所述的方法，其中所述第二能量范围将511KeV排除在外。
26.如权利要求25所述的方法，还包含在输出装置上显示所述平均原子序数的空间分布。
27.如权利要求25所述的方法，其中进一步的动作包含通过核共振荧光扫描所述目标的一部分。
28.如权利要求25所述的方法，其中进一步的动作包含通知操作者可能存在可疑的材料。
29.如权利要求25所述的方法，其中所述第一测量方向与所述第二测量方向相同。
30.如权利要求29所述的方法，还包含在输出装置上显示所述平均原子序数的空间分布。
31.如权利要求29所述的方法，其中进一步的动作包含通过核共 振荧光扫描所述目标的一部分。
32.如权利要求29所述的方法，其中进一步的动作包含通知操作者可能存在可疑的材料。
33.一种用于扫描威胁材料的目标的系统，所述系统包含：
用于生成光子束的单元；
用于相对于所述光子束平移所述目标的单元；
至少一个检测器，被配置成可检测在测量方向上自所述目标的至少一个体元散射的光子的至少一个能量谱；以及
处理器；其中
所述处理器被配置成可确定具有第一能量范围内的能量的第一散射光子数与具有第二能量范围内的能量的第二散射光子数的比率；
所述处理器还被配置成可确定所述至少一个体元中的平均原子序数；以及
所述处理器还被配置成可利用所述至少一个体元中的平均原子序数确定是否触发进一步的动作，其中所述第一能量范围与所述第二能量范围是不同的能量范围。
34.如权利要求33所述的系统，其中所述第一能量范围包括511KeV。
35.如权利要求34所述的系统，其中所述第二能量范围将511KeV排除在外。
36.如权利要求35所述的系统，还包含在输出装置上显示所述平均原子序数的空间分布。
37.如权利要求35所述的系统，其中进一步的动作包含通过核共振荧光扫描所述目标的一部分。 
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