CN104813436A - 用于材料辨别的飞行时间中子探询的方法和系统 - Google Patents

用于材料辨别的飞行时间中子探询的方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了基于飞行时间的中子检查系统。该系统采用快中子的准直束对货物中的可疑区域作针对性探询。作为深度的函数地确定元素成分。然后使用分析来确定违禁品的存在。该系统可以用于辨别材料的次级检查，以降低假报警率，降低高成本和缩短与人工开箱相联系的时间。

Description

用于材料辨别的飞行时间中子探询的方法和系统
交叉引用相关申请
本申请要求如下申请的优先权以及依赖于如下申请：2012年6月1日提交、发明名称为“Methods and Systems for Time-of-Flight Neutron Interrogationfor Material Discrimination(用于材料辨别的飞行时间中子探询的方法和系统)”的美国临时专利申请第61/654,656号，在此通过引用将其全文并入。
技术领域
本说明书一般涉及探测隐藏对象的辐射能成像系统的领域，尤其涉及使用中子探询检查对象以及提供更高水平的材料表征的系统。
背景技术
包括邮件、商品、原材料、和其它货物的装运的材料的有形装运是任何经济的组成部分。通常，材料以集装箱或货柜的形式装运，该集装箱或货柜一般经由半挂车、大型卡车、和机动有轨车以及可以在集装箱船或货运飞机上携带的联运集装箱运输。但是，这样的装运或货物集装箱有时也被用于违禁品的非法运输。对这些危险品的探测需要迅速、安全和精确的检查系统。
全世界都采用高能x射线检查来探测包括毒品、货币、武器和明显亵渎品的违禁品。违禁品探测通常通过分析图像的异常来进行。时常当异常被识别成潜在违禁品时，需要劳动力密集的和费时的开箱。在一些情况下，不得不损坏装备来确定违禁品是否实际存在。不幸的是，这些异常可能由良性货物的自然变化引起，因此导致不必要人工检查的假报警状况。
检查集装箱化货物的已知扫描过程包括X射线扫描、化学分析从货物中发出的汽化物、侦听来自货物的声音以探测活体以及最终由一个或多个安全官员介入性地人工搜索货物。在一些系统中，将中子用在次级检查技术和方法中来探测和/或查明爆炸物和其它材料的存在。例如，Rapiscan Systems公司拥有采用慢化232Cf自发裂变源或像d-D或d-T那样的电子中子发生器(ENG)来产生检查货物集装箱的中子的运输工具爆炸物探测系统(VEDS)。在大多数情况下，中子大体上是非准直的，撞击在集装箱的大区域上，非深度敏感的以及提供有限元素信息。因此，这些系统可以探测中等数量的违禁品以及局限于某些类型的材料。
采用中子的优点之一是它们与物质的相互作用导致γ射线。这些γ射线是产生它们的元素的特征，因此可以用于导出元素成分。当利用中子探询一个对象时，从该对象的不同部分中产生γ射线信号；通过确定作为时间的函数的单能中子的位置降低信号混合。这又产生作为时间的函数的γ射线信息。由于中子的速度是已知的，所以可以计算产生γ射线的地点。这使得可以来自其它区域的信号的混合小地确定作为深度的函数的扫描区域的元素成分。
对于连续产生辐射或以微秒间隔脉冲化的连续波(CW)源，非常难以确定产生γ射线的地点。在对象的前面、中心和后面产生的γ射线会发生叠加，使导出的元素成分混合在一起。例如，如果有一定数量的可卡因处在载纸集装箱的中心，则将存在主要来自纸张和少量来自可卡因的γ射线，在该情况下，可能仍然探测不到可卡因。这是因为由于衰减，中子在前面比在中心多地发生相互作用，由于没有时间(深度)信息，来自可卡因的元素信号(非常小信号)与纸张的元素信号(更丰富信号)累加在一起。例如，可卡因的信号是C＝4和O＝1(C/O＝4)。纸张的信号是C＝10和O＝10(C/O＝1)。测量的信号是C/O为1.3的C＝14和O＝11。但是，如果存在时间(深度)信息，则将来自前面、中心和后面的信息分离成离散、可探测信号。因此，由于作为深度的函数的信号的混合，TNA(热中子分析)效果不怎么好。
举例来说，在脉冲快中子分析(PFNA)技术中，高能脉冲氘束撞击在氘靶上，产生强纳秒级脉冲中子束，这使得可以确定正受到检查的区域的元素含量。通过准直的使用获得横截面(x-y)映像，以及使用飞行时间(ToF)技术获得深度(z)图。PFNA可以用于初级检查和/或用于次级检查。在次级做法中，初级系统(PFNA、x射线等)识别怀疑包含违禁品、然后利用准直中子束检查的区域。尽管PFNA是非常强有力的技术，但基于这种技术的系统既庞大又昂贵，这限制了它的部署。
类似地，相关的α粒子成像(API)采用部分准直中子束来检查对象，从而可以确定对象的元素图。通过探测相对于发射中子的方向180°发射的相关α粒子方向获得横截面元素图。深度图也是使用ToF技术而不是使用脉冲中子束获得的，对α粒子的探测提供开始时间。当来自发生器的氘击中氚靶时，核反应导致相互180°产生的α粒子和中子。首先探测到α粒子，因为α探测器近。因此，可以用于启动确定相关中子在何处的时钟。如果在t＝0时，中子在10cm上，则在t＝1ns时，它将在15cm上，以及在t＝2ns时，它将在20cm上，因为中子以近似5cm/ns运动。
由于α粒子和中子诱发γ射线测量的随机符合，所得信号受限制最大中子输出的高本底影响。这要求将中子输出降低到这种本底低的水平，但导致检查时间延长，降低了吞吐量。
虽然已经使用了采用与PFNA和API类似的技术的d-D和d-T中子发生器，但由于尺寸和成本的限制，或作为低中子产额的结果的长检查时间，它们未得到广泛部署。d-D中子发生器采用撞击在氘气靶上以便以～8.5MeV的束能量产生中子束的氘束。d-T中子发生器使用氘(2H)-氚(3H)反应产生中子。加速束中的氘原子与靶中的氘和氚原子熔合产生中子和α粒子。
因此，需要适合部署的小型、低成本、高强度、特定材料初级和次级检查系统和方法。作为次级检查方法和系统，需要那种方法和系统可以高吞吐量地在相对较短检查时间内查明或确认初级系统的警报。
因此，所需的是导致检查时间短的小型、高产额和可部署定向中子检查系统。
发明内容
本说明书描述了基于飞行时间的中子检查系统。该系统采用快中子的准直束来探询可疑货物，以便作为深度的函数地确定元素信息。然后分析该元素成分以确定违禁品的存在。
在一个实施例中，采用了纳秒级脉冲、小型和高产额d-T发生器。
在一个实施例中，该系统可以用于初级检查，以及以入口、门框或可移动配置实现。
在另一个实施例中，该系统可以用于辨别材料的次级检查，以降低假报警率，降低高成本和缩短与人工开箱相联系的时间。在一个实施例中，通过初级系统或由操作人员将受到检查的对象识别为包含潜在危险品，然后将其输送到本发明的系统作次级检查。在一个实施例中，初级系统以受到检查的对象内的小区域为目标。
在又一个实施例中，将得到适当准直的API发生器应用于次级检查。以小区域为目标使得可以提高API发生器的强度，因为以前用于探询大区域的强度现在集中到较小斑点上，因此将中子输出提高到本底低的水平上，并且使得可以缩短检查时间。
在一个实施例中，本说明书描述了检查对象中的可疑区域的系统，其包含：纳秒级脉冲氘发生器，所述发生器包含产生氘离子的束的离子源、和将氘离子的束成形成窄脉冲宽度的离子过滤器、斩波器和聚束器；当受到氘离子的脉冲束撞击时产生脉冲中子的氚靶；将脉冲中子对准可疑区域的可动准直器；探测脉冲中子与可疑区域相互作用之后产生的γ射线的γ射线探测器；以及分析来自该探测器的飞行时间(ToF)数据以确定可疑区域中的材料的处理单元。在一个实施例中，该纳秒级脉冲氘发生器产生至少109个中子/秒。在一个实施例中，该处理单元使用ToF数据作为深度的函数地将来自γ射线探测器的信号映射到可疑区域的元素。
在一个实施例中，撞击在氚靶上的氘束的电流在100μA的范围中。在一个实施例中，该束的加速电压在100到300kV范围中。在一个实施例中，该离子源是正离子源。
在一个实施例中，该氚靶包含多个靶。在另一个实施例中，该氚靶包含旋转靶。进一步，该氚靶近似处在与初级系统中的源之一的地点相同的高度上。
在一个实施例中，将该中子发生器屏蔽起来以降低准直束以外的剂量以及降低γ射线本底。进一步，该屏蔽具有近似75cm的总厚度。
在另一个实施例中，本说明书描述了检查对象中的可疑区域的系统，所述可疑区域在几十厘米的范围内，该系统包含：产生中子和相应α粒子的d-T中子发生器；将中子引向可疑区域的中子束准直器，其中所述准直器被屏蔽起来；相对于可疑区域180°放置以探测α粒子和确定生成中子的时间的α粒子探测器，其中该α粒子探测器被准直到与该中子束准直器基本相同的角开孔；探测中子与可疑区域相互作用之后产生的γ射线的γ射线探测器，其中所述γ射线探测器被屏蔽起来，以防止热和超热捕获；以及根据生成中子的时间和产生的γ射线的时间谱，作为深度的函数地确定可疑区域的元素成分的处理单元。
在一个实施例中，该含硼材料是硼酸聚乙烯。
在一个实施例中，该中子发生器的总中子输出在109个中子每秒的范围内。
在一个实施例中，当使用大氘束电流时，撞击在靶上的束的尺寸至少是1cm。
在一个实施例中，将该α粒子探测器放置在相对于靶在25cm的范围内的距离上。在一个实施例中，该α粒子探测器由多段探测器组成。
在一个实施例中，该中子发生器沿着其长轴旋转以便将中子对准可疑区域。在一个实施例中，垂直平移准直束以便将中子对准可疑区域。在另一个实施例中，使准直束围绕其长轴旋转以便将中子对准可疑区域。
在一个实施例中，该准直器的总长度至少是75cm。
在一个实施例中，将该中子发生器屏蔽起来以降低准直束以外的剂量以及降低本底。进一步，该屏蔽具有近似50cm的总厚度。
在一个实施例中，在初级检查系统检查之后，将任一种系统用于次级检查。在一个实施例中，该系统基于初级检查子系统和次级检查子系统以及其中该可疑区域由初级系统或操作人员识别，以及将算法用于确定受到检查的对象的最佳位置和转角，以便利用准直中子检查可疑区域。
在下面提供的附图和详细描述中将更加深入地描述本发明的上述和其它实施例。
附图说明
当结合附图考虑时，本说明书的这些和其它特征和优点如它们参考下面详细描述得到更好理解那样得到领会，在附图中：
图1例示了采用脉冲束、依照本说明书的一个实施例、和基于d-T反应的飞行时间中子检查系统的示意图；
图2a例示了采用相关α粒子成像(API)系统、依照本说明书的一个实施例的飞行时间中子检查系统的顶视图；
图2b是如在显示在图2a中的中子检查系统中所采用的示范性屏蔽和准直装置的示意图；
图2c例示了显示在图2a中的中子检查系统的端视图；
图3是例示本发明的系统可以探测的示范性材料的元素成分信息和相应比率的表格；以及
图4并行地例示了在初级和次级扫描中具有不同源高度的不确定性的影响。
具体实施方式
本说明书针对基于飞行时间(ToF)的中子检查系统。更具体地说，本说明书针对使用束得到准直的高能基于ToF中子系统探测货物中的违禁品和危险品的系统和方法。在一个实施例中，本发明的系统采用快中子的准直束探询可疑货物，以作为深度的函数地确定元素成分。然后分析特征元素成分以确定违禁品的存在。
采用中子的优点之一是它们与物质的相互作用导致γ射线。这些γ射线是产生它们的元素的特征，因此可以用于导出元素成分。因此，当利用中子探询一个对象时，从该对象的不同部分中产生γ射线信号；通过确定作为时间的函数的单能中子的位置降低信号混合。这又产生作为时间的函数的γ射线信息。由于中子的速度是已知的，所以可以计算产生γ射线的地点。这使得可以来自其它区域的信号的混合小地确定作为深度的函数的扫描区域的元素成分。一般说来，这是通过使用两者都在本说明书中加以描述、新式方法中的纳秒级脉冲中子或相关α粒子发生器确定中子位置实现的。
在一个实施例中，采用基于纳秒级脉冲d-T飞行时间的中子检查系统，它可以用于初级检查，以及以入口、门框或可移动配置实现以便探测含中子违禁品。
在另一个实施例中，采用API发生器。使用准直器限制或引导中子束以小区域为目标使得可以提高API发生器的强度，因为以前用于探询大区域的强度现在集中到较小斑点上。这将到达这个斑点的中子的数量提高到信号本底比高，在近似109个中子/秒的数量级上的水平上，因此使得可以缩短检查时间。因此，该强度在10到20倍于典型API发生器(在随机符合导致太高本底之前，工作在5×107到5×108个中子每秒的范围中)的数量级上。进一步，本说明书的准直器具有限制中子束的小开孔，并且得到非常好屏蔽。更进一步，本说明书还采用围绕源和探测器的屏蔽。
在一个实施例中，该系统可以用于辨别材料的次级检查，以降低假报警率，降低高成本和缩短与人工开箱相联系的时间。在一个实施例中，通过初级系统将受到检查的对象识别为包含潜在危险品，然后将其输送到本发明的系统作次级检查。因此，在一个实施例中，描述在本发明中的系统扫描由初级系统或操作人员识别为可疑或可能包含违禁品或危险品的对象的小区域。
在一个实施例中，该系统作为深度的函数地探测碳、氮、氧、氯、磷、钠、铁以及其它元素，但不局限于对它们的探测。该系统进行元素分析以探测毒品、化学武器、和其它违禁品，以及另外，进行货物清单核实。也可以探测像与慢中子相联系的氢和氯那样的元素的γ射线特征，以提供货物的另外信息，但没有位置信息。
本说明书的系统与通过GUI显示有关检查过程的信息和数据的至少一个显示器耦合。该系统进一步包含控制整个系统及其组件的操作至少一个处理器或处理单元。应该进一步懂得，该至少一个处理器能够处理编程指令，含有能够存储编程指令的存储器，以及采用由多条编程指令组成的软件执行本文所述的过程。在一个实施例中，该至少一个处理器是能够接收，执行和发送存储在易失性或非易失性计算机可读介质上的多条编程指令的计算设备。
本说明书针对多个实施例。提供如下的公开是为了使本领域的普通技术人员能够实践本发明。用在本说明书中的语言不应该理解为否认任何一个特定实施例的一般性，或用于将限制权利要求限制成超出本文使用的术语的含义。本文定义的一般原理可以不偏离本发明的精神和范围应用于其它实施例和应用。此外，使用的术语和短语是为了描述示范性实施例的目的，而不应该认为是限制。因此，本发明与包含符合公开的原理和特征的许多替代例、修改例和等效例的最宽范围一致。为了清楚起见，不详细描述与在本发明所涉及的技术领域中已知的技术内容有关的细节，以便不会不必要地掩盖本发明。
在第一实施例中，描述在本说明书中的系统有利地使用了纳秒级脉冲d-T中子发生器。该d-T中子发生器使用氘(2H)-氚(3H)反应来生成中子。加速束中的氘原子与靶中的氘和氚原子熔合产生中子和α粒子。回头参照上述的PFNA技术，6MeV脉冲中子束撞击在氘气靶上，以～8.5MeV的束能量产生强纳秒级脉冲中子束。这些反应通过如下方程来表征：
d+t→n+4He En＝14.2MeV          (1)
d+d→n+3H Q＝3.27MeV            (2)
虽然8.5MeV中子更多产，以及具有超过14MeV的优点，但为了产生8.5MeV，需要大得多和贵得多的系统。因此，需要更小型得多和更便宜得多的系统来产生14MeV中子。
图1示出了产生脉冲中子以便扫描一个对象的可疑区域的系统的示意图。参照图1，离子源101产生氘离子的束110，并且在一个实施例中利用低压，朝着离子选择器102加速它们。在一个实施例中，该离子源是产生大束电流的正离子源。该离子选择器102过滤不想要的离子，以防止具有多种能量的离子存在于束之中，导致靶的电流和溅射增大和中子产额的少量增大。由于离子可以携带正或负电荷以及具有不同速度，所以其目的是取决于采用的加速器的类型，过滤掉正或负离子，只保留一种类型的电荷。该过滤器还减少了击中需要广泛屏蔽、使加速器中的中子产量最小的各种组件的离子的数量。
使用使束的一部分通过狭缝104的偏转器103使过滤束111周期性地偏转。狭缝104因此起束斩波器的作用。该束斩波器用于将束脉冲化(粗脉冲化)。然后使用加速尾部离子和减速头部离子的大功率聚束设备105将粗脉冲化斩波束聚束(或成形)。这导致尾部离子和头部离子相互追赶，要有然称为“聚束”在一起。在一个实施例中，将束聚束成脉冲时间在1ns的范围内。使脉冲的时间保持在纳秒(ns)的范围内是至关重要的。所得中子以～5cm/ns的速度运动；因此，使分辨率在几厘米的范围内的时间尺寸不得不是纳秒级。如果脉冲时间是微秒级，则分辨率为米级，从而导致来自对象的各种部分的信号混合在一起以及仍然有机会探测不到违禁品。然后通过使用使得可以另外加速氘离子束、使其能量增加的硬件112的后加速级发送该束。在一个实施例中，加速电压在100到300kV的范围内。
然后让该束撞击到氚靶106上。在一个实施例中，撞击在氚靶上的氘束的电流在大至500μA的范围内。利用准直器107将所得脉冲中子屏蔽和变窄准直成引向可疑区域108的束120。在中子与可疑区域108相互作用之后，使用γ射线探测器阵列109探测与中子非弹性相互作用产生的所得γ射线。飞行时间(ToF)电子线路和处理单元作为深度的函数地将来自γ射线探测器的信号映射成元素。
本领域的普通技术人员应当懂得，为了避免每隔一段不可接受的短时间就要维护系统，应该使用长寿命靶。在一个实施例中，该靶由当一个靶部分耗尽时，可以无需维护系统地加以替代的多个靶组成。在一个实施例中，该靶使用旋转靶。
与庞大的现有技术发生器相比，本发明的d-T发生器上小型、大输出发生器，在各种应用中更适合部署。在一个实施例中，中子发生器得到很好屏蔽，以降低准直束以外的剂量以及降低γ射线本底。
在第二实施例中，本发明的系统采用让α粒子探测器作为时间的函数地确定中子的位置的d-T中子发生器。该d-T反应产生14MeV中子和沿着与产生的中子相差恰好180°的方向行进的α粒子两者。
α粒子成像(API)存在的传统问题是，如果提高氘束的强度来获得更多中子，则α粒子开始相互太接近地到达，以及由于α粒子的随机符合和中子诱发的α粒子测量，使中子的识别变得混乱。产生的中子可以与屏蔽材料碰撞，产生随时被探测到和导致感兴趣时间区域中的本底增大的α粒子。所得信号受限制最大中子输出的高本底影响。传统上，这要求将中子输出降低到这种本底低的水平，但导致检查时间延长。因此，将API用于成像大货物区域由于强度而受到限制，因为输出低，导致成像大对象的时间不可接受地长。
尤其，随机符合事件随中子强度的平方增加：a2I2，其中“a”是取决于本底和通过实验导出的参数。本底主要有两种来源：1)由快中子相互作用产生的时间相关本底(TCB)；以及2)由热中子与周围物质的相互作用产生的时间无关本底(TUB)。因此，为了降低随机符合，必须减少这些本底源。如上所述，泄漏中子可以在正受到检查的对象的其它部分中发生相互作用以及与周围材料相互作用，产生TCB。最终，这些中子的一些慢下来和被捕获，产生TUB。类似地，屏蔽/准直器中的中子相互作用产生的γ射线可以使TCB增加。特别感兴趣的是必须放置足以的屏蔽以便几乎消除它的来自碳的高能4.44MeVγ射线。像来自氢的2.23MeV那样，屏蔽材料中的热中子捕获产生的其它γ射线也可能逃逸，使TUB增大，因此也必须插入足够的屏蔽来防止这种情况。
本说明书描述了每次只扫描对象的小区域的方法。这是通过将中子束准直成锥形束或小长方形束以便投射到感兴趣的区域大小上实现的。因此，将本说明书的最佳API源屏蔽/准直器配置设计成除了通过准直孔隙行进的中子外，使中子和α粒子的泄漏非常小。关键设计规定包括使用含有适当材料的大量屏蔽和长准直器。
图2a例示了含有高产额API发生器的系统的顶视图的示意性。参照图2，将高度准直中子束201用于检查，例如，可能作为货物203的一部分的区域202。束201由伴随着适当屏蔽和准直装置205(显示在图2b中)的API发生器204生成。中子束得到很好准直，以便检查像在货物集装箱的中心上的几十厘米的范围中那样的集装箱的小区域。在一个实施例中，中子发生器围绕它的长轴旋转，以便将中子对准可疑区域。但是，为了使聚焦斑点位置(中子起源的点)保持在相同地方，以避免视觉的问题(下面针对图4所述)，优选的是使准直器旋转。为了检查货物的不同部分，在一个实施例中，需要将准直束本身引向感兴趣的可疑区域。在一个实施例中，沿着垂直方向移动准直束。在一个实施例中，旋转准直束。
现在参照图2b，来自中子源220的中子束的准直通常使用屏蔽结构来实现，在一个实施例中，该屏蔽结构是含硼材料222(像硼酸聚乙烯那样，但不限于此)、钨224和铅226的组合体。应当懂得，尽管本说明书描述了硼酸聚乙烯的使用，但可以采用任何数量实现本发明的目的的含硼材料。可以用金属层227替代钨层224的一部分以降低成本，其中该金属层包含，但不限于，铁或铜。在一个实施例中，硼酸聚乙烯222具有2-5％的硼含量。在一个实施例中，硼酸聚乙烯222具有近似15cm的厚度。在一个实施例中，使铅层226交织在硼酸聚乙烯层222之间，以减少在屏蔽中产生、使随机符合增加以及使本底增加的γ射线。在一个实施例中，铅层226具有2cm的厚度。在另一个实施例中，与将铅层与硼酸聚乙烯交织相反，可以将铅层加在准直器的末端上，但是，与交织做法相比，准直器具有更大的重量。在另一个实施例中，可以使用替代性高Z材料(例如，铋)来取代铅。
附加屏蔽材料228围绕准直器，以减少也可以与周围产生本底的其它方向的中子泄漏。考虑到重量和成本，减少与要检查的对象232和探测器234不相交的区域中的屏蔽。存在于这些区域中防止泄漏中子与产生本底γ射线的周围区域相互作用的屏蔽的数量取决于系统配置，但通常在50cm的数量级上。该屏蔽由与准直器类似的材料—钨，后面接着钢或铜(尽管优选的是更多的钨)，后面再接着含硼聚合物/铅层组成。
在一个实施例中，准直器的总长度至少75cm。在另一个实施例中，采用更多的钢/铜来屏蔽，导致准直器设计长于75cm。在一个实施例中，准直器的长度范围从75到100cm。但是，这要在全面考虑成本、尺寸和性能之间折衷。
在一个实施例中，将一层B10或等效物229放置在准直器230的出口附近，以消除在准直器中生存下来和未被屏蔽吸收的任何热中子。
γ射线探测器234也必须得到很好屏蔽，以防止热和超热捕获。在一个实施例中，将像B4C那样的含硼材料用于屏蔽。在一个实施例中，采用15mm的B4C。在一个实施例中，在含硼屏蔽238与探测器234之间使用近似3mm的铅屏蔽236，以吸收来自硼中的热捕获的478keVγ射线。将附加热中子屏蔽240加入支持系统组件的结构材料、混凝土和其它周围材料中以降低TUB。
当知道中子的生成时间，因此，γ射线的生成光谱的定时时，可以确定作为深度的函数的扫描对象的元素成分。
受检查区域的横截面元素图如上所述，通过探测相关γ射线的方向，以及使用该信息来确定相对于α粒子180°发射的发射中子的位置来获得。探测器提供具有生成时间以及相对于靶的方向的α粒子。进一步，在探测α粒子轨道时，确定伴随中子的生成时间及其方向，因为它的行进路线与α粒子的行进路线相反。当来自发生器的氘击中氚靶时，核反应导致相互处在180°上的α粒子和中子。首先探测到α粒子，因为α探测器近。因此，可以用于启动确定相关中子在何处的时钟。如果在t＝0时，中子在10cm上，则在t＝1ns时，它将在15cm上，以及在t＝2ns时，它将在20cm上，因为中子以5cm/ns运动。如此产生的快中子因此在时间上以及在方向上被定义成“示踪的”(通过α粒子)。
回头参照图2a，将α粒子探测器206放置在相对于靶的一定距离上或180°上。在一个优选实施例中，α粒子探测器206也被准直成具有与准直束相同的角范围，因此α粒子探测器的角覆盖区对应于中子束。由于这个原因，在一个实施例中，α粒子探测器的尺寸不大于捕获沿着相反方向行走的相关中子所需的尺寸。较小的角度将导致不是准直束中的所有中子都得到示踪。由于避免随机符合的α粒子的数量是固定的，所以当检查小区域时，存在大得多的中子通量。这使得可以在与所部署系统相容的短时间内得到结果。在一个实施例中，α粒子探测器是多段探测器。
当使用大氘束电流(用于较大输出)时，靶上的束的尺寸(聚焦斑点)可以大于1cm。在采用产生大中子输出所需的大氘电流的时候，需要大聚焦斑点来保持低电流强度。在这种情况下，如果α粒子探测器太近，则也探测到与沿着比准直器所允许大的角度行走的中子相联系的α粒子。这使导致较高本底的随机符合增加。将α粒子探测器206放置在相对较远距离上保证了一般与由氘聚焦斑点的大尺寸引起的中子的角扩散的不确定性相联系的中子束的模糊得以避免。在一个实施例中，将探测器放置在大于～25cm的距离上，以降低聚焦斑点的尺寸对中子方向的影响。
在一个实施例中，在本发明中采用的API发生器提供高中子产额。在一个实施例中，总中子输出近似在109个中子/秒的范围内或大于它。这使得可以确定违禁品的存在或在近似一分钟或更短的时间内查明货物。
图2c例示了API系统的端视图。参照图2c，示出了在使用中子束-α粒子成像的典型应用中生成的宽中子束211。进一步，还示出了用于精确扫描目标213的本系统215生成的高度准直束213。
进一步，本发明的小角度α粒子探测器、高度准直中子束和良好屏蔽中子发生器、探测器和准直器导致能够获得高信号本底比的低随机符合本底。
本发明的系统能够以精确和可靠方式探测各种违禁品。图3是例示该系统能够识别的一些材料的元素成分。列301，302，303和304分别指示各种材料的碳、氢、氧和氮含量。列305和306分别指示给定材料的碳氧比(C/O)和N*O/C2比。这些比率尤其可用在辨别和识别不同材料中。例如，高碳氧比(C/O)305将指示存在可卡因、海洛因和其它毒品；而高N*O/C2比306将指示存在爆炸物。其它特征可以用于识别这些和其它感兴趣材料。
在一个实施例中，可以操作本发明的系统来检查货物的所选区域以便核实货物清单。在这种情况下，将所扫描区域的元素成分与所声明清单的元素成分相比较，以提供清单正确的概率。
在一个优选实施例中，氚靶的位置应该在与初级系统的聚焦斑点源的高度相同的高度上。如果初级系统具有多个源，则该地点将在与源之一相同的位置上。这优选地避免了视差的不确定性，使得可以单向扫描地探询可疑区域。
图4示出了初级和次级检查源不在相同高度的影响。初级系统的源422处在与次级系统的源423不同的高度上。初级系统的投影图像指示可疑对象在沿着投影线的任何深度上。但是，由于次级源423处在不同地点上，所以该系统必须检查所有可能地点431以避免漏掉可疑对象。
如果初级系统产生3D图像，则不存在氚靶位置的强烈偏爱。在这种情况下，操作人员或自动探测算法将指示3D中的可疑区域，并将束引向这个区域。在另外的实施例中，将对象旋转到最佳角度以及以获得最高信号的方式平移该对象，并探询该区域。也可以进行不同角度上的多次探询。
本发明的基于中子检查系统可以用于可移动应用以及为了检查需要重新定位系统的地方。该系统也适用于入口和门框配置，和适用于货物以及运输工具检查。
上面的例子仅仅是本发明的系统的许多应用的例示。尽管本文只描述了本发明的几个实施例，但应该明白，本发明可以不偏离本发明的精神或范围地以许多其它特定形式具体化。因此，当前例子和实施例被认为是例示性的而非限制性的。

Claims (20)

1.一种检查对象中的可疑区域的系统，包含：
生成至少109个中子/秒的纳秒级脉冲氘发生器，所述发生器包含产生氘离子的束的离子源、和将氘离子的束成形成窄脉冲宽度的离子过滤器、斩波器和聚束器；
当受到氘离子的脉冲束撞击时产生脉冲中子的氚靶；
将脉冲中子对准可疑区域的可动准直器；
探测脉冲中子与可疑区域相互作用之后产生的γ射线的γ射线探测器；以及
分析来自该探测器的飞行时间(ToF)数据以确定可疑区域中的材料的处理单元。
2.如权利要求1所述的系统，其中该处理单元使用ToF数据作为深度的函数地将来自γ射线探测器的信号映射到可疑区域的元素。
3.如权利要求1所述的系统，其中撞击在氚靶上的氘束的电流在100μA的范围中。
4.如权利要求1所述的系统，其中加速电压在100到300kV范围中。
5.如权利要求1所述的系统，其中该离子源是正离子源。
6.如权利要求1所述的系统，其中该氚靶包含多个靶。
7.如权利要求1所述的系统，其中该氚靶包含旋转靶。
8.如权利要求1所述的系统，其中将该中子发生器屏蔽起来以降低准直束以外的剂量以及降低γ射线本底，以及其中所述屏蔽具有近似75cm的总厚度。
9.如权利要求1所述的系统，其中该系统在初级检查系统检查之后用于次级检查。
10.如权利要求1所述的系统，其中该氚靶近似处在与初级系统中的源之一的地点相同的高度上。
11.一种检查对象中的可疑区域的系统，所述可疑区域在几十厘米的范围内，该系统包含：
产生中子和相应α粒子的d-T中子发生器；
将中子引向可疑区域的中子束准直器，其中使用包含硼酸聚乙烯、钨、钢、铜和铅的至少一种的层将所述准直器被屏蔽起来以降低在该准直器中产生的中子泄漏和γ射线；
相对于可疑区域180°放置以探测α粒子和确定生成中子的时间的α粒子探测器，其中该α粒子探测器被准直到与该中子束准直器基本相同的角开孔；
探测中子与可疑区域相互作用之后产生的γ射线的γ射线探测器，其中所述γ射线探测器被屏蔽起来，以防止热和超热捕获；以及
根据生成中子的时间和产生的γ射线的时间谱，作为深度的函数地确定可疑区域的元素成分的处理单元。
12.如权利要求11所述的系统，其中该中子发生器的总中子输出在109个中子每秒的范围内。
13.如权利要求11所述的系统，其中当使用大氘束电流时，撞击在靶上的束的尺寸至少是1cm。
14.如权利要求11所述的系统，其中将该α粒子探测器放置在相对于靶在25cm的范围内的距离上。
15.如权利要求11所述的系统，其中该α粒子探测器包括多段探测器。
16.如权利要求11所述的系统，其中该中子发生器沿着其长轴旋转以便将中子对准可疑区域。
17.如权利要求11所述的系统，其中将该中子发生器屏蔽起来以降低准直束以外的剂量以及降低本底，以及其中该屏蔽具有近似50cm的总厚度。
18.如权利要求11所述的系统，其中该系统在初级检查系统检查之后用于次级检查。
19.如权利要求11所述的系统，其中该准直器的总长度至少是75cm。
20.如权利要求11所述的系统，其中该系统基于初级检查子系统和次级检查子系统，以及其中该可疑区域由初级系统或操作人员识别，以及将算法用于确定受到检查的对象的最佳位置和转角，以便利用准直中子检查可疑区域。
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