CN109564174B - 港口处对货物集装箱有效处理和扫描的检查扫描仪的集成 - Google Patents

Abstract

公开了用于运输集装箱扫描系统的部署和操作的方法和系统，该集装箱扫描系统使能扫描通过现代、高度自动化港口的集装箱，而不妨碍商业流动。将扫描仪定位在集装箱停留时间已经最长的地方并将扫描仪配置为并行扫描达几个集装箱但是在单独的扫描控制下将与扫描相关的任何延迟最小化。将扫描系统与自动化物流港口系统可操作地集成确保顺畅、无延迟的操作。控制信息流使得扫描结果、包括但不限于图像和对威胁材料或违禁品的存在或不存在的评估仅被发送给邻近该港口但是与该港口分离的政府海关和/或安保设施使港口运营者不涉及可能减慢集装箱吞吐量的活动。

Description

港口处对货物集装箱有效处理和扫描的检查扫描仪的集成

相关申请的交叉引用

本专利文档要求于2016年6月13日提交的美国临时专利申请第 62/349,647号的权益和优先权。前面提到的专利申请的全部内容作为本申请的公开的一部分通过引用被并入。

技术领域

本专利文档涉及为了安全和入口(portal)监视或其它应用而对物体、货物、车辆、集装箱等的检查。

背景技术

通过船舶或船只的经由集装箱货物的运输构成了用于商业和其它目的的货物流动的重要部分。港口处的集装箱码头(terminal)提供了船舶和集装箱的地面运输之间的接口，并且在港口处有效且快速地处理入境和处境集装箱是至关重要的。现代集装箱码头使用各种机器和车辆以与集装箱码头操作或处理相结合来处理集装箱，包括例如从船只卸载集装箱或将集装箱装载到船只的船只操作、涉及在场(yard)内存储或取回集装箱的船场操作、以及涉及处理和管理与诸如卡车或火车的地面运输相关联的集装箱和其它操作的内地(hinterland)操作。

在港口处的入境集装箱检查对于安全和安保以及遵守货物运输的政府法规是至关重要的处理。然而，这种检查可能会造成在处理入境集装箱以用于由地面运输分发时的所不期望的延迟。

发明内容

此专利文献公开了与用于在将集装箱移交给由地面运输分发之前集成集装箱扫描机构作为用于处理场堆(yard stack)中的集装箱的处理过程的一部分的系统、设备和方法相结合的技术。

所部署的扫描系统可以以各种配置来实施，以最小化系统和系统安装成本，同时使从船只卸载到经过港口的主大门以卡车或火车离开的经港口的集装箱吞吐量不受阻碍。诸如新加坡、鹿特丹或诺福克的大型港口每年处理数百万个集装箱(鹿特丹每年处理330万个二十英尺等量单位(Twenty-foot Equivalent Units)，TEU)，表示每分钟几个集装箱的平均通过率(transit rate)，并且在高峰时间速率要高得多。它们可能需要能够同时扫描多个集装箱的几个系统。较小的港口可能需要较少的系统或较小的系统来跟上交通流量。

基于所公开的技术的部署方法将扫描系统放置在这样的点上，在其处，在自动船舶起重机已经从船只卸下集装箱并将其布置在自动引导车辆(AGV) 上之后，AGV将集装箱布置为由自动场起重机升起用于堆放在场堆中，等待由卡车或火车拾取。场起重机从拾取到堆放到返回以下一次拾取的通过时间通常在一分钟到几分钟之间，这容纳了扫描系统的典型扫描时间。

在实施所公开的技术时，集装箱码头可以被配置为执行集装箱扫描作为在港口处理来自船只的入境集装箱的一部分，并且集装箱码头包括：包括可操作以从船只卸载集装箱的船只起重机的入坞区域；以及包括在指定的堆放位置中的场堆的堆放场(stackingyard)。每个场堆包括最靠近船只以及用于从船只接收集装箱的至少一个场起重机的第一端、用于处理在第一端卸下的集装箱的至少一个场起重机、以及用于发送集装箱以群体运输的最远离船只的第二端。集装箱码头包括分发到场堆的集装箱扫描仪。每个集装箱扫描仪位于最靠近船只的每个场堆的第一端，每个集装箱扫描仪被配置为在将被扫描的集装箱放置在场堆的另一部分用于地面运输之前扫描在场堆处卸下的每个集装箱，并且每个集装箱扫描仪被配置为获取指示集装箱是否包含一个或多个可疑区域或物体的、关于被扫描的集装箱的信息。在该集装箱码头中，信号处理单元可通信地耦合到集装箱扫描仪。该信号处理单元包括被配置为存储数据和指令的存储器以及至少一个处理器，其中该指令在被执行时使得该至少一个处理器为提供对于每个被扫描的集装箱的信息以用于地面运输的清关(clearance)，其中所提供的信息包括标识号、集装箱清单以及指示被扫描的集装箱是否包含一个或多个可疑区域或物体的扫描的信息。

在实施所公开的技术时，一种方法可用于扫描集装箱，作为在港口的集装箱码头中处理来自船只的入境集装箱的一部分。这种方法可以包括：将集装箱从船只卸载到离船最近的场堆的一端；获取包括集装箱标识号和集装箱清单的关于每个集装箱的信息；在将集装箱放置在场堆中用于地面运输之前，在最靠近船只的场堆的该一端处操作集装箱扫描仪以扫描集装箱，以获取指示集装箱是否包含一个或多个可疑区域或物体的关于被扫描的集装箱的信息；在完成扫描时，将被扫描的集装箱放置在场堆中来存储用于随后的地面运输，或者放置在卡车或火车上用于立即的地面运输；以及提供被扫描的集装箱的信息用于地面运输的清关。所提供的信息包括集装箱标识号、集装箱清单、以及指示被扫描的集装箱是否包含一个或多个可疑区域或物体的扫描的信息。

在实施所公开的技术时，可以使用一种方法以使能够在转运 (transshipment)的情况下针对威胁材料或违禁材料扫描通过港口的船运集装箱，而不减慢集装箱通过港口、从船只到陆地出口或到船只上的流动。该方法可以包括，例如，将到达自动引导车辆(AGV)的集装箱从船只穿梭运输 (shuttle)到至少一个扫描系统中，其中该至少一个扫描系统位于最靠近船坞的集装箱的场堆的一端；接收集装箱标识，并且如果集装箱清单可用，接收该集装箱清单；扫描集装箱以分析集装箱内容物中威胁材料或违禁材料的存在；向场外海关或安全设施发送集成数据包，以及将集装箱从扫描系统中穿梭运输出用于由场起重机拾取。该集成数据包包括：(a)集装箱标识，(b) 集装箱清单，(c)与集装箱的内容物相关的原始数据或集装箱的内容物的处理后图像；(d)在潜在威胁材料或违禁材料的存在方面的集装箱的内容物的评估，或(e)海关或安保可以依其采取行动的清关(clear)信号或警报信号。

在附图、具体实施方式和权利要求书中详细描述了上述特征及其实施。

附图说明

图1示出了现代港口中集装箱码头的总体布局的示例。

图2示意性地示出了配备有扫描系统的集装箱港口码头的示例，该扫描系统被部署为基于所公开的技术扫描每个集装箱而不阻碍交通流量。

图3A示出了利用宇宙射线产生的μ介子(muon)来获取物体的图像的入口监视和其它检查应用的μ介子断层照相(tomography)扫描仪系统的示例。

图3B示出了利用宇宙射线产生的μ介子来检测物体的μ介子断层照相扫描仪系统的侧视图。

图4示出了μ介子断层照相扫描仪系统的详细透视图。

图5示出了根据一个实施例的被配置为检测宇宙射线带电粒子和伽马射线的漂移管(drift tube)模块的一部分的截面图；

图6和7分别示出了利用宇宙射线系统测量1000cm2的铀达1分钟的典型实验范围数据和多重库伦散射理论结果；

图8描绘了示出各种材料的理论能量损失率(dE/dx)和辐射长度(X) 的表格；以及

图9和10示出了根据替代实施例的适配为并布置为监视车辆和集装箱中的货物的入口监视系统。

图11、12和13示出了基于先验知识和已知参考背景图像的减去的μ介子断层照相技术。

图14A、14B、15A、15B、16A -16C、17和18示出了基于先验知识和已知参考背景图像的减去的μ介子断层照相技术的附加示例。

图19示出了带电粒子的阻止本领(stopping power)相对于带电粒子入射能量的示例。

图20示出了材料中能量损失测量以及测量的损失如何探测感兴趣体积中材料的性质的示例说明。

图21示出了基于在穿透的带电粒子和俘获的带电粒子两者中测量的信息的图3A中的系统的操作。

图22呈现了示出根据本文描述的一些实施例的标识暴露于宇宙射线粒子的感兴趣体积(volume of interest，VOI)的材料的过程的流程图。

具体实施方式

所公开的技术可用于以如下方式将集装箱扫描系统或模块以及得到的信息的流集成到现有的自动化集装箱港口中：使得能够扫描通过港口的集装箱而不减慢集装箱吞吐量从而也不减慢商业流通。在实施方式中，这种集成可以被配置为以对现有港口基础设施的小的或最小的修改以及以合理的低成本将集装箱扫描系统放置在集装箱处理过程中。

图1示出了现代港口中集装箱码头的总体布局的示例，其包括：(1)码头区域，用于处理从船只卸载集装箱或将集装箱装载到船只上的船只操作； (2)堆放场，用于涉及集装箱的存储或取回的各种操作；以及(3)内地区域，用于执行涉及处理和管理与诸如卡车或火车的地面运输相关联的集装箱和其它操作的内地操作，等等。

图1中的示例集装箱码头可以被设计为自动集装箱运输港口。船坞处的船舶或货船运载将在港口处卸货和分发的入境集装箱。自动船只起重机或码头起重机被用来将集装箱吊离船只。集装箱标识(ID)系统可用于从每个集装箱读取集装箱ID号。例如，光学读取器可用于自动读取集装箱的ID，并且该ID用于在集装箱经港口的整个通过期间标记该集装箱。为了将从码头区域的货船卸下的集装箱运输到堆放场用于进一步的处理，可以使用各种自动车辆将集装箱移动到堆放场中的期望位置，在该期望位置中区域被指定为用于保持集装箱以用于进一步处理的场堆。这种车辆的示例包括场卡车(yard trucks，YT)、跨车(straddle carriers，SC)或自动引导车辆(AGV)。AGV 是自动车辆，并且通过使用适当的导航机制来引导以在码头区域和堆放场中四处移动。在操作中，AGV可以将其自身定位在船只起重机下方以接收来自船只起重机的集装箱，并将其传送到特定场堆中的期望位置。如图1所示，堆放场被设计用于保持或存储按行堆放以被进一步处理的集装箱。每个集装箱行处于指定位置，并配备有一个或多个场起重机，每个场起重机可操作以沿集装箱行移动以在该行中的指定位置拾取或卸下集装箱。关于集装箱ID和其它集装箱信息的信息、以及关于集装箱行的位置和每行中的位置的信息被用作集装箱码头的自动化的一部分，使得船只起重机、AGV和场起重机能够自主操作。一旦AGV从船只起重机接收到集装箱，其基于集装箱信息将该集装箱运输到所选行的场起重机。该场起重机接着将该集装箱从该AGV移走，并将它部署在该行中。每行中的集装箱首尾相接平铺并堆放。一旦指派了公路卡车来拾取集装箱用于运输，场堆上的场起重机拾取集装箱并将其装载到卡车上，该卡车然后前进到港口的出口大门。整个操作由一台或多台计算机控制，其中除了卡车司机之外，存在最少的现场人员。

标准集装箱大小为8英尺宽、8英尺或9.5英尺高、且20英尺或40英尺长。在一些港口，根据集装箱流量，每个场堆可以由在5至10个之间的平行行组成；该行可以向上堆放，例如达4或5个集装箱高。在一些情况下，堆的每行可以包含大约25至50个集装箱，使得每个场堆可以保持从数百至或许两千TEU的集装箱。

通常，每个AVG一次处理单个集装箱，并且类似地，每个场起重机一次处理单个集装箱。堆中的每行具有最靠近船坞的码头端，其中AGV将集装箱放下以由场起重机放置在该行。AGV在船只起重机和场起重机之间行驶以运输集装箱。当场起重机从AGV接收到将要放置在堆中的集装箱时，场起重机升起集装箱，沿着场堆行驶到自动指定的位置，并将集装箱布置在自动指定的行中。接下来，场起重机返回到的堆的拾取端(最靠近船坞的一端)用于下一集装箱。

堆中的集装箱可以被进一步处理以经由诸如卡车或火车的地面运输而运出。可以操作场起重机来拾取被标识为由卡车运出的行中的集装箱并且将其放置在用于地面运输的交接点处。例如，卡车可以在该行的交接点接收该集装箱，然后前往集装箱码头的检查站和出口大门。

上述集装箱处理过程用于来自船只的入境集装箱。将由船只运出的出境集装箱的处理遵循按相反顺序的类似步骤：来自地面的集装箱在堆中的行的交接点处被放下，并且场起重机将它们放置在堆中的指定位置；接下来，场起重机拾取将要被运输的集装箱并将它们移交给AGV，AGV将它们运输到相应的船只起重机以被装载到船只上。

国家入境港口的入境集装箱经历接收管辖区内的有关当局的检查。例如，美国海关和边境保护局(CBP)要求对到美国的所有入境集装箱进行检查，同时在选择性基础上检查出境集装箱，例如某些高风险集装箱。在大多数集装箱码头中，集装箱检查需要检查扫描站，该检查扫描站被置于与堆的行分离的指定检查位置。这种检查扫描站使用一个或多个扫描机构，例如X射线扫描仪，来扫描携带集装箱的卡车，以确定是否可以对其清关用于地面运输。在这种布置下，检查过程是对于码头区域和堆放场处的入境集装箱处理的附加过程，因此增加了将集装箱从集装箱码头取出的附加延迟。

所公开的技术可以用于将集装箱扫描系统或模块物理地集成到现有的场堆基础设施中以及将集装箱扫描检查可操作地集成到场起重机操作运行时间中两者，而不需要对于例行集装箱扫描的附加时间，并且不减慢集装箱吞吐量。值得注意的是，为了安全起见，AGV和场起重机趋向于被操作为缓慢移动。在一些码头中，平均场起重机往返时间通常约为4分钟，这比AGV的平均往返时间更长。因为场起重机一次处理一个集装箱，但是可以接收与场堆中具有的行一样多的AGV，所以场起重机的操作可以是集装箱通过港口运输的限速步骤。所公开的技术利用在从AGV装载两个相继的入境集装箱之间的场起重机操作运行时间来执行场堆内的集装箱扫描检查，以提供有效的集装箱检查扫描。

图2示意性地示出了配备有扫描系统的港口中的集装箱码头的示例，该扫描系统被部署为基于所公开的技术扫描每个集装箱而不妨碍交通流量。图 2例示集装箱码头的布局，示出了基于图1中的集装箱码头的总体布局的码头区域中的一个或多艘船舶200和船只起重机201、堆放场区域中的AGV 202、场起重机203和场堆204、以及接收集装箱用于入境集装箱至其目的地的地面运输的卡车205。在图2中的具体示例中，集装箱扫描仪208(标记为“MMPDS”)作为场堆的一部分被嵌入，以在集装箱的例行处理期间提供集装箱扫描，而不需要用于检查的一个或多个单独的集装箱扫描站，并且也不增加指定用于集装箱扫描检查的附加处理时间。每个集装箱扫描仪208位于最靠近码头区域的一端的场堆的该端。在所示出的示例中，每个场堆包括标记为1到5的五列集装箱。一个或多个集装箱扫描仪208可以被集成到场堆中。最少而言，至少一个集装箱扫描仪208被放置在场堆的码头端，以在场起重机203的运行时间期间执行集装箱扫描。所有集装箱首先在场堆的码头端被卸下，并且在它们被场起重机203拾取以放置在场堆中或者装载在卡车205 上之前，由每个场堆中的一个或多个集装箱扫描仪208扫描。当运载已被扫描过的其集装箱的卡车在港口的主出口大门207处排列时，这些卡车由206 指示。

在一些实施方式中，每个集装箱扫描仪208可以包括集装箱穿梭机构，以从AGV202取得集装箱，将其滑行到集装箱扫描仪208中，然后将其从集装箱扫描仪208的另一端滑行出用于由场起重机203拾取。这样做是因为，在AGV的当前设计下，具有重的自重(tareweight)(例如，26公吨)的AGV 包含如此多的致密金属以至于其在集装箱扫描仪208内的出现将显著增加平均扫描时间，同时也使AGV在该时间内停止循环。几个AGV制造商也制造了可以适用于在此教导的用途的集装箱穿梭系统。

集装箱扫描仪208可以被配置为最好地满足具体港口的操作和成本要求。一个或多个集装箱扫描仪208可以被集成到每个场堆中。例如，场堆内的每一列可以具有其自己的集装箱扫描仪208，使得在如图2所示的具有5 列的每个场堆中可以有5个扫描仪。对于另一示例，每个场堆中的两列或更多列可以共享一个集装箱扫描仪208。最少而言，至少一个集装箱扫描仪208 被放置在场堆的码头端，以在场起重机203的运行时间期间执行集装箱扫描。吞吐量极高的港口可以配备有能够在每个场堆的端部并行扫描多个集装箱的集装箱扫描系统，以便跟上流量。例如，在图2中，一个集装箱扫描仪208 可以被配置为一次扫描平行排列的五个集装箱。例如，这种集装箱扫描仪208 可以包括基于从地球表面的宇宙射线自然产生的μ介子作为集装箱扫描中的μ介子源位于正在被扫描的体积上方和下方的平行平面中的μ介子检测器的阵列。因为宇宙射线从随机的天空方向到达，所以阵列覆盖了比检查体积的水平表面积更大的区域，以最大化通过检查体积的粒子的检测。作为示例，为了在单次扫描中扫描单个8×8×40英尺的集装箱，检测器区域在水平范围上应该大约为18×60英尺，以便俘获入射到该体积上的足够大的射线部分来有效地扫描集装箱。用于这种平行扫描操作的大型集装箱扫描仪208可以扫描并排设置的多个集装箱，其中集装箱之间具有期望的间隙(例如，3英尺)；然后检测器区域大约为50或60英尺宽×60英尺长。

在操作中，根据集装箱内容物、图像质量或检测置信度水平中的任何一个或多个，自动扫描系统可以在单独的控制下将每个集装箱留在扫描仪内达不同的时间量。在高峰时段繁忙的集装箱处理期间，集装箱可能等待场起重机的返回达相当长时间。这种等待时间为使用本专利文档中公开的技术来执行这种集装箱的安全扫描提供了机会，从而可以扫描100％的集装箱，而不妨碍港口的集装箱流量。在某些情况下，一些集装箱可以在4分钟或更短时间内穿过该设备，这与场起重机的往返速率相当，而需要延长扫描的偶有的集装箱可以保留在扫描系统内。

具有较小场堆和较低的平均吞及峰值吞吐量要求的较小港口可以配备较小的扫描系统，容纳并行的较少的集装箱：甚至可能是单个集装箱，如在标准MMPDS产品那样。

在较小的港口中，包括相比40英尺更多地处理20英尺的集装箱的港口，可以提供有诸如被设计成扫描单个20英尺集装箱的μ介子断层照相扫描系统的较小扫描仪。它可以测量仅40英尺长×18英尺宽。它还可以用于以半个集装箱的两次扫描来扫描40英尺的集装箱，来自两次扫描的组合数据的分析产生对货物内容的单个重建。这将为吞吐量较低的港口提供低成本实施方式。这种一半长度的集装箱也可以缩放以并排扫描多个集装箱。

在具有场堆中的集装箱扫描的以上公开的集装箱码头的操作中，作为一个示例，集装箱信息可以由港口和相邻但分离的海关/安保设施以以下方式使用。光学读取器或其它自动读取器可以被安装在船只起重机上以在集装箱从船只卸下时读取该集装箱的ID。ID可以与具有托运人、收件人和内容物信息的电子集装箱清单进行核对。该信息由港口使用或者由港口与集装箱清单结合使用，以在集装箱从船只到AGV到场堆和拾取其的卡车(或火车)的整个旅程期间跟踪该集装箱。当集装箱到达图2中的扫描系统208并且扫描完成时，系统将扫描结果附加到该ID，并且可选地，附加到集装箱清单，以创建扫描信息包。该扫描信息包被专门发送给位于港口设施外的海关和安保设施，因此使港口免受于涉及海关或安保运作。在扫描结果指示对于港口自身的紧急威胁的罕见情况下，在集装箱被移动之前，可以通过安保警告港口，并可以采取适当的行动。

如上所述在集装箱港口中实施扫描系统所需的物理基础设施可以按各种配置。物理基础设施包括安装扫描系统和对其供电以及根据需要保护扫描系统免受环境影响所需要的土木和电气工程。它还包括自动穿梭设备的并入以将集装箱从AGV放入扫描系统中，然后取出用于由场起重机拾取。如上所述在集装箱港口中实施扫描系统所需的计算和通信基础设施被当作被包括在本发明中。它包括位于扫描系统中、位于场外海关/安保设施处、以及根据需要位于港口的运营总部处的计算机。它包括在计算机中运行以控制扫描系统的软件，以及与港口和海关/安保系统的接口。通信基础设施包括在实施方式中在物理和计算硬件之间的和与港口和海关/安保系统的接口中的所有有线、光学和无线连接。至此，对货物集装箱的任何检查已经在港口的出口之外在国家海关和/或安保服务的控制下的区域中进行。这认识到私营部门港口尽可能有效地运输货物的职责与政府征收关税和排除包括危险设备和材料的违禁品的职责之间的分离。为了促进商业流通，大多数集装箱只通过货物清单的审查而被检查。只有当清单或其它情报引起怀疑时，才进行经由诸如扫描系统的技术手段或经由人工拆包和检查的进一步检查。

为了保持职责的分离并避免运输违禁品的责任，港口不愿意接触由货物集装箱检查所产生的任何信息。这是他们在历史上拒绝在港口场所定位任何扫描系统的附加原因。

描述了使能够在不减慢港口吞吐量和不使港口承担责任的情况下检查每个货物集装箱的扫描系统部署和操作配置。该配置将扫描系统的阵列放置在港口中，在提供最大扫描时间而不减慢吞吐量的位置处。该配置还将链接到集装箱标识(ID)信息的扫描结果直接路由给在港口之外的海关和安保单位，使得港口不接触该信息。因此，这种配置很好地在可疑集装箱到达之前警告海关和安保需要进一步调查。该配置还很好地在清关的集装箱到达之前通知海关和安保其可以继续其路线而没有任何延迟。

适合于上述集装箱码头的一种集装箱扫描技术是μ介子断层照相扫描仪。以下部分关于集成到如图2所示的集装箱码头的用于集装箱扫描的这种扫描仪的技术信息。可以通过各种方法来检测诸如核材料的具有高原子量的材料。一种值得注意的技术是μ介子断层照相，其利用高穿透宇宙射线产生的μ介子的散射来执行材料的非破坏性检测而不使用人工辐射。地球不断受到来自外层空间的高能稳定粒子、主要是质子的轰击。这些粒子与高层大气中的原子相互作用产生包括短寿命的π介子(pion)的粒子簇射，该π介子衰变产生较长寿命的μ介子。μ介子主要通过库伦力与物质相互作用，而没有核相互作用。μ介子辐射能量远不如电子容易，并且由于通过电磁相互作用的散射而损失能量。因此，许多宇宙射线产生的μ介子到达地球表面作为高穿透带电辐射。海平面上的μ介子通量约为每分钟每平方厘米1个μ介子。

μ介子断层照相利用宇宙射线产生的μ介子作为探测粒子，并且测量穿透被检查的目标物体的这种μ介子的散射。在μ介子穿过目标物体的材料时，亚原子粒子电荷的库仑散射干扰其轨迹。总偏转取决于几种材料性质，但主要影响是原子核的原子序数Z。与构成诸如水、塑料、铝和钢的更普通物体的材料相比，轨迹受到发生良好的伽马射线屏蔽的材料(例如，诸如铅和钨) 以及受到特殊核材料(special nuclear material，SNM)即铀和钚的影响更强。每个μ介子携带关于其已经穿过的物体的信息，并且多个μ介子的散射的测量可以用来探测这些物体的性质。例如，当材料位于低Z和中等Z物质内部时，可以检测和标识具有高原子序数Z和高密度的材料。

基于宇宙射线产生的μ介子的μ介子断层照相扫描仪依赖于来自天空的μ介子的自然密度，其是不能人工增加的。因此，在来自天空的进入的 (incoming)μ介子的这种限制下，μ介子断层照相扫描仪需要让物体暴露于来自天空的μ介子的自然流量达最少的一段时间，以确保足够数量的μ介子穿透被检查的物体并由被检查的物体散射来生成具有足够细节的μ介子断层照相图像，以使够标识物体和/或与从周围杂波相区分。这种操作被称为成像扫描，并且这种扫描的持续时间由特定质量的μ介子断层照相图像所需的暴露于μ介子的时间来决定。长的扫描时间提供比利用短的扫描时间获取的图像更多的图像细节。在实际的检查系统中，μ介子断层照相扫描仪的这一方面带来了在检查的吞吐量和检查的可靠性之间的权衡。某小部分的车辆将包含屏蔽、辐射发射材料或其它材料的怀疑配置，增加了对存在威胁的质疑。例如，如果90％的车辆不包含怀疑配置，并可以在30秒内被清关，并且10％的车辆包含可疑配置，需要一分钟来清关，则平均吞吐量为每次扫描33秒。 10％的扫描确实持续达60秒，但是平均吞吐量几乎不受影响。

这种μ介子断层照相扫描仪的一种实施方式将在车辆检查站一次检查一辆车，每辆车都经历相同的扫描时间，该扫描时间足够长以提供充足的图像细节以高水平的置信度肯定地辨别和/或标识核材料(和/或屏蔽)。这可能不必要地降低车辆检查吞吐量，因为大部分车辆不太可能携带可疑核材料，因此不需要像可能携带可疑屏蔽或核材料的少数车辆一样接受相同级别的审查。这种检查系统是不期望的，特别是在具有高日流量的检查站处。

μ介子断层照相扫描仪是在各种应用中检测某些物体或诸如核材料的材料的存在以及获取这种物体的断层照相信息的粒子检测设备，该各种应用包括但不限于针对范围可以从完全组装的核武器到少量高屏蔽核材料的核威胁物体而在安全检查站、边境口岸和其它位置检查包裹、集装箱、车辆、船只或飞机。

例如，粒子检测系统可以包括：物体保持区域，用于放置待检查物体(诸如车辆、货物集装箱或包裹)；第一组位置敏感μ介子检测器，位于物体保持区域的第一侧以测量朝向物体保持区域的入射μ介子的位置和方向；第二组位置敏感μ介子检测器，位于物体保持区域的与第一侧相对的第二侧以测量离开物体保持区域的离开的(outcoming)μ介子的位置和方向；以及信号处理单元，其可以包括例如微处理器以接收来自第一组位置敏感μ介子检测器的进入的μ介子的测量信号和来自第二组位置敏感μ介子检测器的离开的μ介子的测量信号的数据。作为示例，第一组和第二组粒子检测器中的每一组可以被实施为包括漂移管，该漂移管被布置为允许在第一方向上的至少三个带电粒子位置测量以及在不同于第一方向的第二方向上的至少三个带电粒子位置测量。信号处理单元被配置为基于测量的μ介子的到来和离开的位置和方向来分析由物体保持区域内的材料引起的μ介子的散射行为，以获取物体保持区域内的散射中心的断层照相剖面(profile)或空间分布。所获取的散射中心的断层照相剖面或空间分布可用于揭示物体保持区域中存在或不存在包括核材料或设备的一个或多个物体，比如具有高原子序数的材料。每个位置敏感μ介子检测器可以以各种配置实施，包括使用诸如填充有能够被μ介子电离的气体的漂移管的漂移单元。这种系统可用于利用自然宇宙射线产生的μ介子来检测物体保持区域中的一个或多个物体。

如下文将更详细解释的，在具体说明性实施例中，粒子检测系统可以利用漂移管来使能穿过体积的带电粒子、诸如μ介子的跟踪以及中子粒子的同时检测。可以将这种带电粒子检测器用于使用与由入射到地球大气中的宇宙射线产生的带电粒子不同的带电粒子的跟踪和成像中。一般来说，这些带电粒子检测器可应用于来自适当源的任何带电粒子。例如，μ介子可以由宇宙射线或来自加速器的低强度μ介子束而产生。

在入口监视和其它检查类型用途的应用中，说明性实施例提供了使能够以降低的成本和提高的效率实现强健的核材料检测的方案。此外，该方案可以提供能够通过测量潜在屏蔽的包裹的不存在和辐射特征(signature)的不存在两者而确定给定车辆或货物是否没有核威胁的辐射入口监视。

附图中示出的说明性实施例的μ介子断层照相扫描仪采用利用漂移管的宇宙射线产生的带电粒子跟踪。如下文将更详细解释的，μ介子断层照相扫描仪可以利用漂移管来使能跟踪穿过体积的不同种类的带电粒子、诸如μ介子的跟踪以及通过提供由漂移管包含的恰当气体混合物的伽马射线检测。有利的是，这些入口监视系统可以有效提供宇宙射线照相(radiography)装置与无源或有源伽马辐射计数器的组合功能，以提供对于核威胁的强健检测器。这消除了对于用于分别感测μ介子和伽马射线的两个单独的仪器的需要。在该系统的实施方式中，伽马射线或中子源可以被包括在该系统中，以使能车辆的有源探询(interrogation)而不仅仅是无源探询，从而提供伽马射线计数率的可检测的增加。

被设计成根据从不同方向取得的多个投影来构建物体的图像或模型的断层照相方法可以在宇宙射线系统中实施，以基于由μ介子提供的数据来提供感兴趣体积的离散断层照相重建。在一些实施方式中，蒙特卡罗模拟技术可用于研究应用并缩短扫描时间。其它随机处理方法也可以用在实施μ介子断层照相成像中。

参考适配为检测宇宙射线产生的带电粒子的检测系统的示例，比如图 3A、图3B和图4所示的，可以更容易地理解实施例的粒子检测系统的宇宙射线照相功能，这些检测系统使用它们自己的参考编号，这与以上图2中的参考编号没有关系。

图3A示出了利用宇宙射线产生的μ介子来检测物体的μ介子检测系统。系统1包括位置敏感μ介子检测器7的一组两个或更多个平面3，该平面布置在待成像的体积5上方用于提供进入的μ介子轨道9的位置和角度(即，3 -D空间中的方向)。μ介子检测器7被配置为测量进入的μ介子轨道9相对于两个不同方向的、例如在沿着x轴和y轴的两个正交坐标中的位置和角度。μ介子穿过物体2可能位于其中的体积5，并且被散射到取决于占据它们穿过的体积的物质2的一程度。位置敏感μ介子检测器8的另一组两个或更多个平面4被配置为记录离开的μ介子位置和方向。检测器7和8中的漂移管被布置成允许在第一方向上的至少三个带电粒子位置测量以及在不同于第一方向且可以与第一方向正交的第二方向上的至少三个带电粒子位置测量。侧面检测器(未示出)可用于检测更加水平取向的μ介子轨道。每个μ介子的散射角从进入的和离开的测量来计算。每个漂移管可以包括不可燃气体，比如氩气、二氧化碳和四氟甲烷(CF₄)的混合物。

在系统1中提供信号处理单元，例如计算机，以接收由检测器7对进入的μ介子和由检测器8对离开的μ介子的测量信号的数据。该信号处理单元被配置为基于测量的进入的和离开的μ介子的位置和方向来分析μ介子在体积5中的散射，以获取反映体积5内的散射强度或辐射长度的断层照相剖面或散射密度的空间分布。所获取的体积5内的断层照相剖面或散射密度的空间分布可以揭示物体2在体积5中的存在或不存在。图3A示出了漂移管检测器7和8位于体积5的顶侧和底侧。在一些实施方式中，可以在体积5的侧面上实施附加的漂移管检测器，以形成包裹、车辆或货物集装箱可以进入其中以由系统扫描的盒子或四面结构。在一些实施例中，断层照相剖面或空间分布可以是二维图像。在一些实施例中，断层照相剖面或空间分布可以是三维图像。

由图3A中的系统1和本申请中描述的其它系统的处理单元对被检查体积(例如，包裹、集装箱或车辆)中宇宙射线产生的μ介子的测量的处理可以包括重建带电粒子(诸如，μ介子)穿过体积5的轨迹，基于来自检测器7 的信号测量进入的μ介子的动量，基于来自检测器8的信号测量离开的μ介子的动量，并确定体积5的散射密度的空间分布。这些和其它处理结果可用于构建断层照相剖面并测量体积5的各种性质。

例如，重建穿过具有一组漂移单元的检测器的带电粒子的轨迹可以包括： (a)获取表示被带电粒子撞击(hit)的漂移单元的标识符的撞击信号和相对应的撞击时间；(b)将被标识为与穿过所述检测器的特定带电粒子的轨道相关联的漂移单元撞击在时间上分组；(c)初始估计对于所述特定带电粒子撞击漂移单元时的时刻的时间零值；(d)基于时间零值的估计、漂移时间转换数据和撞击的时间来确定漂移半径；(e)拟合对于与特定时间零值相对应的漂移半径的线性轨道；以及(f)搜索和选择与对特定带电粒子执行的最佳轨道拟合相关联的时间零值，并计算时间零值中的误差和跟踪参数。基于时间零点拟合的这种轨迹重建提供了穿过带电粒子检测器的带电粒子的重建的线性轨迹，而不必使用快速检测器(诸如，具有闪烁器桨(paddle)的光电倍增管)或检测μ介子穿过装置到最近的几纳秒的一些其它快速检测器来提供时间零点。

此外，例如，用于基于来自检测器的信号测量进入的或离开的μ介子动量的处理可以包括：(a)配置多个位置敏感检测器以散射穿过其中的带电粒子；(b)测量带电粒子在位置敏感检测器中的散射，其中测量散射包括获取散射带电粒子的至少三个位置测量；(c)根据位置测量确定带电粒子的至少一个轨迹；以及(d)根据至少一个轨迹确定带电粒子的至少一个动量测量。该技术可用于基于带电粒子的轨迹来确定带电粒子的动量，该带电粒子的轨迹根据位置敏感检测器自身中带电粒子的散射来确定，而无需在检测器中使用附加的金属板。

此外，例如，体积的散射密度的空间分布可以通过以下从带电粒子断层照相数据而确定：(a)获取与穿过物体体积的带电粒子的散射角度和估计的动量相对应的预定带电粒子断层照相数据；(b)提供带电粒子散射的概率分布以用在期望最大化(ML/EM)算法中，该概率分布是基于统计的多重散射模型；(c)使用期望最大化(ML/EM)算法确定物体体积密度的实质最大似然估计；以及(d)输出重建的物体体积散射密度。重建的物体体积散射密度可用于从重建的体积密度剖面中标识占据感兴趣体积的物体的存在和/或类型。各种应用包括用于在其中车辆或货物可以被μ介子跟踪器扫描的各种国土安全检查应用的宇宙射线产生的μ介子断层照相。

信号处理单元的断层照相处理部分可以在与检测器7和8相同的位置处的计算机中实施。可替代地，信号处理单元的断层照相处理部分可以在诸如私有网络或公共网络、比如因特网的计算机网络上连接的远程计算机中实施。远程计算机可以位于场外(offsite)海关或安全设施处。远程计算机可以接收可以包括来自μ介子断层照相扫描仪的原始数据的集成数据包，使得信号处理单元的断层照相处理部分可以处理该原始数据并生成二维图像或三维图像。远程计算机还可以接收可以包括以下项目中的任意一个或多个的集成数据包：集装箱标识、集装箱清单、与集装箱内容物或集装箱内容物的处理图像相关的原始数据的任意一项、集装箱内容物的评估、响应于确定集装箱中不存在潜在威胁材料或违禁品材料的清关信号、或者响应于评估集装箱中存在潜在威胁材料或违禁品材料的警报信号。清关信号或警报信号允许海关或安保部门采取某些行动。例如，在清关信号的情况下，集装箱可以从扫描系统中穿梭运输出来用于由场起重机拾取。

因此，宇宙射线产生的μ介子的多重散射可用于选择性地检测正常货物背景中的高Z物质。有利的是，这种技术是无源的，不会在背景之上传送任何辐射剂量，并且对高Z密度材料具有选择性。

图3B示出了利用宇宙射线检测物体的另一检测系统的侧视图，该系统 100具有位于样品109上方的μ介子检测器107的两个平面103和位于样品 109下方的μ介子检测器108的两个平面104。在系统100中，103和104的每一个中的μ介子检测器的两个平面以27cm的间隔分离。

图4示出了另一带电粒子检测器200的详细透视图，其中位置敏感检测器203被布置在样品支架平面211上方，并且位置敏感检测器204被布置在样品支架平面211下方。每组位置敏感检测器包括在X方向上布置的漂移管 203或204的第一双层220和在Y方向上布置的漂移管203或204的第二双层221。在层220、221的每一个中，漂移管203或204被布置成两排，彼此偏移半个管直径。

漂移管模块203和204可操作以检测宇宙射线产生的μ介子和伽马射线两者。在图4的系统中，漂移管模块由12英尺长的铝漂移管组成，这些铝漂移管被配置为测量X和Y坐标方向上的进入的和离开的μ介子轨道的位置和角度。检测器中的铝提供了相当大的质量，在其中伽马射线和高能电子被吸收或散射。这些过程中产生的高能电子在漂移管中以与检测更多高能宇宙射线相同的方式在本地被检测。

管可以以不同的方式布置。例如，层不需要彼此成90度，而是可以成较小的非零角度。同样作为示例，顶层可以处于0度，中间层与第一层成45度，第三层与第一层成90度。这将允许对同一时刻发生的多个轨道的分辨 (resolution)。

此外，代替图2的检测器的布置，可以采用能够散射穿过其中的带电粒子并提供总共至少三个单独的位置测量的其它位置敏感检测器布置。需要至少3个位置测量，以便使能够实现具有自由参数的线拟合，可以根据该线拟合跟踪粒子。

在一个示例实施方式中，数据采集(acquisition)电子器件212可操作地耦合到漂移管。图4的检测器系统200的漂移管连接到相应的电子放大器(未示出)，这些电子放大器增加(与穿过漂移管的宇宙射线产生的μ介子关联的) 沉积(deposited)信号的电压。对于每个漂移通道，利用称为鉴别器的一电子器件(如果有撞击则开启，如果没有撞击则关闭)将放大的信号转成数字信号，这保留了精确的撞击时间。放大器和鉴别器的这种组合是“前端”电子器件。登记数字信号到最近的纳秒的时间和通道号由时间-数字转换器 (TDC)。每个漂移管具有其自己的前端电子器件和TDC。在一些实施例中， TDC可以执行自动阈值处理(thresholding)。该自动阈值处理可以通过适当改变检测到管脉冲命中撞击时的阈值水平来对具有在统计上高或在统计上低的撞击的管进行阈值调整。TDC可以发送用于性能监视目的的最低管撞击率、高电压状态和同步状态。

为了处理来自漂移管的信号，前端电子器件可以是定制。模拟到数字电子电路标识在漂移管的导线上的电流脉冲。该电路将该脉冲转换成与导线上电流的电流阈值的交叉相对应的数字电平。这些数字电平在TDC中被时间标记(time-tag)，并传送到CPU以用于进一步处理。数据被处理以标识宇宙射线事件。候选μ介子轨道事件被处理以重建在μ介子穿越检测器时其测量的轨迹。事件数据、轨道数据和相关诊断数据也存储在硬盘上。由图4的系统的数据采集单元或链接到其的其它信号处理单元对被检查体积(例如，包裹、集装箱或车辆)中宇宙射线产生的μ介子的测量的处理可以类似于以上针对图3A的系统所解释的那些。例如，处理测量可以是重建μ介子穿过体积的轨迹，基于来自检测器的信号测量进入的μ介子的动量，基于来自检测器的信号测量离开的μ介子的动量，以及确定体积的散射密度的空间分布。

有利地，图4中的系统200可以选择性地从宇宙射线产生的μ介子的多重散射检测占据体积的放射性材料的高密度屏蔽，同时还对从放射性材料发射的伽马射线计数。除了检测诸如铅、金、钨、铀和钚的高密度材料之外，系统还可用于检测诸如钢、铁和铜的中等密度材料，以及诸如水、塑料、混凝土和铝的低密度材料，尽管精度略低于高密度材料。这种能力可以允许扫描仪检测、鉴别和/或标识与核材料和屏蔽不同的物体。

此外，其它扫描系统可用于实施图2中的集装箱码头中的集装箱扫描操作。图2中的嵌入的集装箱扫描仪208的各种特征的示例部分地提供在申请人的在先专利文档中：题为“Material Discrimination Using Scattering and Stopping of Muons andElectrons”的美国专利公开No.US 2016/0041297A1、题为“Particle Detection andApplications in Security and Portal Monitoring”的美国专利No.8,247,767B2、题为“Imaging and Sensing Based on Muon Tomography”的美国专利No.8,288,721B2、以及题为“Imaging Based On Cosmic-Ray Produced Charged Particles”的美国专利No.8,536,527B2，其全部内容通过引用整体并入本文以用于所有目的。

以下部分提供了可以在所公开的集装箱码头中实施的扫描仪特征的示例。

图5示出了漂移管模块204的一部分的截面图，该漂移管模块204适合于构建用于所公开的集装箱码头的在图3A、图3B和图4所示的利用宇宙射线产生的μ介子的μ介子检测系统中使用的检测器。在该具体示例中，漂移管模块是圆柱形的，并且填充有诸如氩-异丁烷230的检测器气体，以使能够检测宇宙射线产生的带电粒子，诸如μ介子。系统被配置为将大约+2-3kV 的正高压施加到沿圆柱形管的长度延伸的中心阳极导线231，管接地，从而也存在高压静电场。当带电粒子与气体原子相互作用时，许多电子233沿着带电粒子的直线路径通过管的弦(chord)从这些原子中释放。静电场使得电子“串”朝着带正电荷的阳极导线漂移，利用数据采集电子器件212的TDC(时间到数字转换器)将其电子地读出。

虽然在图5的说明性实施例的漂移管中，检测器气体是氩-异丁烷230，但是其它工作气体混合物可以是氩/二氧化碳或氩/异丁烷/二氧化碳，并且可以包括诸如甲烷、丙烷、戊烷等的碳氢化合物。工作气体混合物的一个示例是10％甲烷，90％氩气。此外，可替代地，可以采用诸如氩气-二氧化碳-四氟甲烷(CF4)的不可燃气体混合物作为工作气体。此外，乙烷或其它气体也可用在气体混合物中。例如，5％的乙烷、45％的CF4和50％的氩气的混合物是适当的不可燃工作气体。在气体混合物中可以使用除氩气以外的惰性气体。

此外，虽然图5的漂移管由铝制造，但是可以采用诸如具有内部导电涂层的碳复合材料的其它材料来代替铝。漂移管不需要具有圆形横截面。例如，漂移管可以由具有多个非圆形横截面的铝挤压件构成。

可替换地，可以采用除漂移管以外的漂移单元，诸如例如三角形漂移单元。

图6和7分别示出了利用宇宙射线产生的μ介子检测系统测量1000cm3 的铀达1分钟的示例性实验范围数据和多重库伦散射理论结果。这些测量和计算表明，带电粒子(μ介子)断层照相比先前在埃及金字塔中搜索隐蔽室和测量地质覆盖层时使用的范围射线照相术敏感得多。

参考图8的表格，该表格示出了各种材料的理论能量损失率(dE/dx)和辐射长度(X)。基于10厘米的铁立方体和10厘米的铅立方体的不同X值，一分钟的计数以6个标准偏差来区分它们。

图9示出了根据一个实施例的粒子检测系统300，该粒子检测系统300 适配并布置成监视在港口和过境口岸(border crossing)处的车辆和集装箱中的货物。粒子检测系统300使用具有多个检测器漂移管303的μ介子断层照相系统，该检测器漂移管303被配置为跟踪由占据体积306的车辆306的货物或内容物散射的宇宙射线产生的μ介子304，并且被配置为同时检测从车辆内容物发射的任何中子314。系统300可用于针对核威胁物体而检查在过境口岸处被占据的车辆，这些核威胁物体的范围可以从完全组装的核武器到少量高屏蔽的核材料。系统300可用于在少于30秒内通过无危害车辆，在少于60秒内检测几千克的高浓缩铀(HEU)(屏蔽或非屏蔽的)，并在少于60 秒内检测钚或HEU核设备(屏蔽或非屏蔽的)。

有利地，使用漂移管303无源地计数从车辆306或集装箱(未示出)发射的伽马辐射312并跟踪散射的宇宙射线产生的带电粒子304使得系统能够以短扫描时间和无剂量辐射地照相对集装箱或占据的客车的无源扫描。

根据一个实施例的操作图9的粒子检测系统(诸如，入口监视系统或扫描系统)300的方法涉及利用漂移管303检测进入的和离开的宇宙射线产生的带电粒子304以及任何伽马射线312。然后计算带电粒子的多重散射以选择性地检测占据体积305的材料，特别是高密度材料。可以由数据采集电子器件计数从体积发射的伽马射线312，以检测是否有任何放射源正占据体积 305。

在替代实施例中，提供了入口监视系统(未示出)，除了以下之外该系统与图9的入口监视系统300相同：该系统还包括在装置内的伽马射线或中子源以使能进行对车辆的有源探询而不仅仅是无源探询，从而提供伽马射线计数率的可检测的增加。在一些实施例中，可以由信号处理单元控制伽马射线或中子源的操作。

图10示出了根据另一替代实施例的粒子检测系统(例如，入口监视系统)。系统400与图9的系统300类似在于其被配置为无源地计数从车辆发射的伽马辐射并跟踪散射的宇宙射线产生的带电粒子404。漂移管检测器阵列 403是16英尺长以使能够探询卡车405，但是取决于被扫描的物体，其也可以是其它长度。为了获取速率的主要增益，可以通过填充(fill out)漂移管检测器403来增加立体角。此外，该系统被配置为使用跟踪残差404B用于动量测量。

在另一替代实施例中，与图9的系统300相同的入口监视系统具有漂移管，该漂移管有利地被进一步密封，以通过消除对气体处理系统的需要来降低系统的成本和复杂性。

钚和武器级铀都两者是来自天然中子背景的放大(“裂变链”)或者来自材料中的个别自发裂变的中子来源。粒子跟踪系统300在构造上类似于图4 的系统200，并且在系统300中，漂移管被布置成围绕待扫描体积305形成盒子或四面结构315。

在一种实施方式中，漂移管可以被设计成包括中子敏感介质，以使漂移管能够同时检测从运输集装箱或车辆306发射的任何中子。中子敏感介质可以包括氦-3、硼或锂，并且可以是固体、液体或气体形式。诸如含氢有机材料(诸如，聚乙烯和石蜡)或水的含氢材料可以用来俘获和限制中子，使得它们多次穿过漂移单元，并与正在扫描的材料或设备隔离。这样的含氢材料还可以通过减慢中子来减缓中子能量，以通过非常大的因素增加它们的相互作用截面。硼或硼化合物可以富含同位素硼-10，并且锂或锂化合物可以富含同位素锂-6。漂移管的工作气体可以包括氩气和从二氧化碳、异丁烷、四氟甲烷和乙烷构成的组中选择的至少一种气体的混合物，以使能对伽马射线计数，从而在使用中，该系统可以根据从其发射的伽马射线另外检测占据体积的任何放射源。

漂移管还可以被配置为包括伽马射线散射固体材料以使能检测伽马射线。氦-3可以被添加到这些气体中的任何一者，以允许由同一漂移管同时检测中子。如果漂移管仅包含氩和四氟甲烷，则可以添加可能有利地富含同位素硼-10的三氟化硼以允许由同一漂移管同时检测中子。可替换地，中子检测器可以利用为此目的而优化的、不同于用于检测带电粒子(μ介子)的漂移管的漂移管。

中子的检测可以通过多种方式来实现。在图9的说明性示例中，跟踪漂移管303的工作气体包括氦-3(3He)的分压，该氦-3(3He)构成中子敏感介质，以使漂移管能够同时检测任何中子。例如，工作气体可以是氦-3(3He)、乙烷、四氟甲烷和氩气的组合。检测器还可以将氦-3(3He)与其它不同组的填充气体组合使用。

宇宙μ介子射线检测和中子检测功能的这种组合使用在图9中示出。在普通电子器件中见到中子作为比μ介子的脉冲大得多的脉冲。这是由于中子与氦-3相互作用产生的质子或中子与硼-10或锂-6相互作用产生的大量带电粒子的高能量损失率。漂移管303可以被进一步密封，以通过消除对气体处理系统的需要来降低系统的成本和复杂性。该系统还可用于以与图4的系统 200相同的方式检测伽马射线312。

使用漂移管303无源地计数从车辆306或集装箱发射的中子和可选的伽马粒子314并跟踪散射的宇宙射线产生的带电粒子304(μ介子)使系统除了能够宇宙射线成像之外，还能够用作对由威胁物体发射的辐射的有效监视器，提供更紧凑且成本有效的检测器系统以在过境通道和港口查找核设备和材料。将中子敏感介质添加到跟踪漂移管303提供了有效的选择性中子检测，而对μ介子跟踪没有影响，并且允许检测车辆和集装箱中的未屏蔽中子源。与使用单独的系统检测中子和对车辆进行射线照相相比，这有多种益处。例如，单个检测器系统比几个系统更便宜。再例如，系统占用有限的较小空间。作为第三示例，检测器系统可以提供独立于μ介子信号的关于中子源的定位信息。根据一个实施例的操作图9的粒子检测系统300的方法涉及利用漂移管303检测进入的和离开的宇宙射线产生的带电粒子304以及任何伽马射线 312。然后计算带电粒子的多重散射以选择性地检测占据体积305的材料，特别是高密度材料。由数据采集电子器件(未示出)计数从体积305发射的任何中子粒子以检测是否有任何未屏蔽的中子源正占据该体积。也可以由数据采集电子器件计数从该体积发射的任何伽马射线312以检测是否有任何放射源正占据体积305。

可替代地或附加地，中子敏感介质可以是中子敏感材料的固体层或区域，而不是气体介质。具有阳极导线的漂移管包括布置在漂移管内壁上的导电中子敏感层。中子敏感层可以是例如锂或硼的导电化合物。中子敏感层604可以与或不与检测器气体中的氦-3(3He)结合使用。在替代实施例中，包括中子敏感材料的漂移管或其它漂移单元不需要被布置为形成如图9所示的四面结构。例如，中子敏感漂移管可以被布置为形成顶侧和底侧结构，诸如图4 的检测器系统200的顶侧和底侧结构。在又一替代实施例中，提供了粒子检测系统(未示出)，除了以下之外该系统与图9的粒子检测系统300相同：该系统还包括在装置内的伽马射线和/或中子源，以使能进行对车辆的有源探询而不仅仅是无源探询，从而提供伽马射线和/或中子计数率的可检测的增加。

说明性实施例表明，宇宙射线照相与无源或有源计数的组合因此提供了对于核威胁的强健的检测器。仅仅通过将核材料包装在太小而不能被射线照相分辨的包裹中就能击败传统的射线照相。通过利用高z材料来屏蔽材料可以击败无源计数。屏蔽使得威胁在射线照相上变为可见，并且在许多情况下散射材料增强了无源性质。结合这些技术允许人们通过测量潜在屏蔽的包裹的不存在和辐射性质的不存在来确定给定车辆是否没有威胁。

用于实施所公开的集装箱码头的利用宇宙射线产生的μ介子来检测的物体的μ介子检测系统可以被配置为使用各种成像技术。跟踪穿过的带电粒子、诸如μ介子提供了一种确定集装箱内容物的机制。也可以使用其它机制。例如，减除技术可用于增强μ介子断层照相数据的处理。当对短曝光数据集(例如，几个体素(voxel)被少于几个μ介子穿越)执行重建时，来自厚的中等 Z物体的大的集成散射被放置在单个体素中是常见的。对于跨几个体素产生几个μ介子穿越整个大的中等Z物体的较长曝光，核密度可以适当分布在物体的体积上。在低威胁密度阈值下，发现这些短曝光重建具有威胁性是常见的，延长了清关无危害场景所花费的平均时间。某些背景减除算法的实施减轻了此问题，极大地降低了清关无危害场景的平均时间。

在一个方面，一种粒子检测系统被描述为包括：第一组位置敏感μ介子检测器，位于物体保持区域的第一侧以测量朝向物体保持区域的入射μ介子的位置和方向；第二组位置敏感μ介子检测器，位于物体保持区域的与第一侧相对的第二侧以测量离开物体保持区域的出射μ介子的位置和方向；以及信号处理单元，其可以包括例如微处理器以接收来自第一组位置敏感μ介子检测器的进入的μ介子的测量信号和来自第二组位置敏感μ介子检测器的离开的μ介子的测量信号的数据。该信号处理单元被配置为基于测量的μ介子的进入的和离开的位置和方向来分析由在物体保持区域内的材料中的μ介子散射所引起的μ介子的散射行为，以获取物体保持区域内的断层照相剖面或散射中心的空间分布。所获取的断层照相剖面或散射中心的空间分布可用于揭示物体保持区域中存在或不存在一个或多个物体，比如具有高原子序数的材料，包括核材料或设备。每个位置敏感μ介子检测器可以以各种配置实施，包括诸如填充有能够被μ介子电离的气体的漂移管的漂移单元。这样的系统可用于利用自然宇宙射线产生的μ介子作为μ介子源来检测物体保持区域中的一个或多个物体。在一种实施方式中，信号处理单元可操作以从所获取的被检查的物体、货物或车辆的宇宙μ介子图像中减去表示物体保持区域中被检查的物体、货物、集装箱或车辆的背景的参考宇宙μ介子图像，以获取减除后图像；并且处理减除后图像以确定被检查的物体、货物或车辆是否包含不存在于参考宇宙μ介子图像中的目标物体。

在另一方面，提供了用于使用天然宇宙μ介子作为辐射源来获取被检查的物体、货物或车辆的μ介子断层照相图像的方法。该方法包括获取被检查的物体、集装箱、货物或车辆的一个或多个宇宙μ介子图像；从所获取的被检查的物体、集装箱、货物或车辆的宇宙μ介子图像中减去代表被检查的物体、货物或车辆的背景的参考物体、集装箱、货物或车辆的参考宇宙μ介子图像，以获取减除后图像；以及处理该减除后图像以确定被检查的物体、集装箱、货物或车辆是否包含不存在于参考宇宙μ介子图像中的目标物体。

在另一方面，使用μ介子断层照相的检查方法，包括：使用μ介子传感器扫描车辆或货物集装箱以获取μ介子断层照相成像数据；根据μ介子断层照相成像数据创建车辆或货物集装箱的重建；从车辆或货物集装箱的重建中减去对于该车辆或货物集装箱的已知背景模型的重建以获取减除后图像；以及分析该减除后图像以检测目标物体是否存在于车辆或货物集装箱中。

先验知识的使用大大加速了对威胁物体的标识。当没有采取先验知识并且使用了50％动量知识时，用于这些接收者操作特性(ROC)曲线的数据集上具有零假阳性(falsepositive)的90％检测需要～60秒的计数时间。当在给定时间内空货车的多次重建的平均被平均并从货物场景中被减去时，对于短扫描时间的假阳性率显著降低。部署的设备将在数据库中具有关于常见车辆模型的等效信息。下面在图11中示出了使用3西格玛减除(逐个体素地减去对于给定扫描时间的一组统计上独立的重建中的平均空货车重建加上标准偏差的3倍)获取的最大重建值的直方图，并且在图12示出了ROC曲线。利用此过程，30秒ROC曲线变得近乎完美。图13中示出了所需的检查时间的绘图，其比较了对于上述场景的混合不使用先前知识(实线)、使用直减除(虚线)和使用3西格玛减除(点划线)的平均检查时间。

虚线示出了在计算ROC曲线之前从每次运行中减去许多空货车场景的平均值所获取的结果。这降低了来自无危害场景的信号的平均水平，并得到平均扫描时间减少两倍。点划线是通过每次从重建中减去平均信号加三个标准偏差(三个西格玛)获取的。这在统计波动导致假阳性是最有可能的高密度区域中过度减除。这种方法将检查时间减少了近似额外两倍。

将散射信号归因于适当的体素邻域的模糊性在离散曝光时间产生一致的效果，但是不容易随时间表征。一种解决方案是对于离散曝光时间开发独立的背景模型。然后，可以从对场景执行的重建中减去曝光时间相关的背景模型。

对于每个离散曝光时间，基于无危害场景的扫描建立一组背景重建。该背景集应该包括尽可能多的无危害场景的重建，但是对于少至50-100个扫描场景是有效的。可以实施组合来自背景数据集的信息的不同方式。示例包括通过对来自背景数据集中的每个重建的每个体素的重建值进行平均来建立背景模型，找到中值重建值，并找到第95百分位(95thpercentile)值。可以基于先验知识通过使用建模的重建或者使用诸如空车辆或集装箱的无危害场景的测量的重建来建立背景模型。

为了将无危害场景的扫描结果适当地组合到背景模型中，扫描的车辆或集装箱相对于扫描仪坐标系的位置和定向必须是已知的。该测量的精度需要与感兴趣体积中μ介子跟踪的预期分辨率相同量级，例如1cm至2cm。

一旦开发了背景模型，就可以在成像处理中执行减除。背景模型中的体素的值被从考虑的场景中对于该体素的重建值中减去。威胁存在的概率的计算如没有背景模型那样进行。阈值被应用于背景减除后的散射密度，并且根据发现体素超过阈值的数量和程度来计算威胁存在的概率。

对模拟的Ford Econoline货车内的几种货物配置进行了全物理粒子运输计算。在这些计算中，基于在场景中μ介子与材料的相互作用生成了μ介子散射数据集。场景包括空货车、载有几件货物的货车、以及场景中放置了高密度威胁物体(10厘米立方体的钨)的这些相同场景。背景模型是基于对空货车的100次模拟扫描达几个离散曝光时间而开发的。然后这些背景模型被应用于每个其它场景的100次重建，并生成背景修正的ROC曲线。

图14A和14B示出了背景减除之前和之后在引擎下方具有10cm钨块的模拟货车曝光。通过应用车辆组件的先验知识，极大地增加了威胁物体信号强度与背景的比率。图14B中的背景模型是基于第95百分位背景模型。

图15A和15B中示出了对应用和不应用第95百分位背景模型的集合计算的ROC曲线。模拟曝光是对于在背景减除之前和之后具有隐藏在混凝土、钢和铝的混合货物中的10cm钨块的货车。对于背景减除后场景的ROC曲线，甚至具有没有开始被减去的复杂货物的背景减除后场景，在每个离散曝光时间处示出高得多的检测概率和低得多的假阳性警报概率。

分析这些ROC曲线以计算95％置信度扫描的平均曝光时间，并将其与不应用背景模型而计算的时间进行比较。平均扫描时间相对检测概率在图13中绘出。该计算是来自对包括胶合板、混凝土和重型钢铁设备的各种货物的数百次模拟扫描。这种先验知识的应用大大降低了对于给定检测概率的平均扫描时间。例如，第95百分位模型的应用将95％置信度扫描的平均扫描时间从一分钟以上减少到30秒以下。

使用μ介子断层照相系统执行了在重建中使用先验知识的有效性研究。在该研究中，6缸汽车引擎被放置在扫描仪中，并且从100次1分钟扫描中开发第95百分位背景模型。利用放置在引擎上的10公斤质量的铅进行扫描，应用模型并开发ROC曲线。

图16A、16B和16C示出了在本研究中从μ介子断层照相系统中获取的数据的实际μ介子重建。图16A示出了对于背景模型的背景的μ介子断层照相图像的示例。图16B示出了具有铅物体的场景的μ介子断层照相图像。图 16C示出了在应用背景模型之后重建的场景。

μ介子断层照相数据集被划分成1、2和4分钟间隔，并每个被独立地分析。从每个单独的短运行中减去仅使用引擎的长运行的平均画面，并且对具有和没有铅的所有运行直方图统计(histogram)了最大10×10×10cm3体素值。这些直方图(一个示例在图17中示出)用于计算ROC曲线，如图18所示。

对于具有95％置信度的自动威胁检测的平均扫描时间从在具有场景的背景成分的先验知识的情况下的大于10分钟的曝光时间减少到当应用平均背景模型执行背景减除时的小于4秒的显著缩短的曝光时间。将无危害背景成分的模型应用于三维重建被示出为大大减少了用于清关高Z威胁物体的场景的平均扫描时间，而不降低扫描仪的效率。第95百分位模型是有效的，并且其操作有效地解决了散射信号集中到具有短曝光时间的小区域中。

μ介子断层照相可以用于通过检测被用于隐藏诸如高Z材料和核材料的某些材料的屏蔽集装箱来检测隐藏的这些材料。此外，μ介子断层照相可以检测由具有独特的形状、诸如炮弹的无危害材料、诸如钢构成的物体。这种检测方案使用μ介子断层照相图像中存在的物体的形状来标识某些目标物体。这种形状识别方案允许μ介子断层照相成像被用在超出检测高Z或中等 Z材料的广泛范围的检测应用中。

除了上面公开的跟踪穿过的带电粒子、诸如μ介子和背景减除，用于实施所公开的集装箱码头的检测系统还可以被配置为测量穿过集装箱的带电粒子的能量损失，用于确定集装箱内部的内容物。在这点上，可以提供用于感测暴露于带电粒子的体积以测量进入并穿透该体积或停止在该体积内而不穿透该体积的带电粒子的能量损失的方法。基于测量的能量损失，该方法可用于确定进入和穿透该体积或停止在该体积内而不穿透该体积的带电粒子的空间分布。该方法包括使用带电粒子能量损失的空间分布来重建检查体积中材料的三维分布。该方法还包括测量进入和穿透该体积的带电粒子以及停止在该体积中的带电粒子。带电粒子能量损失的测量与带电粒子的角偏转组合以重建该体积中一种或多种材料的空间分布。

信号处理单元可以基于检测的轨迹信息确定带电粒子束的能量损失。此外，处理单元可以绘制辐射剂量图(例如，产生能量损失图)以及生成解剖图像。

除了多重库伦散射引起的对穿越感兴趣体积的带电粒子的轨迹改变和带电粒子在感兴趣体积内的停止之外，穿透的带电粒子(诸如μ介子)的能量损失可以被表征并用于断层照相重建。下面提供了用于从带电粒子跟踪系统获取能量损失信息的技术，并且该技术在感兴趣体积内的材料及其分布的断层照相重建中使用该信息。

带电粒子断层照相使用在带电粒子穿过物质时发生的多重库仑散射中包含的信息生成三维画面。在带电粒子穿越物质时，其遇到来自其通过的每个核子的库伦力。带电粒子遇到越高原子序数的原子核，集成的散射可能越多。除了检测其轨迹，带电粒子还会根据其入射能量和其穿过的材料而损失一部分的能量。能量损失相互作用主要是粒子与材料中的电子相互作用的结果，而不是由与质子的相互作用主导的散射信号的结果。

参考图3A中的系统，除了检测带电粒子进入和离开感兴趣体积5的运动之外，还可以检测和分析带电粒子穿越的能量损失。带电粒子进入感兴趣体积5并与带电粒子的轨迹中存在的物体相互作用。当带电粒子响应于与物体的相互作用而散射时，带电粒子基于该物体的特性而损失能量。

图19示出了带电粒子的阻止本领相对于带电粒子入射能量的示例。示出对于铜中的正μ介子的示例阻止本领(＝(dE/dx))作为动能T的函数(12 量级的量值范围)。

对于其动能等于或低于μ介子(非相对论μ介子)剩余质量的μ介子，能量损失高。在平均宇宙射线μ介子动能4GeV附近，能量损失由Bethe理论来描述，其主要描述具有一些附加修正的电离和激励损失。平均能量损失约为2MeV cm2/g。能量损失不同地取决于原子大小和电荷，而不是多重库伦散射。因此，能量损失的测量在与多重库仑散射测量组合时，提供了关于感兴趣体积中材料的附加信息。

图20示出了材料中能量损失测量以及测量的损失如何探测感兴趣体积中材料的性质的示例说明。带电粒子轨迹的知识提供了关于导致能量损失的材料的位置和分布的信息。

在测量如图3A、3B和4所示的带电粒子跟踪检测器中的能量损失时，可以根据带电粒子在构成检测器的材料中的多重散射，在跟踪检测器中测量该带电粒子的动量。通过评估带电粒子产生的数据与直线拟合之间的一致程度，可以推断出粒子动量的估计。动量测量可以对于进入的和离开的轨迹独立地进行，提供在穿越感兴趣体积时能量损失的测量。

可以实施重建程序以使用体素来定义感兴趣体积并将能量损失并入断层照相重建中。例如，整数nx、ny和nz可用于定义示例矩形体积的边x、y和 z。每个体素包括边dx、dy和dz，每个边由该边除以数字n的比率表示(即 dx＝x/nx等)。可在重建中使用的另一参数是分配给体素的加权因子，当生成加权因子相对于体素在空间中的位置的2D或3D绘图时，这些体素得到图像。

加权因子可以被认为是每个体素中物质的平均密度。这是基于表示每个体素中物质的平均辐射长度的度量的加权因子。辐射长度取决于物质的密度和元素电荷，并且是可以从已知元素组成的化合物的模拟中获取的每个元素的可测量常数。可以实施重建算法，以基于对正在使用的感兴趣体积的探测来向体素分配加权因子。

对于带电μ介子和电子，加权因子可包括散射、能量损失、停止和簇射作为可用于探询体积的成像的不同过程。加权因子被添加到被带电粒子穿越的体素，并且加权因子的总和与密度或辐射长度相关。可以实施简单的例程来使用由位于感兴趣体积的两侧的检测器(例如，检测器120和130)测量的带电粒子的进入的轨迹和任何离开的轨迹。可以实施更复杂的例程以在带电粒子通过小样品通过后使用基于的密度对体素的大小的动态调整；以及基于相邻体素密度的平滑或聚类。

在带电粒子断层照相(MT)中，根据带电粒子散射数据生成感兴趣体积中散射密度的三维表示、材料的密度和原子序数(质子密度)的测量。该重建的保真度由穿过每个分辨率元素(体素)的带电粒子的数量和从每个带电粒子可获得的信息量来确定。散射角、其位置和带电粒子轨迹的进入的和离开的投影之间的最接近的距离被包括在似然函数中。可以根据散射数据集最大化该函数，以重建感兴趣体积中的材料性质和分布。将带电粒子的能量损失添加到似然函数提供了对感兴趣体积中电子密度和材料分布的相关但部分独立的测量。

对在给定时间内穿过感兴趣体积的每组带电粒子定义更新函数。这被认为是一次迭代。然后，每次迭代被添加到总数中，直到扫描结束。更新函数依赖于体素的数量，即确定一个或多个权重因子的测量值。每个体素以从穿过该体素的带电粒子(例如，μ介子和/或电子)、散射角度和位移计算的某个值来更新。来自簇射的信息可以在每次迭代中添加到该更新函数。这样，在同一似然计算中考虑了所有数据，而不是单独地计算每个(散射和簇射)。可以考虑的其它信息包括来自停止和能量损失的信息。

在实施方式中，图3A中的系统可用于获取测量的数据，该测量的数据包含关于穿透的带电粒子(例如，穿透的μ介子)和被俘获在感兴趣体积内的停止的带电粒子的信息。基于这些信息，处理单元基于不同的测量产生体积的断层照相图像，然后使用至少两个断层照相图像中的一个或组合产生最终图像。

图21示出了图3A中的系统基于在穿透的带电粒子和俘获的带电粒子两者中测量的信息的操作。基于穿透的带电粒子和停止的带电粒子的测量，处理单元组合穿透的带电粒子(例如，穿透的μ介子)的轨迹改变的测量数据、关于在感兴趣体积内被俘获的停止的带电粒子(例如，被俘获的μ介子)的信息以及关于穿透的带电粒子(例如，穿透的μ介子)的能量损失的信息中的两种或三种，以构建感兴趣体积的断层照相图像。该过程使用在感兴趣体积内的不同过程的信息来提高对于感兴趣体积的最终图像的保真度和分辨率，并减少错误检测。在一种实施方式中，三种类型的测量可以被输入到处理算法中，以构建体积的单个最大似然材料断层照相图。这样，利用来自图 3A中的系统的可用的三种类型的测量，所生成的感兴趣体积的断层照相图像可以比来自任何单独测量的图像更精确和准确。

作为使用带电粒子扫描仪来确定集装箱内的内容物的另一示例，进入集装箱但停止在集装箱内的带电粒子也可以用于增强集装箱成像操作。在这一点上，可以在带电粒子扫描仪中实施用于标识暴露于诸如宇宙射线带电粒子的带电粒子的感兴趣体积(VOI)的材料的过程。例如，VOI可以包括集装箱的内容物。示例性过程包括确定宇宙射线粒子与VOI相互作用的散射度量，以表示进入和离开VOI的第一组宇宙射线粒子。该过程包括确定宇宙射线带电粒子与VOI相互作用的停止度量，以表示进入VOI并停止在VOI内部的第二组宇宙射线带电粒子。该过程包括计算散射度量与停止度量的比率，以获取VOI的散射与停止比率。该过程包括将所确定的散射与停止比率和散射度量的对与针对一材料范围的建立的散射与停止比率相对于散射度量关系进行比较，以确定VOI的材料是否与该材料范围中的材料匹配。

图22呈现了示出用在所公开的集装箱码头中的标识暴露于宇宙射线粒子的VOI的材料或物体的示例性过程的流程图。材料标识过程包括确定宇宙射线带电粒子与VOI相互作用的散射度量，以表示进入和离开VOI的第一组宇宙射线带电粒子(502)。例如，散射度量确定过程可以包括使用表达式(2) 来获取散射度量。材料标识过程可以包括确定与宇宙射线粒子VOI相互作用的停止度量，以表示进入VOI和停止在VOI内部的第二组宇宙射线带电粒子 (504)。例如，停止度量过程可以包括使用表达式(1)来获取散射度量。材料标识过程可以包括计算确定的散射度量与确定的停止度量的比率，以获取 VOI的散射与停止比率(506)。材料标识过程包括将确定的散射与停止比率和散射度量的对与对已知材料或物体范围的建立的散射与停止比率和散射度量之间的关系进行比较，以确定VOI的材料是否与该已知材料范围中的材料匹配(508)。当将VOI的材料标识为已知材料时，该程可以包括基于对该已知材料范围的建立的每单位厚度的散射与停止比率和标准化停止度量之间的关系来估计VOI的材料或物体的厚度(510)。

在一些实施例中，阻止本领可以使用以下表达式来计算：

阻止本领＝[(停止轨道的原始数量/面积/时间)×<p>]/[(散射轨道的数量/面积/时间)×样品厚度]

其中<p>是入射宇宙射线的平均动量。

在一些实施方式中，散射度量使用以下表达式计算：

λ＝(<θ><p>)²/[样品厚度]

其中<θ>是平均样品散射角。注意，散射度量的此表达式允许消除作为未知项的样品厚度。这是因为，如上所示的阻止本领表达式也由样品厚度标准化，使得两者的比率消除了厚度变量。在一些实施例方式中，阻止本领与散射的比率使得能够实现材料标识，并且平均散射角可以用于推断样品厚度。

材料标识过程可以包括对正被检测物体的几何效应的补偿或减轻过程，以提高检测的准确性。对于形状像水平面一样的物体(例如，片、板)，基本上所有宇宙射线产生的带电粒子在它们穿透物体时穿越相同的厚度(或者被相同的厚度阻挡)。然而，其水平范围与其垂直厚度相当或小于垂直厚度的物体可以具有轨迹带有切入角的大量宇宙射线带电粒子，并且这种宇宙射线带电粒子的路径长度可以比穿透物体整个厚度的宇宙射线带电粒子的路径长度短得多。这种效应会使观察到的散射和阻止本领偏斜(skew)。然而，这种偏斜可以通过重复数据缩减、选择VOI的不同大小的子集(即，掩码)用于分析来减轻。比物体的整个水平范围小得多的掩模将包括切割拐角的宇宙射线带电粒子轨迹的较小部分，因此具有较小的系统误差。改变掩模大小可以量化误差，并产生对厚度和水平尺寸两者的更好估计。

在实施方式中，方法可以用于基于穿过每种材料的入射宇宙射线带电粒子的散射和停止来表征材料范围。示例性方法包括对于该材料范围内的给定材料：(a)创建材料的感兴趣体积(VOI)，(b)确定宇宙射线带电粒子与VOI 相互作用的散射度量，以表示进入并离开VOI的第一组宇宙射线带电粒子， (c)确定宇宙射线带电粒子与VOI相互作用的停止度量，以表示进入VOI 并停止在VOI内部的第二组宇宙射线带电粒子，以及(d)计算散射度量与停止度量的比率，以获取该材料的散射与停止比率。该方法还包括基于对于该材料范围的所确定的散射与停止比率和相关联的散射度量的对，建立对于该该材料范围的宇宙射线粒子的散射-停止关系。

虽然本文档包含许多细节，但这些不应被解释为对本发明范围或所要求保护的内容的限制，而是作为对本发明具体实施例特定的特征的描述。在本文档中在分开的实施例的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实施。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施例中分开地或以任何适当的子组合来实施。此外，尽管特征可以在上文中被描述为以某些组合起作用，甚至最初要求如此这样保护，但是在一些情况下，来自要求保护的组合的一个或多个特征可以从该组合中去除，并且要求保护的组合可以指向子组合或子组合的变型。

类似地，虽然在附图中以特定顺序描绘了操作，但这不应被理解为要求以所示的特定顺序或以依次的顺序执行这些操作，或者执行所有所示的操作来实现期望的结果。此外，在本专利文档中描述的实施例中的各种系统组件的分离不应被理解为在所有实施例中都要求这种分离。

本文档中描述的公开的和其它的实施例、模块和功能操作可以实施在数字电子电路中，或者在计算机软件、固件或硬件中，包括本文档中公开的结构及其结构等同物，或者在它们中的一个或多个的组合中。所公开的和其它实施例可以被实施为一个或多个计算机程序产品，即，编码在计算机可读介质上的计算机程序指令的一个或多个模块，用于由数据处理装置运行或控制该数据处理装置的操作。计算机可读介质可以是机器可读存储设备、机器可读存储基板、存储器设备、影响机器可读传播信号的物质组成，或者它们中的一个或多个的组合。术语“数据处理装置”包括用于处理数据的所有装置、设备和机器，例如包括可编程处理器、计算机或多个处理器或计算机。除了硬件之外，该装置还可以包括创建对于所讨论的计算机程序的运行环境的代码，例如，构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统或它们中的一个或多个的组合的代码。传播信号是人工生成的信号，例如机器生成的电信号、光信号或电磁信号，其被生成以编码信息用于传输到适当的接收器装置。

计算机程序(也被称为程序、软件、软件应用、脚本或代码)可以以任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言；并且可以以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、组件、子例程或适合于在计算环境中使用的其它单元。计算机程序不是必须与文件系统中的文件相对应。程序可以被存储在保持其它程序或数据的文件的一部分中(例如，存储在标记语言文档中的一个或多个脚本)，存储在专用于所讨论的程序的单个文件中，或者存储在多个协调文件中(例如，存储一个或多个模块、子程序或代码的部分的文件)。计算机程序可以被部署为在一台计算机上运行，或者在位于一个站点或跨多个站点分布并通过通信网络互连的多台计算机上运行。

本文档中描述的过程和逻辑流程可以由一个或多个可编程处理器执行，该处理器运行一个或多个计算机程序以通过操作输入数据并生成输出来执行功能。该过程和逻辑流程也可以由专用逻辑电路、例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)来执行，并且装置也可以被实施为该专用逻辑电路。

适合于运行计算机程序的处理器包括例如通用和专用微处理器以及任何类型的数字计算机的任何一个或多个处理器。通常，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或这两者接收指令和数据。计算机的基本元件是用于执行指令的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储器设备。通常，计算机还将包括用于存储数据的一个或多个大容量存储设备，例如磁盘、磁光盘或光盘，或计算机将可操作地耦合以从该一个或多个大容量存储设备接收数据或将数据传递到该一个或多个大容量存储设备或者进行这两者。然而，计算机不需要具有这种设备。适合于存储计算机程序指令和数据的计算机可读介质包括所有形式的非易失性存储器、介质和存储器设备，例如包括：半导体存储器设备，例如EPROM、EEPROM和闪存设备；磁盘，例如内部硬盘或可移动盘；磁光盘；以及光盘和DVD盘。处理器和存储器可以由专用逻辑电路补充或并入到专用逻辑电路中。

仅公开了几个实施发生。基于本文档中描述和说明的内容，可以进行对所描述的实施方式和其它实施方式的变型和增强。

Claims (44)

1.一种用于扫描集装箱作为在港口的集装箱码头中处理来自船只的入境集装箱的一部分的方法，所述方法包括：

将集装箱从船只卸载到离所述船只最近的场堆的一端；

获取包括集装箱标识号和集装箱清单的关于每个集装箱的信息；

在将集装箱放置在场堆中用于地面运输之前，在最靠近船只的场堆的一端操作集装箱扫描仪来扫描集装箱，以获取指示集装箱是否包含一个或多个可疑区域或物体的关于被扫描的集装箱的信息；

其中所述集装箱滑行到所述集装箱扫描仪的一端以扫描所述集装箱并随后在完成所述扫描时从所述集装箱扫描仪的另一端滑行出，

其中所述集装箱扫描仪包括基于来自宇宙射线的μ介子而操作的带电粒子断层照相扫描仪，以及

其中操作所述集装箱扫描仪来扫描所述集装箱包括：

确定宇宙射线粒子与集装箱的内容物相互作用的散射度量，以表示进入并离开集装箱的内容物的第一组宇宙射线粒子；

确定宇宙射线带电粒子与集装箱的内容物相互作用的停止度量，以表示进入集装箱的内容物并停止在集装箱的内容物内的第二组宇宙射线带电粒子；

计算所述散射度量与所述停止度量的比率，以获取所述集装箱的内容物的散射与停止比率；

将所确定的散射与停止比率和散射度量的对与对于一材料范围的建立的散射与停止比率和散射度量之间的关系进行比较，以确定集装箱的内容物是否与所述材料范围中的材料匹配；以及

响应于将集装箱的内容物的材料标识为已知材料，基于对所述材料范围的建立的每单位厚度的散射与停止比率和标准化停止度量之间的关系来估计集装箱的内容物的材料的厚度；

在完成扫描时，将所述被扫描的集装箱放置在所述场堆中用于存储以用于随后的地面运输，或者放置在卡车或火车上用于立即的地面运输；以及

提供所述被扫描的集装箱的信息用于地面运输的清关，其中所提供的信息包括所述集装箱标识号、所述集装箱清单以及指示所述被扫描的集装箱是否包含一个或多个可疑区域或物体的扫描的信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在将集装箱从船只卸载到所述场堆的一端时执行关于每个集装箱的信息的获取。

3.根据权利要求1所述的方法，其中：

在离所述船只最近的场堆的所述一端处的集装箱扫描仪一次扫描一个集装箱。

4.根据权利要求1所述的方法，其中：

在离所述船只最近的场堆的所述一端处的集装箱扫描仪一次并行扫描两个或更多个集装箱。

5.根据权利要求1所述的方法，其中：

操作在离所述船只最近的场堆的所述一端处的集装箱扫描仪包括在由处理场堆处的集装箱的场起重机的两次相邻拾取之间的时间期间扫描集装箱，以避免增加扫描集装箱的时间。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述带电粒子断层照相扫描仪包括漂移管以检测进入的和离开的宇宙射线产生的带电粒子和伽马射线。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括：

操作伽马射线源以提供伽马射线计数率的可检测的增加。

8.根据权利要求6所述的方法，还包括：

使用漂移管检测从集装箱发射的中子，其中所述漂移管包括中子敏感材料。

9.根据权利要求1所述的方法，其中操作所述集装箱扫描仪来扫描所述集装箱包括：

获取被检查集装箱的一个或多个宇宙μ介子图像；

从所获取的被检查集装箱的宇宙μ介子图像中减去表示所述被检查集装箱的背景的参考集装箱的参考宇宙μ介子图像，以获取减除后图像；以及

处理所述减除后图像以确定所述被检查集装箱是否包含所述参考宇宙μ介子图像中不存在的目标物体。

10.根据权利要求1所述的方法，其中操作所述集装箱扫描仪扫描所述集装箱包括：

测量进入并穿透体积的带电粒子以及停止在所述体积内而不穿透所述体积的带电粒子的能量损失；以及

基于所测量的能量损失，确定进入并穿透体积的带电粒子以及停止在所述体积内而不穿透所述体积的带电粒子的空间分布。

11.一种使能够对于威胁材料或违禁品材料扫描通过港口的船运集装箱而不减慢在转运的情况下集装箱经过港口从船只到通过陆地离开或经过港口到船只上的流动的方法，所述方法包括：

将到达自动导引车辆(AGV)的集装箱从船只穿梭运输到至少一个扫描系统中，其中所述至少一个扫描系统位于最靠近船坞的集装箱的场堆的一端，其中所述至少一个扫描系统包括基于来自宇宙射线的μ介子而操作的带电粒子断层照相扫描仪，并且其中所述集装箱滑行到所述至少一个扫描系统的一端以扫描所述集装箱并随后在完成所述扫描时从所述至少一个扫描系统的另一端滑行出；

接收集装箱标识，并且如果集装箱清单可用，则接收所述集装箱清单；

扫描集装箱以对于威胁材料或违禁品材料的存在而分析所述集装箱的内容物，其中，对所述集装箱的扫描包括：

确定宇宙射线粒子与集装箱的内容物相互作用的散射度量，以表示进入并离开所述集装箱的内容物的第一组宇宙射线粒子；

确定宇宙射线带电粒子与集装箱的内容物相互作用的停止度量，以表示进入并停止在所述集装箱的内容物内部的第二组宇宙射线带电粒子；

计算所述散射度量与所述停止度量的比率，以获取所述集装箱的内容物的散射与停止比率；

将所确定的散射与停止比率和散射度量的对与对于一材料范围的建立的散射与停止比率和散射度量之间的关系进行比较，以确定所述集装箱的内容物是否与所述材料范围中的材料匹配；以及

响应于将集装箱的内容物的材料标识为已知材料，基于对所述材料范围的建立的每单位厚度的散射与停止比率和标准化停止度量之间的关系来估计集装箱的内容物的材料的厚度；

向场外海关或安保设施发送集成数据包；以及

将所述集装箱从所述扫描系统中穿梭运输出来，用于由场起重机拾取，

其中所述集成数据包包括：(a)集装箱标识，(b)集装箱清单，(c)与集装箱的内容物相关的原始数据或集装箱的内容物的处理后图像，(d)在潜在威胁材料或违禁品的存在方面对集装箱的内容物的评估，或(e)海关或安保部门可以按其采取行动的清关信号或警报信号。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述扫描系统被配置为并排且同时接收多个集装箱，多达由所述扫描系统服务的场堆中的集装箱行的数量，以及

所述扫描系统接受40英尺全长的集装箱，用于在单次扫描中成像。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述扫描系统扫描相邻集装箱达不同的时间长度，以及

其中每个集装箱独立地穿梭运输进出所述扫描仪。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，对相邻集装箱的达不同的时间长度的扫描取决于集装箱的内容物、图像质量和检测置信度水平中的任何一个或多个。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述扫描系统被配置为在单次扫描中扫描二十英尺长的集装箱，并且

其中所述扫描系统在两次端到端扫描中扫描40英尺长的集装箱。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，来自端到端扫描的数据被组合以产生所述集装箱的内容物的单次重建。

17.根据权利要求11所述的方法，其中，所述扫描系统被配置为一次接受单个集装箱。

18.根据权利要求13所述的方法，其中，所述扫描系统被安装在所述港口中的每个场堆的所述一端。

19.根据权利要求11所述的方法，其中所述处理后图像包括三维图像。

20.根据权利要求11所述的方法，其中，所述带电粒子断层照相扫描仪检测进入的和离开的宇宙射线产生的带电粒子和伽马射线。

21.根据权利要求20所述的方法，还包括：

操作伽马射线源以提供伽马射线计数率的可检测的增加。

22.根据权利要求11所述的方法，还包括：

使用漂移管检测从集装箱发射的中子，其中所述漂移管包括中子敏感材料。

23.根据权利要求11所述的方法，其中，对所述集装箱的扫描包括：

获取被检查的集装箱的一个或多个宇宙μ介子图像；

从所获取的被检查的集装箱的宇宙μ介子图像中减去表示所述被检查的集装箱的背景的参考集装箱的参考宇宙μ介子图像，以获取减除后图像；以及

处理所述减除后图像以确定所述被检查的集装箱是否包含所述参考宇宙μ介子图像中不存在的目标物体。

24.根据权利要求11所述的方法，其中，对所述集装箱的扫描包括：

测量进入并穿透体积的带电粒子以及停止在所述体积内而不穿透所述体积的带电粒子的能量损失；以及

基于所测量的能量损失，确定进入并穿透体积的带电粒子以及停止在所述体积内而不穿透所述体积的带电粒子的空间分布。

25.一种使能够对于威胁材料或违禁品材料扫描通过港口的船运集装箱而不减慢在转运的情况下集装箱经过港口从船只到通过陆地离开或经过港口到船只上的流动的方法，所述方法包括：

将到达自动导引车辆(AGV)的集装箱从船只穿梭运输到至少一个扫描系统中，其中所述至少一个扫描系统位于最靠近船坞的集装箱的场堆的一端，其中所述至少一个扫描系统包括基于来自宇宙射线的μ介子而操作的带电粒子断层照相扫描仪，并且其中所述集装箱滑行到所述至少一个扫描系统的一端以扫描所述集装箱并随后在完成所述扫描时从所述至少一个扫描系统的另一端滑行出；

接收集装箱标识，并且如果集装箱清单可用，则接收所述集装箱清单；

扫描集装箱以对于威胁材料或违禁品材料的存在而分析所述集装箱的内容物，其中，对所述集装箱的扫描包括：

确定宇宙射线粒子与集装箱的内容物相互作用的散射度量，以表示进入并离开所述集装箱的内容物的第一组宇宙射线粒子；

确定宇宙射线带电粒子与集装箱的内容物相互作用的停止度量，以表示进入并停止在所述集装箱的内容物内部的第二组宇宙射线带电粒子；

计算所述散射度量与所述停止度量的比率，以获取所述集装箱的内容物的散射与停止比率；以及

将所确定的散射与停止比率和散射度量的对与对于一材料范围的建立的散射与停止比率和散射度量之间的关系进行比较，以确定所述集装箱的内容物是否与所述材料范围中的材料匹配；

响应于将集装箱的内容物的材料标识为已知材料，基于对所述材料范围的建立的每单位厚度的散射与停止比率和标准化停止度量之间的关系来估计集装箱的内容物的材料的厚度；

向场外海关或安保设施发送集成数据包；以及

将所述集装箱从所述扫描系统中穿梭运输出来，用于由场起重机拾取，

其中所述集成数据包包括：(a)集装箱标识，(b)集装箱清单，(c)与集装箱的内容物相关的原始数据或集装箱的内容物的处理后图像，(d)在潜在威胁材料或违禁品的存在方面对集装箱的内容物的评估，或(e)海关或安保部门可以按其采取行动的清关信号或警报信号，

其中仅集装箱标识和集装箱清单与所述港口共享，并且扫描结果仅与场外海关或安保设施共享。

26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述扫描系统被配置为并排且同时接收多个集装箱，多达由所述扫描系统服务的场堆中的集装箱行的数量，以及

所述扫描系统接受40英尺全长的集装箱，用于在单次扫描中成像。

27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述扫描系统扫描相邻集装箱达不同的时间长度，以及

其中每个集装箱独立地穿梭运输进出所述扫描仪。

28.根据权利要求27所述的方法，其中，对相邻集装箱的达不同的时间长度的扫描取决于集装箱的内容物、图像质量和检测置信度水平中的任何一个或多个。

29.根据权利要求27所述的方法，其中，所述扫描系统被配置为在单次扫描中扫描二十英尺长的集装箱，并且

其中所述扫描系统在两次端到端扫描中扫描40英尺长的集装箱。

30.根据权利要求29所述的方法，其中，来自端到端扫描的数据被组合以产生所述集装箱的内容物的单次重建。

31.根据权利要求25所述的方法，其中，所述扫描系统被配置为一次接受单个集装箱。

32.根据权利要求27所述的方法，其中，所述扫描系统被安装在所述港口中的每个场堆的所述一端。

33.根据权利要求25所述的方法，其中所述处理后图像包括三维图像。

34.根据权利要求25所述的方法，其中，所述带电粒子断层照相扫描仪检测进入的和离开的宇宙射线产生的带电粒子和伽马射线。

35.根据权利要求34所述的方法，还包括：

操作伽马射线源以提供伽马射线计数率的可检测的增加。

36.根据权利要求25所述的方法，还包括：

使用漂移管检测从集装箱发射的中子，其中所述漂移管包括中子敏感材料。

37.根据权利要求25所述的方法，其中，对所述集装箱的扫描包括：

获取被检查的集装箱的一个或多个宇宙μ介子图像；

从所获取的被检查的集装箱的宇宙μ介子图像中减去表示所述被检查的集装箱的背景的参考集装箱的参考宇宙μ介子图像，以获取减除后图像；以及

处理所述减除后图像以确定所述被检查的集装箱是否包含所述参考宇宙μ介子图像中不存在的目标物体。

38.根据权利要求25所述的方法，其中，对所述集装箱的扫描包括：

测量进入并穿透体积的带电粒子以及停止在所述体积内而不穿透所述体积的带电粒子的能量损失；以及

基于所测量的能量损失，确定进入并穿透体积的带电粒子以及停止在所述体积内而不穿透所述体积的带电粒子的空间分布。

39.一种集装箱码头，用于执行集装箱扫描作为在港口处理来自船只的入境集装箱的一部分，该集装箱码头包括：

入坞区域，包括可操作以从船只卸载集装箱的船只起重机；

堆放场，包括在指定的堆放位置中的场堆，每个场堆包括最靠近船只和用于从船只接收集装箱的至少一个场起重机的第一端、用于处理在该第一端卸下的集装箱的至少一个场起重机、和用于发送集装箱以用于地面运输的最远离船只的第二端；

集装箱扫描仪，被分发到所述场堆，每个集装箱扫描仪位于最靠近船只的每个场堆的第一端处，每个集装箱扫描仪被配置为在将被扫描的集装箱放置在场堆的另一部分中用于地面运输之前扫描在所述场堆处卸下的每个集装箱，每个集装箱扫描仪被配置为包括集装箱滑行到其中的一端以及在完成所述集装箱的扫描时所述集装箱从中滑行出的另一端，并且每个集装箱扫描仪被配置为获取指示所述集装箱是否包含一个或多个可疑区域或物体的关于所述被扫描的集装箱的信息，并且每个集装箱扫描仪包括基于来自宇宙射线的μ介子而操作的带电粒子断层照相扫描仪；和

信号处理单元，可通信地耦合到集装箱扫描仪，其中所述信号处理单元包括被配置为存储数据和指令的存储器、以及至少一个处理器，其中所述指令在被运行时使得所述至少一个处理器：

确定宇宙射线粒子与集装箱的内容物相互作用的散射度量，以表示进入并离开所述集装箱的内容物的第一组宇宙射线粒子；

确定宇宙射线带电粒子与集装箱的内容物相互作用的停止度量，以表示进入并停止在所述集装箱的内容物内部的第二组宇宙射线带电粒子；

计算所述散射度量与所述停止度量的比率，以获取所述集装箱的内容物的散射与停止比率；

将所确定的散射与停止比率和散射度量的对与对于一材料范围的建立的散射与停止比率和散射度量之间的关系进行比较，以确定所述集装箱的内容物是否与所述材料范围中的材料匹配；以及

响应于将集装箱的内容物的材料标识为已知材料，基于对所述材料范围的建立的每单位厚度的散射与停止比率和标准化停止度量之间的关系来估计集装箱的内容物的材料的厚度；以及

提供对于每个被扫描的集装箱的信息以用于地面运输的清关，其中所提供的信息包括标识号、集装箱清单以及指示所述被扫描的集装箱是否包含一个或多个可疑区域或物体的扫描的信息。

40.根据权利要求39所述的集装箱码头，其中带电粒子断层照相扫描仪包括漂移管，其中所述信号处理单元可通信地耦合到所述漂移管，并且其中所述指令在被运行时使得所述至少一个处理器：

检测进入的和离开的宇宙射线产生的带电粒子和伽马射线。

41.根据权利要求40所述的集装箱码头，还包括：

伽马射线源，可通信地耦合到所述信号处理单元，其中所述指令在被运行时使得所述至少一个处理器：

提供伽马射线计数率的可检测的增加。

42.根据权利要求40所述的集装箱码头，其中所述漂移管包括中子敏感材料以检测从所述集装箱发射的中子。

43.根据权利要求39所述的集装箱码头，其中所述信号处理单元可通信地耦合到所述带电粒子断层照相扫描仪，并且其中所述指令在被运行时使得所述至少一个处理器：

获取被检查的集装箱的一个或多个宇宙μ介子图像；

从所获取的被检查的集装箱的宇宙μ介子图像中减去表示所述被检查的集装箱的背景的参考集装箱的参考宇宙μ介子图像，以获取减除后图像；以及

处理所述减除后图像以确定被检查的集装箱是否包含所述参考宇宙μ介子图像中不存在的目标物体。

44.根据权利要求39所述的集装箱码头，其中，所述信号处理单元可通信地耦合到所述带电粒子断层照相扫描仪，并且其中所述指令在被运行时使得所述至少一个处理器：

测量进入并穿透体积的带电粒子以及停止在所述体积内而不穿透所述体积的带电粒子的能量损失；以及

基于所测量的能量损失，确定进入并穿透体积的带电粒子以及停止在所述体积内而不穿透所述体积的带电粒子的空间分布。

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