CN110927809A - 特殊核材料检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种特殊核材料检测装置，该特殊核材料检测装置包括：电子束源，其用于发射电子束；重金属靶，其沿着电子束源所发射的电子束的传输方向设置在电子束源的下游，用于接收来自电子束源的电子束流并产生第一粒子束流；光中子转换靶，其与重金属靶相邻地设置，用于接收来自重金属靶的第一粒子束流并产生第二粒子束流；以及粒子检测单元，其用于检测第一粒子束流以及由光中子转换靶发出的第二粒子束流照射特殊核材料后所产生的第三粒子束流；其中，在光中子转换靶中设置有第一粒子束流准直通道，第一粒子束流能够穿过第一粒子束流准直通道而射出。本发明简化了检测装置的结构，降低了制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及检测设备，更具体地涉及一种用于对集装箱或厢式货车中的特殊核材料进行检测的装置。
背景技术
当前，恐怖分子常常利用特殊核材料(SNM)制造简易核装置(IND)以进行恐怖袭击，这将世界各国人民的生命和财产安全带来严重威胁。特殊核材料是恐怖主义分子制造简易核装置的核心材料，为了从源头上防止此类核恐怖事件的发生，加强对特殊核材料的监控和探测是阻断恐怖组织制造简易核装置的有效途径。
如何有效地检测出藏匿在集装箱或厢式货车内的特殊核材料已成为核安保探测技术重点需要解决的问题。针对大型车辆或集装箱，其屏蔽层相对较厚，存在探测射线衰减较大的问题。现在多采用基于高能加速器的X射线透射检测成像技术对大型车辆或集装箱内的违禁品进行检测。高能X射线透射检测方法可以有效地提供被检测物体的质量厚度信息，然而这种方法提供的关于其物质组成的信息却非常有限。
目前，能够对特殊核材料进行有效探测的技术包括被动式探测技术和主动式探测技术两种。被动式探测技术通过直接探测特殊核材料自身发出的中子和/或γ射线来确定是否存在核材料。虽然这项技术可以相对容易的探测能够发出较多中子和γ射线的核材料钚(Pu)，但是，核材料U-235发出的γ射线较少，并且能量较弱，很容易被车厢屏蔽，使得对这种核材料的直接探测变得非常困难。因此，现有技术中需要一种能够对隐藏在集装箱或厢式货车内的特殊核材料进行精确甄别的检测设备，以防特殊核材料的违规运输和违法使用。
发明内容
为了解决上述技术问题中的至少一个方面，本发明的实施例提供了一种特殊核材料检测装置，其属于一种特殊核材料主动探测技术，主要利用外部辐射源对特殊核材料进行激励，通过探测被激励后的特殊核材料裂变所发出的中子及γ射线来判断所检测对象中是否存在特殊核材料。
根据本发明的一个方面，提供一种特殊核材料检测装置，该特殊核材料检测装置包括：电子束源，该电子束源用于发射电子束；重金属靶，该重金属靶沿着电子束源所发射的电子束的传输方向设置在电子束源的下游，用于接收来自电子束源的电子束流并产生第一粒子束流；光中子转换靶，该光中子转换靶与重金属靶相邻地设置，用于接收来自重金属靶的第一粒子束流并产生第二粒子束流；以及粒子检测单元，该粒子检测单元用于检测第一粒子束流以及由光中子转换靶发出的第二粒子束流照射特殊核材料后所产生的第三粒子束流。其中，在光中子转换靶中设置有第一粒子束流准直通道，第一粒子束流能够穿过第一粒子束流准直通道而射出。
根据本发明的特殊核材料检测装置通过在光中子转换靶中设置第一粒子束流准直通道来将第一粒子束流进行准直后发出，其避免了采用单独的准直器来对第一粒子束流进行准直的步骤，从而简化了检测设备的结构，降低了检测设备的成本。
在根据本发明的特殊核材料检测装置的一个优选的实施例中，第一粒子束流准直通道沿着第一粒子束流的传输方向具有逐渐增大的横截面。
根据本发明的特殊核材料检测装置的另一个优选的实施例，该特殊核材料检测装置还包括第一粒子束流屏蔽部件，第一粒子束流屏蔽部件能够在遮挡第一粒子束流准直通道的第一位置和不遮挡第一粒子束流准直通道的第二位置之间运动。
在根据本发明的特殊核材料检测装置的再一个优选的实施例中，第一粒子束流屏蔽部件设置在光中子转换靶的背离重金属靶的一侧上。
在根据本发明的特殊核材料检测装置的还一个优选的实施例中，该特殊核材料检测装置还包括第二粒子束流屏蔽部件，第二粒子束流屏蔽部件能够在屏蔽第二粒子束流的第三位置和不屏蔽第二粒子束流的第四位置之间运动。
根据本发明的特殊核材料检测装置的又一个优选的实施例，当第二粒子束流屏蔽部件位于第三位置时，第二粒子束流屏蔽部件包裹地设置在光中子转换靶的外侧，并且暴露出第一粒子束流准直通道。
根据本发明的特殊核材料检测装置的再一个优选的实施例，粒子检测单元包括X射线探测器和n-γ探测器。
在根据本发明的特殊核材料检测装置的还一个优选的实施例中，X射线探测器包括L型CsI晶体探测器；和/或n-γ探测器包括塑料闪烁体探测器。
根据本发明的特殊核材料检测装置的又一个优选的实施例，电子束源包括双能电子加速器。
在根据本发明的特殊核材料检测装置的另一个优选的实施例中，双能电子加速器所产生的电子束的能量分别为6MeV和9MeV。
根据本发明的特殊核材料检测装置的再一个优选的实施例，重金属靶包括钨靶，和/或光中子转化靶包括重水靶或铍靶。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果中的至少一个：
(1)根据本发明的特殊核材料检测装置能够通过形成在光中子转换靶中的第一粒子束流准直通道发出X射线，由此可以通过X射线对待检测对象进行初步检测，对其中的可疑特殊核材料进行定位，并利用中子束对可疑特殊核材料进行准确检测，显然这种检测方式大大提高了可疑特殊核材料的检测效率；
(2)在光中子转换靶中设置第一粒子束流准直通道可以大大简化特殊核材料检测装置的结构，无需设置专用的准直结构，从而大大降低特殊核材料检测装置的制造成本；
(3)可以通过设置第一粒子束流屏蔽部件对第一粒子束流准直通道进行阻挡，从而防止X射线的射出，由此可以大大减小X射线对中子检测的干扰，从而提高可疑特殊核材料的中子检测的精度；
(4)通过设置第二粒子束流屏蔽部件可以实现仅通过第一粒子束流对待检测对象进行检测，以便通过第一粒子束流实现对可疑特殊核材料的初步识别和定位。
附图说明
通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。
图1为根据本发明的特殊核材料检测装置的结构示意图。
需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
本发明提供了一种特殊核材料检测装置10，该特殊核材料检测装置10沿着粒子束流的传输方向依次包括电子束源12、重金属靶14、光中子转换靶16以及粒子检测单元18，其中，电子束源12用于发射电子束，重金属靶14沿着电子束源12所发射的电子束的传输方向设置在电子束源12的下游，用于接收来自电子束源12的电子束流并产生第一粒子束流，在此，该第一粒子束流为X射线，重金属靶14优选为钨靶，也就是说，来自电子束源12的电子束冲击作为重金属靶14的钨靶产生X射线束。进一步地，光中子转换靶16与重金属靶14相邻地设置，用于接收来自重金属靶14的第一粒子束流并产生第二粒子束流，在此，光中子转换靶16能够将作为第一粒子束流的X射线束转换成作为第二粒子束流的中子束，从而将中子束流发射出去，以便用于相关材料的检测。在此，光中子转换靶16一般采用重水靶或铍靶，也就是说，通过向作为光中子转换靶16的重水靶或铍靶上轰击X射线，从而产生中子束。
进一步地，该特殊核材料检测装置10的粒子检测单元18用于检测第一粒子束流以及由光中子转换靶16发出的第二粒子束流照射特殊核材料之后所产生的第三粒子束流。比如，可以通过对作为第一粒子束流的X射线束的检测能够对特殊核材料进行初步的识别和定位，而通过作为第二粒子束流的中子束对可疑特殊核材料进行准确甄别。
在此，可以在光中子转换靶16中设置第一粒子束流准直通道162，该第一粒子束流准直通道162可以为柱形，比如圆柱形，也可以为锥形，比如圆锥形，优选地，该第一粒子束流准直通道162沿着第一粒子束流的传输方向具有逐渐增大的横截面，由此可以使得从第一粒子束流准直通道162射出的第一粒子束流具有扩散的形状，比如在第一粒子束流的传输方向上具有扇形截面，由此形成扩散性扫描束，以便覆盖目标检测区域。第一粒子束流准直通道162也可以设置成与第二粒子束流的中心传输方向具有一定夹角α，如图1所示，以使第一粒子束流朝向所需的方向射出，由此可以通过作为第一粒子束流的X射线对待检测对象进行初步检测，并对其中的可疑特殊核材料进行初步定位，然后通过中子束对可疑特殊核材料进行准确甄别。
为了防止根据本发明的特殊核材料检测装置10所发出的X射线对利用中子束进行特殊核材料检测时发生干扰，该特殊核材料检测装置10还包括第一粒子束流屏蔽部件164，该第一粒子束流屏蔽部件164能够在遮挡第一粒子束流准直通道162的第一位置和不遮挡所述第一粒子束流准直通道162的第二位置之间运动。第一粒子束流屏蔽部件164可以设置在光中子转换靶16的背离重金属靶14的一侧上，由此，可以使得根据本发明的特殊核材料检测装置10在利用从第一粒子束流准直通道162射出的X射线对待检测对象进行扫描并且对可疑特殊核材料初步定位之后，并且在利用中子束对可疑特殊核材料进行检测时，可以通过第一粒子束流屏蔽部件164对第一粒子束流准直通道162进行遮挡，从而使得X射线不会射出，从而不会对利用中子束进行检测时产生干扰。
进一步地，根据本发明的特殊核材料检测装置10还设置有第二粒子束流屏蔽部件166，第二粒子束流屏蔽部件166能够在屏蔽第二粒子束流的第三位置和不屏蔽第二粒子束流的第四位置之间运动。也就是说，第二粒子束流屏蔽部件166可以对中子束流进行遮挡和屏蔽，由此能够仅通过来自第一粒子束流准直通道162的X射线对待检测对象进行检测。当第二粒子束流屏蔽部件166位于第三位置时，第二粒子束流屏蔽部件166包裹地设置在光中子转换靶16的外侧，并且暴露出第一粒子束流准直通道162，由此可以在屏蔽中子束的同时使作为第一粒子束流的X射线射出。第二粒子束流屏蔽部件166可以对来自光中子转换靶16的中子束进行慢化和吸收，以便对中子束起到屏蔽的作用。
相应地，在利用第一粒子束流和第二粒子束流对待检测对象进行检测时，需要设置相应的探测器，对穿过待检测对象后的粒子流进行探测，以便对待检测对象作出图像或成分分析。在此，根据本发明的特殊核材料检测装置10的粒子检测单元18包括X射线探测器182和n-γ探测器184，其中，X射线探测器182用于对穿过待检测对象42的射线进行探测和分析，X射线探测器182可以对待检测对象42进行成像，通过对图像进行分析以判断是否存在可疑特殊核材料。在此，电子束源12可以是双能电子加速器，该双能电子加速器所产生的电子束的能量分别为6MeV和9MeV，通过双能电子束对重金属靶14进行打靶，并通过中子转换靶16中的第一粒子束流准直通道162的准直作用，产生双视角X射线束，随后可以利用双视角L型X射线探测器对待检对象进行检测成像，并通过等效原子序数进行物质分类，同时定位可疑特殊核材料的位置。有利地，X射线探测器可以包括L型CsI晶体探测器。
对可疑特殊核材料进行初步定位之后，可以利用中子束对可疑特殊核材料进行中子检测，通过将中子束射向可疑特殊核材料，诱发可疑特殊核材料发生裂变反应，发出中子和γ射线，通过对中子和γ射线的检测实现对可疑特殊核材料的材料特征的识别，并由此做出准确判断。在此，根据本发明的特殊核材料检测装置10通过n-γ探测器184对待检测对象42在受到中子束辐射之后所发出中子和γ射线进行探测，并通过差分衰减技术和缓发伽马射线探测技术进行测量分析中子诱发特殊核材料裂变所发出的射线特征，以便判断待检测对象42中是否存在特殊核材料。在此，n-γ探测器184可以包括塑料闪烁体探测器。
在利用根据本发明的特殊核材料检测装置10对存放在集装箱或厢式货车40中的待检测对象42进行检测时，可以在集装箱或厢式货车40的检测通道上设置特殊核材料检测装置10，其中，电子束源12、重金属靶14和光中子转换靶16设置在检测通道的一侧，粒子检测单元18设置在检测通道的另一侧，使得集装箱或厢式货车40在通过检测通道时能够在光中子转换靶16与粒子检测单元18之间穿过。控制电子束源12开启并发出双能电子束，双能电子束轰击在重金属靶14上，产生X射线。X射线可以直接照射在光中子转换靶16上，一部分X射线可以直接进入第一粒子束流准直通道162内，并由此直接射出，另一部分X射线则可以直接照射在光中子转换靶16上，从而产生中子束。
根据本发明的特殊核材料检测装置10可以具有两种工作模式，在第一工作模式中，可以使第一粒子束流屏蔽部件164处于第二位置，同时使第二粒子束流屏蔽部件166处于第四位置，即两者均不对相应的粒子流进行遮挡或屏蔽，也就是说，从光中子转换靶16处同时射出X射线和中子束。此时当集装箱或厢式货车40沿箭头A的方向通过检测通道时，可以同时通过X射线和中子束对集装箱或厢式货车40进行扫描成像和成分检测，由此可以通过X射线探测器182和n-γ探测器184对其中的待检测对象42进行初步定位、成像分析以及成分分析，并由此实现对特殊核材料的定位和甄别。
在第二种工作模式中，可以首先使第一粒子束流屏蔽部件164处于第二位置，同时使第二粒子束流屏蔽部件166处于第三位置，也就是根据本发明的特殊核材料检测装置10此时仅向外发出X射线，通过X射线对集装箱或厢式货车40中的待检测对象42进行成像，对待检测对象42中的可疑特殊核材料进行初步判断和定位，当发现可疑特殊核材料时，将第一粒子束流屏蔽部件164移动至第一位置，以使第一粒子束流屏蔽部件164对第一粒子束流通道162进行阻挡，从而对X射线进行屏蔽，以防X射线对后续检测产生干扰。同时，将第二粒子束流屏蔽部件166移动至第四位置，使得第二粒子束流屏蔽部件166不对中子束进行屏蔽，此时则利用中子束对待检测对象42进行检测，通过n-γ探测器184对照射后的中子和γ射线进行分析，对待检测对象42中是否存在可疑特殊核材料进行甄别。
根据本发明的特殊核材料检测装置10能够通过形成在光中子转换靶16中的第一粒子束流准直通道162发出X射线，由此可以通过X射线对待检测对象42进行初步检测，对其中的可疑特殊核材料进行定位，并利用后续的中子束对可疑特殊核材料进行准确检测，显然这种检测方式大大提高了可疑特殊核材料的检测效率。另外，还可以通过设置第一粒子束流屏蔽部件164对第一粒子束流准直通道162进行阻挡，从而防止X射线的射出，由此可以大大减小X射线对中子检测的干扰，从而提高可疑特殊核材料的中子检测的精度。
对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (11)
1.一种特殊核材料检测装置，其特征在于，所述特殊核材料检测装置(10)包括：
电子束源(12)，所述电子束源(12)用于发射电子束；
重金属靶(14)，所述重金属靶(14)沿着所述电子束源(12)所发射的电子束的传输方向设置在所述电子束源(12)的下游，用于接收来自所述电子束源(12)的电子束流并产生第一粒子束流；
光中子转换靶(16)，所述光中子转换靶(16)与所述重金属靶(14)相邻地设置，用于接收来自所述重金属靶(14)的第一粒子束流并产生第二粒子束流；以及
粒子检测单元(18)，所述粒子检测单元(18)用于检测所述第一粒子束流以及由所述光中子转换靶(16)发出的第二粒子束流照射特殊核材料后所产生的第三粒子束流；
其中，在所述光中子转换靶(16)中设置有第一粒子束流准直通道(162)，所述第一粒子束流能够穿过所述第一粒子束流准直通道(162)而射出。
2.根据权利要求1所述的特殊核材料检测装置，其特征在于，
所述第一粒子束流准直通道(162)沿着所述第一粒子束流的传输方向具有逐渐增大的横截面。
3.根据权利要求1所述的特殊核材料检测装置，其特征在于，
所述特殊核材料检测装置还包括第一粒子束流屏蔽部件(164)，所述第一粒子束流屏蔽部件(164)能够在遮挡所述第一粒子束流准直通道(162)的第一位置和不遮挡所述第一粒子束流准直通道(162)的第二位置之间运动。
4.根据权利要求3所述的特殊核材料检测装置，其特征在于，所述第一粒子束流屏蔽部件(164)设置在所述光中子转换靶(16)的背离所述重金属靶(14)的一侧上。
5.根据权利要求1所述的特殊核材料检测装置，其特征在于，
所述特殊核材料检测装置还包括第二粒子束流屏蔽部件(166)，所述第二粒子束流屏蔽部件(166)能够在屏蔽所述第二粒子束流的第三位置和不屏蔽所述第二粒子束流的第四位置之间运动。
6.根据权利要求5所述的特殊核材料检测装置，其特征在于，
当所述第二粒子束流屏蔽部件(166)位于所述第三位置时，所述第二粒子束流屏蔽部件(166)包裹地设置在所述光中子转换靶(16)的外侧，并且暴露出所述第一粒子束流准直通道(162)。
7.根据权利要求1-6中的任一项所述的特殊核材料检测装置，其特征在于，
所述粒子检测单元(18)包括X射线探测器和n-γ探测器。
8.根据权利要求7所述的特殊核材料检测装置，其特征在于，
所述X射线探测器包括L型CsI晶体探测器；和/或
所述n-γ探测器包括塑料闪烁体探测器。
9.根据权利要求1-6中的任一项所述的特殊核材料检测装置，其特征在于，所述电子束源(12)包括双能电子加速器。
10.根据权利要求9所述的特殊核材料检测装置，其特征在于，
所述双能电子加速器所产生的电子束的能量分别为6MeV和9MeV。
11.根据权利要求1-6中的任一项所述的特殊核材料检测装置，其特征在于，
所述重金属靶(14)包括钨靶；和/或
所述光中子转化靶(16)包括重水靶或铍靶。
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