CN101375153A - 基于电子加速器的多能量货物检查系统 - Google Patents

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Abstract

一种多能量货物检查系统，特征在于使用小型电子加速器，其比具有相同能量的单个线性加速器更小型、更有效且更便宜。该系统具有识别集装箱的基本内容的增强能力，可用于检测隐藏的爆炸物质和裂变物质。

Description

基于电子加速器的多能量货物检查系统
技术领域
本发明涉及一种货物检查系统，并且，特别涉及一种使用具有识别货物集装箱的基本内容的增强能力的电子加速器的货物检查系统。
背景技术
由于对恐怖分子活动的日益关注，人们更加需要更有效且更高效的系统，用于在入境点检查货物及识别违禁品，特别是爆炸和裂变物质。虽然在飞机上通过手提行李袋和行李进行违禁品走私已为人所熟知且倍受关注，但是，较少公开但威胁严重的却是通过大容量货物集装箱乘船越过边境的违禁品走私。
用于大型集装箱内容控制的系统的发展已经走向两个不同的方向。
1.第一个方向是对X光机的继续，该X光机具有产生轫致辐射的高能(2.5到9MeV)射频(RF)电子线性加速器(线性加速器)。
在RF线性加速器中，电磁波用于对带电粒子进行加速。存在两种类型的RF线性加速器：行波式和驻波式。行波式线性加速器是具有光阑的圆波导，其将波速降低至正被加速的粒子的速度。能量高于0.5MeV的电子的速度大约为光速。驻波式线性加速器是一系列耦合腔，每个腔的长度接近电磁波波长的一半。大多数电子RF线性加速器工作波长为10到10.5cm(即2998到2856MHz的频率)，而且，这个波段被称为S波段。在行波式线性加速器中，为了将电子束加速到10MeV，它的长度必须为2.2到2.5m，而且，必须在波导上方安装螺线管用于粒子聚焦。对同样的束能量来说，驻波式线性加速器要短大约两倍，且不需要聚焦螺线管；然而，必须保护RF源免受大功率环行器的反射波。在两种类型的线性加速器中，为了产生加速场，必须消耗2.5到3MW的脉冲RF功率，而且，大约1到1.5MW的RF功率将被转换至束，因此，货物检查线性加速器所需的总RF功率为3.5到4.5MW。通过减小电磁波的长度，如，进入C波段(5.5到25cm)，产生加速场所需的线性加速器的长度和RF功率分别被降低大约2和1.5倍。
RE线性加速器产生轫致辐射。当电子击中所谓的轫致辐射靶时，产生轫致辐射(或制动辐射)。为了产生最大数量的光子，所述靶由具有高熔点的重元素材料制成，例如，钨或者钽，厚度为1.5到2mm。在10MeV，8％到10％的电子能量被转换为X-射线辐射的能量。所产生的X-射线辐射的能量谱是连续的，其终点能量等于电子能量，并且光子的数目随着能量的减少而增加。可以使用所谓的能量过滤器——安装在轫致辐射靶后面的轻元素吸收体——来加强该X射线能量谱。
产生轫致辐射的2.5到9MeV的RF线性加速器允许检测穿过集装箱区域的高能X射线的吸收因子或者散射因子的变化，并因此重构集装箱内容的图像。当前，就世界范围而言，安装了一百多个基于这个技术的系统，主要是在海港用于检测违禁品。
2.第二个方向是根据更为复杂的过程，包括核过程——慢中子和快中子捕获和散射、高能量单色X射线吸收、光核反应以及延迟中子配准。正被开发的方法并不旨在重构集装箱内容的细节，而是当集装箱中存在爆炸或者裂变物质时产生告警信号。虽然二十世纪80年代在机场开发和安装了基于慢中子捕获的早期装置，但目前还没有商品能够实现低的误告警和高的输出。其主要原因是导致低水平响应信号的低的核反应截面(概率)；缺少具有适当参数的探测粒子源；以及受限的粒子检测器能力。
世界上运行的大多数货物检查系统(除了某些中国系统外)中，装置都是基于上述第一方向的系统，其使用商标为Lintron-M的由Varian Medical Systems制造的机器。最初，这个机器被开发用于医学和探伤，而且，已经被广泛使用了很多年。该机器以各种变型生产，具有不同的固定电子束能量1.9、3、6、和9MeV。9MeV机器的尺寸和重量参数为：
 
高度(cm) 宽度(cm) 长度(cm) 重量(kg)
加速头 64 30 142 150
调制器 122 92 76 150
RF源 34 61 107 136
冷却/温度调节 51 71 62 75
控制 18 48 30 10
从这个表的第一行可以看出，Linatron-M加速头所占据的体积为6.4m x 3.0m x 14.2m＝273m3。产生9MeV束的该Linatron-M需要大约5MW速调管。
最近，已经提出了所述第一方向的发展，其中，两个交替运行的不同能量的电子线性加速器将产生照射集装箱的同一部分的两个终点能量轫致辐射X-射线辐射。X射线吸收或散射截面对于不同元素的不同能量相关性是识别异常的轻或重元素内容(例如，爆炸物质中的氮或裂变物质中的钚)的基础。
发明内容
本发明提供其中两个交替运行的不同能量的电子线性加速器已经用于产生照射集装箱的同一部分的两个终点能量轫致辐射X射线辐射的上述第一方向的进一步的发展。根据本发明，电子加速器的独特设计允许能量超过之前使用的两个不同水平而变化。
本发明的电子加速器用于产生电子束，该电子束的能量可以在4到10MeV内以大约1000Hz的重复频率以四个不同步幅变化。因此，本发明在货物检查中使用多能量技术来检测是否存在违禁品。
根据本发明，使用独特的线性加速器，其比具有相同能量的单个线性加速器更小型、更有效且更便宜。同时，本发明的线性加速器代替了四个线性加速器，因此与基于线性加速器的等效源相比，同加速器一起设置的X射线源要便宜大约一个数量级。使用多个而不是一个或两个终点能量大大提高了基本识别能力。
本发明的多能量货物检查系统具有增强的能力，以识别以大约0.5m/s的速度移动的集装箱的基本内容，而且可以用于检测隐藏的爆炸物质和裂变物质。
这些和其它优点由货物检查系统的本发明所提供，其包括小型多能量电子加速器，该多能量电子加速器包括具有10MeV最大电子能量的跑道电子回旋加速器。
附图说明
图1是根据本发明的货物检查系统的示意图。
图2是在图1的货物检查系统中使用的电子加速器的示意图。
图3是显示N、Fe和U的质量衰减系数与能量关系的曲线图。
图4是显示4、6、8和10MeV电子能量的轫致辐射谱的曲线图。
图5是显示准单色差轫致辐射谱的曲线图。
图6是显示准单色谱的衰减测量。
图7是显示N、Fe和U的质量衰减系数与能量关系的曲线图。
具体实施方式
具体参照附图，并从图1开始，其中示出了本发明的货物检查系统10。该货物检查系统10包括提供电子源的电子加速器11，该电子源冲击具有高的原子序数的材料的轫致辐射靶12，例如钨或者钽，从而产生轫致辐射X-射线辐射束。将要被扫描的物体13(例如货物集装箱)在轫致辐射源12和检测器14之间移动。穿过物体13传输的辐射被该物体及其内容不同程度地吸收或者散射，并且通过检测器14来感测衰减。X射线吸收/散射截面对于不同元素的不同能量相关性是识别异常的轻或重元素内容(例如，爆炸物质中的氮或裂变物质中的钚)的基础。
图2中较为详细地示意性示出了电子加速器11，即小型10MeV跑道电子回旋加速器(RTM)15。RTM 15包括提供电子束的电子枪16、电子束在其中被加速的线性加速器(线性加速器)17以及一对端磁体18和19，端磁体18和19偏转电子束返回穿过线性加速器若干次。RTM还具有多个快速回程磁体20。
在RTM 15的运行中，电子枪16产生具有10MeV最大能量的电子束。来自枪16的电子束进入电子线性加速器17，并在此被加速。在从线性加速器17射出后，电子束被端磁体18偏转，使其返回穿过线性加速器17。它从线性加速器17出来，并被另一个端磁体19偏转至多个快速回程磁体20中的一个。从快速回程磁体20，电子束被引导回到端磁体18，从此重复其穿过线性加速器17并返回端磁体19的路径，由适当的RF、真空、高压、冷却和控制系统来提供校正偶极RTM操作。
RTM的物理和工作参数如下：
 
束能量 4、6、8、10MeV
运行频率 2856MHz
同步能量增益 2MeV
端磁体场 0.4T
注入能量 40keV
脉冲RF功率 1600kW
平均束电流 高达100μA
重复率 高达1000Hz
RTM尺寸 750 X 250 X 140mm
RTM重量 <60kg
本发明的RTM兼具线性加速器和循环加速器的优点。RTM产生高强度、窄谱和精确固定能量的电子束。与现有技术的机器相比，它在更小型、更轻的装置中使用更低的功率。当应用在货物检查系统中时，这个加速器的主要优点是它可以在每个运行周期内以固定步幅改变提取的束能量以保持束质量，所述运行周期可以按照高达1000Hz的重复频率。
RTM是电子线性加速器17与偏转磁体18和19的组合，其被配置成使得电子束可以在同一个线性加速器中被加速若干次。与只有一个线性加速器相比，通过N次束穿过线性加速器以获得相同能量，产生加速场所需的其长度和RF功率被减少了N倍。因此，与单独的线性加速器相比，RTM更小型、更便宜且更有效。当产生高平均功率束(几个千瓦以及更高)时，RTM的使用受到电流不稳定性的限制，但是，RTM最适合于低和中等平均束功率应用，货物检查系统是这种应用的主要例子。
本发明的RTM是小型的，原因是(a)射入方法并不要求特殊的射入和补偿偶极，且因此将端磁体的间距降低了大约两倍；(b)具有两个横面中的RF聚焦的加速结构简化了RTM光学系统并将纵向尺寸减小了20％到30％；(c)用稀土永磁体(REPM)材料制成的端磁体将磁体体积降低了2到3倍。本发明的RTM重量轻的原因是(a)加速结构每通过一次只产生2MeV能量增益，且因此与10MeV线性加速器加速结构相比要轻5到6倍；(b)馈送RTM的脉冲RTM RF功率比10MeV线性加速器小3到4倍，并相应地RF源和调制器的重量较轻；(c)用REPM材料制成的端磁体比电磁体轻约50％。
为了简化加速器的工程设计、减小它的重量和尺寸，RTM元件被放置在精密机械加工的平台上，而且，整个加速器被置于由涡轮分子泵泵浦的真空箱中，该真空箱的内部尺寸为750mm x 250mm x 140mm。主要RTM元件——端磁体、线性加速器和平台——的总重量不超过60kg。
通过安装在每个轨道的快速回程磁体20来达到每个运行周期内的提取束能量改变，并且，根据照射程序的它们的激励与RTM RF系统操作同步。为了保持轫致辐射靶处的小的电子束尺寸，使用了脉冲四极。
与现有技术相比，本发明的RTM在尺寸和重量方面具有显著优点。到目前为止，所有制成的脉冲RTM(或许除了第一个证明理论的实验室装置)都运行在50到150MeV的能量范围内。标准能量大约为9到10MeV的圆形电子回旋加速器与本发明的RTM相比是巨大的，而且，它不允许提取束能量的快速改变。可获得具有调节的输出能量的电子线性加速器；然而，在驻波结构中，通过RF源功率改变、电子束负载改变或耦合单元去谐来实现这个调节，或者，在多段线性加速器的情况下，通过RF功率/相位变化来实现调节。没有一个例子中的束质量或能量切换速度可以与本发明的RTM相比。
在上述Linatron-M中，加速头所占据的体积为273m3，与之相比，本发明的RTM所对应的体积为1.4m x 2.5m x 7.7m＝27m3，大约要小10倍，而Linatron-M的重量要重大约2.5倍。产生9MeV束的Linatron-M需要大约5MW速调管，然而对本发明的加速器来说，只需要1.6MW速调管，因此，RF、冷却系统和调制器将相对应地较小且较轻。
因此，本发明提供用于货物检查系统的10MeV电子加速器，与当前使用的线性加速器相比，其更小型、重量轻约3倍且效率也高约3倍。它的束能量可在4到10MeV的范围内以2MeV步幅和1000Hz重复频率变化，这保证了用于货物检查的多能量技术的性能，其对所检验物体的元素组成敏感。
当前可用的具有10MeV束能量的线性加速器的成本——包括全部系统(RF、调制器、冷却和控制)——根据厂商的不同在100万到300万美元的范围内。本发明的RTM的整个系统的成本应该要小得多。在多能量技术中，RTM可以代替几个(高达四个)线性加速器，因此，与基于线性加速器的等效系统相比，成本可降低大约10倍。
操作原理
为了识别隐藏在货物中的违禁材料，必须获得对于仅与这些特殊材料相联系的照射信号的响应。通过外部辐射来探测核是一种获得特殊材料的“指纹”的方式。然而，用核的方法并不能显现集装箱的内容，却可能导致残余放射性。因此，非常需要延伸基于作为X射线源的2到10MeV电子加速器的标准货物检查系统的能力。通过能量小于10MeV的电子所产生的X射线谱，能量水平低于大多数核的光核反应阈值，因此，检测必须依赖于作为特殊材料的独特标签的原子过程。这已经通过50到200keV能量范围内的双能量法得以实现，并且，最近，这个方法已经被应用到4到9MeV的更高范围。X射线吸收截面对于不同元素的不同能量相关性是识别异常的轻或重元素内容的基础。图3示出氮、铁和铀的质量衰减系数μ/ρ在1到20MeV能量范围内的能量相关性，其中μ为衰减系数，而ρ为物质密度。电子偶的产生过程是造成衰减系数对于大约1MeV之上的能量的不同相关性的主要原因，即，氮的随能量衰减以及铀的增长。
如果存在单色X射线源，其能量可在1到10MeV的范围内以高的重复频率变化，则只能在每个照射的货物位置处测量衰减系数的能量相关性，并且，通过统计误差所定义的概率，可以估计集装箱上的有效原子序数分布。然而，这样的源是不可用的，因此，如图4所示，检测必须使用具有连续谱的轫致辐射，不同电子能量碰撞在轫致辐射靶上。该轫致辐射谱的最大或终点能量等于电子能量。
一个相似的问题——获得使用连续轫致辐射谱的截面能量相关性——在光核反应研究中已经在相当长的一段时间内为人所熟知，而且通过采取在不同终点能量测量的反应当量的差而得以解决。本质上，这个方法等效于使用图5中所示的准单色X射线谱。该准单色谱的最大值位于等于相减谱的终点能量的有效能量。
因此，很明显，在双能量法中只使用两个电子能量等效于只在一个有效能量估计衰减系数。因为未知的材料有效厚度teff与衰减系数一起限定了X射线的通量衰减:I＝I0 exp(-μeffteff)，双能量技术的材料识别能力受到限制。
然而，通过使用若干电子能量来产生照射相同集装箱区域的轫致辐射，能力得到增强。对四个电子能量来说，通过取差，可以在三个有效X射线能量估计衰减乘积μeffteff(图6)，而且，假设恒定的有效厚度，可以获得相对能量相关性μeff。使用本发明，实施利用GEANT代码的扩展计算机模拟，以阐述用于材料识别的多能量技术的细节，并产生用于原料检测信息开发的高生产率软件。
同双能量技术相比，利用用于装备有多能量电子加速器的货物检查系统中的材料识别的多能量技术的本发明，可以实现材料识别能力2到3倍的改善，这是因为可以获得有效材料衰减系数的能量相关性。同时，本发明的重复频率高达1000Hz的脉冲束可以实现货物检查系统20到30％的生产率增长。
虽然已经参照大的物体(例如货物集装箱)的检查描述了本发明，但是多能量技术也可适用于低能量(50-200KeV)的能量范围，在该低能量的能量范围内，可以检查小和中等尺寸的物体。
图7示出氮、铁和铀的质量衰减系数μ/ρ在1到1000keV的能量范围内的能量相关性，其中μ为衰减系数，而ρ为物质密度。在这个能量范围内，光电交互是造成X射线衰减的主要原因，产生了质量衰减系数对于原子序数Z的强相关性。这个对Z的强相关性是双能量法在小和中等尺寸物体的材料识别中成功的基础。对于重元素的精确识别尤其重要的是在衰减系数中所见的且与特殊原子壳的激励相联系的吸收峰值。更多的改进来自在低能量过滤的轫致辐射谱的好得多的可能性，其允许修改基本谱形式。
因此，明显地，使用准单色X射线谱导致材料识别能力被改善，并降低了误告警信号的数目。先前描述的相同轫致辐射差谱技术可以应用在这个能量范围内。然而，用跑道电子回旋加速器10产生50到200keV低能量电子束可能在经济上及技术上都是不恰当的，但是，可以使用与双能量法相同的技术用于电子束产生。或者，可以使用通过强激光束在相论对电子上的康普顿(Compton)散射所产生的准单色X-射线辐射，来产生适当的低能量电子束。
应该注意，这里所描述的实施例只是本发明的示例，而并非将本发明限制到一个具体的实施例，本发明包括权利要求范围内的所有实施例。对本领域的技术人员来说，容易获得其它的优点和变更。因此，在较宽的方面，本发明并不受限于这里所示出和描述的细节和说明例子。相应地，可以进行各种修改，而不偏离权利要求及其等价物所定义的本发明构思的一般精神和范围。

Claims (16)

1.一种货物检查系统，包括小型多能量电子加速器，该多能量电子加速器包括具有10MeV最大电子能量的跑道电子回旋加速器。
2.如权利要求1所述的货物检查系统，其中，所述电子加速器产生至少三个不同电子能量的电子束。
3.如权利要求2所述的货物检查系统，其中，所述电子加速器产生四个不同电子能量的电子束，每个电子能量都不大于10MeV。
4.如权利要求1所述的货物检查系统，其中，所述电子回旋加速器包括电子枪，将电子束直接射入线性加速器，而不使用补偿偶极。
5.如权利要求1所述的货物检查系统，其中，所述电子回旋加速器包括产生电子束的电子枪、电子束在其中被加速的线性加速器、以及一对端磁体，所述端磁体偏转电子束返回穿过线性加速器若干次。
6.如权利要求1所述的货物检查系统，其中，所述电子回旋加速器包括两个横面中的RF聚焦。
7.如权利要求1所述的货物检查系统，其中，所述电子回旋加速器包括由稀土永磁体材料制成的端磁体。
8.如权利要求1所述的货物检查系统，还包括轫致辐射靶和检测器，来自电子回旋加速器的电子束被对准所述靶，响应于此而产生轫致辐射，所述检测器感测来自物体的辐射衰减。
9.如权利要求1所述的货物检查系统，其中，所述电子回旋加速器的长度基本上不大于10米。
10.如权利要求1所述的货物检查系统，其中，所述电子回旋加速器的重量基本上不大于60kg。
11.一种检测货物集装箱中的内容的多能量方法，包括步骤：
将第一能量水平的第一辐射对准集装箱；
交替地将第二能量水平的第二辐射对准集装箱；
交替地将第三能量水平的第三辐射对准集装箱；
检测响应于在每个能量水平对准的辐射来自集装箱的辐射；以及
分析检测的辐射以确定集装箱的内容。
12.如权利要求11所述的方法，包括附加步骤：交替地将第四能量水平的第四辐射对准集装箱。
13.如权利要求11所述的方法，其中，所述第一、第二和第三能量水平都不大于10MeV。
14.如权利要求11所述的方法，其中，所述第一、第二和第三辐射都是使用单个电子加速器产生的，该电子加速器能够产生三个不同能量水平的电子束。
15.如权利要求14所述的方法，其中，使用小型多能量电子加速器来产生所述辐射，所述多能量电子加速器包括具有10MeV最大电子能量的跑道电子回旋加速器。
16.如权利要求15所述的方法，其中，使用电子回旋加速器来产生所述辐射，所述电子回旋加速器包括产生电子束的电子枪、电子束在其中被加速的线性加速器、以及一对端磁体，所述端磁体偏转所述电子束返回穿过所述线性加速器若干次。
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