CN1723388B - 射线照相设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种射线照相设备。该设备包括：基本上是单一能量的快中子源，该快中子是通过氘-氚或者氘-氘聚变反应产生的，该单一能量的快中子源包括用于产生中子的密封管发生器或者相似发生器。该设备进一步包括：X射线或伽马射线源，其具有足够用于基本上穿过待成像物体的能量；以及，校准块，其环绕中子源以及伽马射线源，其提供一个或者多个槽，用于发射基本上扇形的辐射束。该设备进一步包括：检测器阵列，其包括多个独立的闪烁体像素，以接收自源发射的辐射能量并且将接收的能量转换为光脉冲，该检测器阵列与自源校准器发射并校准的扇形辐射束对准，用以基本上防止不是直接从源透射的辐射到达该阵列。该设备还包括转换装置，用于将闪烁体中产生的光脉冲转换为电信号。该设备还包括传送装置，用于在源和检测器阵列之间传送物体。该设备还包括计算装置，用于由电信号确定中子束以及X射线或伽马射线束的衰减计算装置，用于由电信号确定中子束以及X射线或伽马射线束的衰减和生成表示置于源和检测器阵列之间物体的质量分布和组分的输出。该设备进一步包括显示装置，用于基于所扫描的物体的质量分布和组分，显示图像。

Description

射线照相设备

技术领域

本发明涉及射线照相设备。具体地，本发明涉及用于检测隐藏的物品、物质和材料的射线照相设备。例如，本发明可用于检测在诸如航空包裹、空运或者海运货柜的物体中隐藏的武器、爆炸物、违禁品、毒品或者其他物品、物质和材料。

背景技术

已经提出了基于X射线、伽马射线和中子的技术，用于解决该问题(Hussein，E.，1992，Gozani，T.，1997，An，J.et al，2003)。最广泛采用的技术是X射线扫描仪，其通过测量X射线从源通过物体到达空间分段检测器的透射，形成被检查物体的图像。密度大的较高原子序数的材料，诸如金属，使X射线得到非常强烈的衰减。因此，X射线扫描仪理想地用于检测诸如枪支、刀具以及其他武器的物体。然而，X射线提供了很小的在有机和无机成分之间进行区分的能力。使用X射线，诸如爆炸物或者麻醉品的违法有机材料与常见的良性有机材料的分离是不可能的。

成分识别系统正被开发用于检验在货盘上运输的货品。称为NELIS(中子成分分析系统)的系统利用14MeV的中子发生器和3个伽马射线检测器，以测量来自货物的感生伽马射线(Dokhale，P.A.et al，2001；Barzilov，A.P.，Womble，P.C.and Vourvopoulos，G.，2001)。NELIS不是成像系统，并且同X射线扫描仪结合使用，用以协助识别总体的组分异常。

脉冲快中子分析(PFNA)货物检验系统已被开发(Gozani，T.，1997，Sawa et al.，1991)，并且由Ancore Corporation进行了商业化。PFNA系统使用纳秒脉冲快中子的校准束，并且对结果的伽马射线的光谱进行测量。PFNA方法允许测量关键有机成分的比率。需要纳秒脉冲快中子，以便于通过飞行时间测谱法确定对所测量的伽马射线信号有贡献的特定区域的位置。实践中，该技术受限于非常昂贵且复杂的粒子加速器、有限的中子源强度和低的伽马射线检测效率、以及导致的慢的扫描速度。

中子射线照相系统具有直接测量透射中子的优点，并且因此相比于测量二次辐射(诸如中子感生伽马射线)的技术，其是更加有效率的。快中子射线照相术有潜力确定物体的视线“有机”图像(Klann，1996)。与X射线相反，有机材料，特别是那些具有高的氢含量的有机材料，使中子受到非常强烈的衰减。

由Rynes等人(1999)开发了快中子和伽马射线射线照相系统，以补充PFNA。在该系统中，来自加速器的纳秒脉冲快中子和伽马射线透射通过物体，并且通过到达时间对检测到的中子信号和伽马射线信号进行分离。结果系统被声称为结合了X射线射线照相系统和PFNA系统的优点。然而，其受限于非常昂贵和复杂的粒子加速器。

Bartle(1995)提出了使用快中子和伽马射线透射技术(Millen等人，1990)检测行李等中的违禁品的存在。然而，该技术还未用于成像，并且其针对违禁品检测的实际应用还未作研究。

Mikerov，V.I.等人(2000)研究了使用14MeV中子发生器和荧光屏/CCD相机检测系统的快中子射线照相术的可行性。Mikerov发现，这些应用受限于用于中子的2mm厚的荧光屏的低的检测效率，以及荧光屏对由中子发生器产生的X射线的高度敏感性。

使用14MeV发生器和热中子检测的中子射线照相系统商业上是可获得的(Le Tourneur，P.，Bach，P.and Dance，W.E.，1998)。然而，快中子在执行射线照相之前慢下来(热能化)这一事实将被成像的物体的尺寸限制于几个厘米。还不存在商业可获得的解决了快中子检测的快中子射线照相系统。

有关中子射线照相术而进行的大部分工作是在实验室中使用来自核反应堆或者粒子加速器的中子进行的，其不适于货物处理应用(Lefevre，H.W.，et al，1996，Miller，T.G.，1997，Chen，G.and Lanza，R.C.，2000，Brzosko，J.S.et al，1992)。

为了提高快中子射线照相系统提供多种有机材料之间区分的能力，提出了使用多个中子能量源和具有用于在不同的中子能量之间进行辨认的装置的检测器的系统(Chen，G.and Lanza，R.C.，2000，Buffler，2001)。这些系统的关键缺陷在于，它们取决于复杂的区分能量的中子检测器，并且/或者它们使用精密的基于高能量的加速器的中子源。

Perion等人(Perion，2000)提出了使用高能量(MeV)X射线轫致辐射(Bremsstrahlung)源或放射性同位素源的扫描仪。通过借助于迅速插入和移除低原子序数的滤波器来调节平均源能量，或者通过测量检测到的X射线的能量，可以测量在两个不同的X射线能量处通过被扫描的物体的透射，在上述的一种情况下康普顿(Compton)散射处于主导地位，而在上述的另一种情况下电子偶产生(pair-production)是显著的。此信息可用于推断扫描图像的每个像素中的材料密度和材料平均原子序数。此方案的主要缺陷在于不同成分之间的低的对比度，即使是在使用了能量非常高的X射线源的时候。Perion检测器阵列的成本也是非常高的。可替换地，Perion建议，X射线和中子(在轫致辐射靶中直接产生或者通过插入中子发生滤波器产生)的透射的测量可以产出相似的信息。此方法的主要缺陷在于经由(gamma，n)反应产生的中子的能量是低的。这限制了中子穿过厚的货物的能力，并且增加了充分检测透射中子的难度。特别地，所公开的堆叠式闪烁体检测器不太可能有能力在存在许多强X射线束时辨认中子。双能量X射线和X射线/中子方案的缺点在于，X射线和中子覆盖了广的能量范围。这意味着不可能使用简单的指数关系对透射建模，并且不能直接提取可用于材料识别的定量截面信息。

发明内容

本发明是射线照相设备，其包括：

基本上是单一能量的快中子源，该快中子是通过氘-氚或者氘-氘聚变反应产生的，该单一能量的快中子源包括用于产生中子的密封管发生器或者相似发生器；

X射线或伽马射线源，其具有足够能量用于基本上穿过待成像物体；

校准块，其环绕中子源以及X射线和伽马射线源，而且其提供一个或者多个槽，用于发射基本上扇形的辐射束；

检测器阵列，其包括多个的独立的闪烁体像素，用于接收自源发射的辐射能量并且将接收的能量转换为光脉冲，该检测器阵列与自源校准器发射并被校准的扇形辐射束对准，用以基本上防止不是直接从源透射的辐射到达该阵列；

转换装置，用于将闪烁体中产生的光脉冲转换为电信号；

传送装置，用于在源和检测器阵列之间传送物体；

计算装置，用于由电信号确定中子束以及X射线或伽马射线束的衰减计算装置，用于由电信号确定中子束以及X射线或伽马射线束的衰减和生成表示置于源和检测器阵列之间物体的质量分布和组分的输出；和

显示装置，用于基于所扫描的物体的质量分布和组分，显示图像。

本发明的优点在于，中子基本上是单一能量的。因此，可以使用简单的指数关系对中子透射建模，而且，更加准确地获得了信息，该信息对于材料识别是有用的。

根据本发明的至少一个实施例的设备具有增加的直接测量透射中子的优点，并且因此在与测量二次辐射(诸如中子感生伽马射线)的现有技术的系统进行比较时，其是更加有效率的。

该射线照相设备可以利用一个或者多个中子能量。在双中子能量技术的示例中，该射线照相设备可以利用两个管，一个用于通过氘-氚聚变反应产生基本上为14MeV的中子，而第二个用于通过氘-氘聚变反应产生基本上为2.45MeV的中子。在第二能量处的中子透射的测量可用于增强单一能量透射技术的能力。

X射线或者伽马射线源可以包括放射性同位素源，诸如⁶⁰Co或者¹³⁷Cs，其具有足够能量用于基本上穿过待成像物体。⁶⁰Co或¹³⁷Cs源可以具有约1MeV的能量，尽管取决于源，也可以使用其他的能量。可替换地，可以使用用于产生轫致辐射的X射线管，或者电子直线加速器。

X射线或伽马射线源以及中子源的校准有利地用于使散射最小。而且，源和检测器的适当的校准确保了窄的束几何形状，并且因此确保了在确定通过物体的中子和伽马射线衰减时的较大准确性。而且，高度校准的扇形束提供了增加的辐射安全性。校准块可由厚的石蜡、厚的混凝土、铁砂混凝土屏蔽块、钢、铅等制造。相似地，该检测器阵列或每个检测器阵列可以安放在检测器屏蔽件内，该检测器屏蔽件具有槽，以便于提供校准。检测器校准屏蔽件可由铁制成，并且可以具有大于约100mm的厚度。槽的宽度可被选择为允许中子和伽马射线从源直接通过到达检测器，并且保护检测器阵列以抵御散射的辐射。检测器槽可以具有与检测器阵列大致相同的宽度。源校准器槽可以是较窄的。

检测器阵列可以包括一个或者多个闪烁体像素列。

相同检测器阵列能够测定中子以及X射线或伽马射线。能量区分可用于区别信号，或者检测器可以顺序对中子以及X射线或伽马射线进行操作。使用相同检测器阵列测定中子以及X射线或伽马射线的优点在于，可以实现检测器阵列的成本的减小。

任选地，分立的检测器阵列可用于分别测定中子以及X射线或伽马射线，其具有或不具有分立的中子检测器校准器以及X射线或伽马射线检测器校准器。

闪烁体可被选择为使得它们的光谱响应同光电二极管紧密匹配。该闪烁体可以进一步由掩模环绕，以覆盖每个闪烁体的至少一部分，每个掩模具有第一反射表面，用于将逸出的光脉冲反射回闪烁体。该掩模将具有开口，以允许由光电二极管检测到闪烁体的光。该掩模可以包括PTFE带和/或Tyvek纸的层。有利地，用于中子的具有掩模的塑料闪烁体的效率可以大于10％。环绕闪烁体的材料用于确保逸出闪烁体的光被反射回来，以被检测到。在其中每个检测器阵列包括橙色光发射塑料闪烁体和硅光电二极管的示例中，该设备可以有利地具有较高的性能效率，允许更加快速地采集图像。而且，该设备可以在相对便宜的成本下制造。

硅树脂油、GE-688润滑脂、聚硅氧烷、光学粘合剂，诸如EljenEJ-500粘合剂等等，可用于使光电二极管光学耦合到各自的闪烁体。

在射线照相设备包括单一的检测器阵列用于测定中子以及X射线或伽马射线的情况中，闪烁体可以是塑料闪烁体或者液体闪烁体。

在其中射线照相设备包括两个中子源以及X射线或伽马射线源的另一示例中，闪烁体可以是塑料或液体闪烁体。在该示例中，闪烁体可以耦合到光电倍增管。

在射线照相设备包括分立的中子以及伽马射线检测器阵列的情况中，中子闪烁体可以优选地是塑料闪烁体或者液体闪烁体，而伽马射线闪烁体可以是塑料闪烁体、液体闪烁体或者无机闪烁体，诸如碘化铯、碘化钠或锗酸铋。可替换地，X射线或伽马射线检测器可以是电离室。

每个闪烁体的辐射接收面或者每个闪烁体的“面积”对应于单一像素。每个闪烁体的面积可以典型地小于约20mm×20mm。较小的面积导致了改善的空间分辨率。

每个闪烁体的厚度可在50至100mm的范围内，并且可以是检测效率和光采集效率的函数。在其中待成像的物体是集装器或ULD(诸如典型地用于机场环境中的集装器)的示例中，闪烁体阵列的辐射接收面可以具有约120mm×3300mm的尺寸，并且可以包括约1000个像素。在与近似10¹⁰中子/秒的14MeV中子源能量组合时，单一的ULD的内含物可以在约1分钟的时间周期内成像。

可替换地，可以使用分立的中子和伽马射线闪烁体，其包括，例如，约1000个中子像素和约500个伽马射线像素。在实践中，可以使伽马射线像素小于中子像素，其有利地提供了高分辨率的空间图像。

在另一示例中，转换装置可以包括光电倍增管和波长移位光纤(WSF)。在该示例中，来自闪烁体杆的行或列的光可由WSF采集，并且传输到多阳极光电倍增管。通过分度产生光脉冲的行和列，可以推断截取辐射的闪烁体杆。

转换装置可以包括低噪声和高增益放大器，用于放大输出信号。转换装置可以包括计算机，用以执行图像处理并且在计算机屏幕上向操作员显示图像。

检测器可以是温度控制的，用以减小噪声和提高稳定性。例如，光电二极管和前置放大器可以被冷却至约-10℃或更低。

在一个示例中，当扫描待成像的物体时，通过测量例如通过物体的14MeV中子的透射以及通过物体的1MeV的X射线或伽马射线的透射，获得了一个或多个输出。对于双能量中子扫描，还测量了通过物体的2.45MeV中子的透射。本发明不仅限于使用这些能量。

在其中使用单一的检测器阵列用于接收来自X射线或伽马射线源以及中子源的辐射能量的情况中，物体可被扫描多于一次。

在其中使用分立的检测器阵列用于接收来自中子源以及X射线或伽马射线源的辐射能量的情况中，输出信号可以包括来自第一闪烁体阵列的第一输出和来自第二闪烁体阵列的第二输出，其中第一输出相关于检测器的每个像素位置中的中子计数速率，而第二输出相关于检测器的每个像素位置中的X射线或伽马射线的计数速率。

每个源输入可以分开地进行处理。对于阵列的每个像素，可以分开地采集简单的闪烁光谱，用以推断关于每个像素的中子以及X射线或伽马射线的计数速率。然后可以组合该信息以形成完整的二维中子图像和完整的二维X射线或伽马射线图像。结果图像可以具有由像素尺寸决定的垂直分辨率，以及由像素尺寸和读出阵列所使用的频率决定的水平分辨率。

计算机还能够执行自动的材料识别。例如，透射输出可被转换为关于每个像素的质量衰减系数图像，用于显示在计算机屏幕上，且不同的像素值映射于不同的色彩。特别地，由利用14MeV中子以及X射线或伽马射线，或者14MeV中子、2.45MeV中子以及X射线或伽马射线中的每一个的透射而测量的计数速率，可以获得质量衰减系数图像。

质量衰减系数图像分析允许辨认多种无机和有机材料。该分析可以包括形成质量衰减图像对之间的截面比图像。取决于所利用的是单一的中子源还是两个中子源，可以由中子源以及X射线或伽马射线源的质量衰减系数图像，或者由第一和第二中子源、和第一或第二中子源、以及X射线或伽马射线的质量衰减系数图像，可以形成截面比图像。例如，14MeV中子以及X射线或伽马射线、14MeV中子和2.45MeV中子、以及2.45MeV中子以及X射线或伽马射线。有利地，该比独立于物体的质量。

其中组合截面比图像所利用的比例可以是操作员调节的，用以在图像中使针对特定检查物体的对比度和敏感度最大。

可以形成是两个截面比图像的组合的图像。

可以识别包含第一物质的图像中的两个区域，但是仅有一个区域可以包含第二物质。通过执行截面相减，可以有效地移除第一物质的图像，留下可用于进行识别的第二物质的图像。由X射线或伽马射线透射数据可以获得第二物质的质量。

在一个示例中，中子源和检测器是固定的，并且传送装置被配置为使物体在中子源和伽马射线源面前移动。在另一示例中，物体可以是固定的，并且传送装置被配置为使源和检测器在物体两侧中的一侧同步移动。在另一示例中，多组检测器可以绕居中安置的源安置，以允许同时获得对多个分立物体的扫描。这具有提高通过量的优点。在该示例中，传送装置可被配置为使物体在中子源和各自检测器之间移动。可替换地，源和检测器可以绕待检查的物体旋转，以允许获得多个视图。

物体能够在中子源、或者中子源以及X射线或伽马射线源面前移动的速率部分地取决于中子源和伽马射线源的强度。单一的14MeV的中子源的强度可以具有10¹⁰中子/秒的数量级，实际上其是尽可能高的，以便于改善计数统计。

物体能够在中子源以及X射线或伽马射线源面前移动的速率进一步取决于闪烁体阵列的辐射接收面和闪烁体的数目。此外，阵列的长度部分地取决于待成像的物体的长度。

物体可以在中子和伽马射线源以及检测器之间进行扫描，并且可以通过屏蔽通道。传送装置可以包括一对导轨，用于安置可以在其上面运送物体的台车或平台。可替换地，传送装置可以包括传送带或其他类似的配置，用于传递或拖拽物体通过通道。传送装置可以是自动化的，由此物体以可控的均匀速率平稳地在中子源面前运送。

本发明还可以应于海运货物、空运货物集装器(ULD)或者较小的货柜或包裹的非侵入式检查，以及违禁品、爆炸物和其他物品、物质及材料的检测。其可以提供关于对违禁材料(诸如在主要是无机基质中的有机材料)的改善特征，并且提供了针对特定类别的有机材料的检测和识别。其特别适用于检测隐藏在航空包裹、空运或者海运货柜中的爆炸物、毒品和其他违禁物品。

本发明的至少一个实施例的进一步的优点在于，使用了对用于产生中子的中子发生器的使用是能够打开和关闭的。

其还提供了检验过程的增加的自动化，同时减小了对人类操作员的依赖。

而且，其可以提供快的扫描速率，由此可以实现高的通过量。其是简单的、低成本的，并且使用了安全的辐射源；并且其是简单的低成本的辐射检测系统。其可以在高的测量速率和低的假警报概率下进行操作。

附图简述

现将通过参考附图描述本发明的数个示例，在附图中：

图1是射线照相设备的透视图；

图2是射线照相设备的检测器阵列的一个模块的示意图；

图3是算得的比R的条形图，即关于大量的良性材料、毒品材料和爆炸物材料的14MeV中子与⁶⁰Co伽马射线的质量衰减系数的比；

图4是算得的比R的图线，即关于成分范围的14MeV中子与⁶⁰Co伽马射线的质量衰减系数的比；

图5a是摩托车的伽马射线扫描的显示输出，图5b是显示输出，其中图像根据关于14MeV中子和伽马射线的质量衰减系数比R进行着色；

图6a是配置在木制架子上的材料样品和常见物体的选择的示意图；图6b是伽马射线扫描的显示输出；图6c是显示输出，其中图像根据关于14MeV中子和伽马射线的质量衰减系数比R进行着色；

图7a是材料样品、隐藏的违禁品、酒精、以及模拟的和真实的爆炸物的选择的示意图；图7b是伽马射线扫描的显示输出；图7c是显示输出，其中图像根据关于14MeV中子和伽马射线的质量衰减系数比R进行着色；

图8a是装有混合的家用电子金属用品、混凝土块和隐藏的违禁品的ULD的照片；图8b是伽马射线扫描的显示输出；图8c是显示输出，其中图像根据关于14MeV中子和伽马射线的质量衰减系数比R进行着色；图8d是对图8c进行了进一步的处理以强调有机材料的显示输出；

图9a是装有混合的家用用品和隐藏的毒品的ULD的照片；图9b是伽马射线扫描的显示输出；图9c是显示输出，其中图像根据关于14MeV中子和伽马射线R的质量衰减系数比R进行着色；图9d是对图9c进行了进一步的处理以强调有机材料的显示输出；

图10a是装有混合的家用用品和隐藏的毒品的ULD的照片；图10b是伽马射线扫描的显示输出；图10c是显示输出，其中图像根据关于14MeV中子和伽马射线R的质量衰减系数比R进行着色；图10d是对图10c进行了进一步的处理以强调有机材料的显示输出；

图11是在两个截面比的情况下的大量的良性材料、毒品材料和爆炸物材料的图像，即2.45MeV中子/14MeV中子的截面相对于14MeV中子/X射线或伽马射线的截面；

图12a是衣箱的模拟计数速率DT中子图像；图12b是衣箱的DD中子图像的模拟计数速率图像；图12c是衣箱的模拟计数速率X射线图像；图12d是DT/X射线截面图像，而图12e是DD/DT截面图像；并且

图13a是空运货柜的模拟14MeV中子图像；图13b是相同货柜的X射线图像；且图13c是相同货柜的组合图像。

用于实现本发明的最佳方式

图1说明了射线照相设备10的一般布局。设备10包括两个分立的辐射发生器，第一个是A-325MF Physics中子发生器，其具有D-T中子发射模块，用于产生具有14MeV的能量的中子能量源12。该中子发生器操作于80～110kV的电压。第二个辐射发生器是0.82GBq(或者22mCi)⁶⁰Co源14，用于产生伽马射线源，并且其位于中子发生器的右侧并与之相邻。中子发生器和⁶⁰Co源14置于源屏蔽壳体16内。

1600mm长且20mm宽的检测器阵列置于辐射源附近，并且安放在检测器屏蔽壳体20内。检测器阵列18(其在图2中更加清晰地示出)，由80个塑料闪烁体杆19(仅示出了其一部分)构建，每个闪烁体杆19具有20mm×20mm的辐射接收面积和75mm的长度。每个闪烁体杆19的辐射接收面积对应于图像框中的单个像素。术语“图像框”用于描述二维阵列，其包含在每个像素中测量的、在固定的时间间隔内累积的计数数目。闪烁体杆19由橙色塑料闪烁体制成，以便于使硅光电二极管21的光谱响应与各自塑料闪烁体匹配。光电二极管21通过光学粘合剂，光学耦合到各自闪烁体19。在每个橙色闪烁体杆和光电二极管的组合上绘制反射掩模，用以使任何逸出闪烁体杆的光的损失最小。

在主要的实施例中，由附装于杆19的末端的光电二极管21检测在杆19中由入射中子或者X射线或伽马射线产生的闪烁光。在第一变化方案中，来自闪烁体行或列的光由波长移位光纤采集并传输到光电二极管。通过分度产生光脉冲的行和列，可以推断截取辐射的闪烁体杆。在第二变化方案中，来自许多个闪烁体杆的光由波长移位光纤或透明光纤采集并引导至位置敏感的光电二极管或者多阳极光电倍增管，以允许通过单一的检测器读出多个闪烁体杆。在第三变化方案中，来自若干行或列的闪烁体杆的光由波长移位光纤采集并传输到位置敏感的光电二极管或者多阳极光电倍增器。通过分度所产生光脉冲的行和列，可以推断截取辐射的闪烁体杆。

由于各自光电二极管21不具有内部增益，因此信号调节电子装置23包括前置放大器，其与高增益放大器结合使用，以便于放大关于中子和伽马射线的输出信号。

设备10包括具有高达2.5m的宽度和1.7m的高度的ULD 28。每个待成像的ULD 28安放在平台30上，该平台30具有滑行装置，用以接合到一对导轨32。实际上，在机场中，可以在ULD被安放在其各自的台车上的同时被扫描，其中该台车用于在机场内运送ULD。ULD和它们的台车可被驱动到平台上，该平台以已知的速度越过辐射束。这将使机场中对ULD的处理减到最少。

提供了具有通道34的形式的另一屏蔽件。通道34是足够长的，使得可对设备进行操作而不需要处于两端中的任何一个末端处的门。这使得通过设备10的ULD的数目最大。

校准切口(未示出)切割在源和检测器屏蔽件中，分别用于限定扇形辐射束，其从源12和14指向辐射检测器18。检测器校准切口38和检测器18在通道34的整个高度上延伸。在屏蔽件34的侧面上提供了槽(未示出)，其与校准切口配合，并且用于使来自源12、14的辐射传递到检测器18。

屏蔽件16、20和34的每一个使伽马射线和中子衰减并吸收之。所使用的屏蔽材料包括混凝土、铁和聚乙烯。辐射屏蔽件16、20和34为设备的操作员或者其附近的其他人员提供了放射保护。

在操作中，待成像的物体置于平台30上，然后该平台30以机动方式通过通道34。在此处描述的全尺寸原型扫描仪中，平台30典型地以这样的速度进行操作，即每10mm的增量占用约40秒的采集时间。这对应于0.25mm/sec的速度；因此，需要约21/2小时采集整个ULD的图像。实际上，通过增加中子源的强度并且通过增加检测器阵列的面积，可以使ULD传送通过设备的速度增加超过100倍。

在物体通过通道34时，针对80像素的阵列的每个元素，单独地采集闪烁光谱。每当平台30移动10mm时，读出这些光谱并且将其重置，并且该光谱用于推断关于每个像素的中子和伽马射线计数速率。然后，汇编每个垂直带中的信息，以形成完整的二维中子和伽马射线图像。

结果图像具有由像素尺寸决定的20mm的垂直分辨率以及由读出80像素的阵列所使用的频率决定的10mm的水平分辨率。如下文所讨论的，执行该最终图像的解卷积，以修正任何的模糊，该模糊是作为扫描过程中平台30的运动与20mm宽度的像素的组合结果而出现的。

假设透射通过物体并且由每个图像的特定像素检测到的中子强度和伽马射线强度分别是I_n和I_g，并且透射并且在没有物体存在的每个图像的特定像素中检测到的中子强度和伽马射线强度分别是I_on和I_og。

这样，使用下式，可以计算通过密度ρ的物体的基本上是单一能量的快中子的衰减：

I_n/I_on＝exp(-μ₁₄ρx)                   (1)

相似地，通过物体的基本上是单一能量的伽马射线的衰减可以写作：

I_g/I_og＝exp(-μ_gρx)                     (2)

其中μ14是14MeV处的中子质量衰减系数，而μ_g是伽马质量衰减系数。这样，可以直接计算质量衰减系数比：

R＝μ₁₄/μ_g＝In(I_n/I_on)/ln(I_g/I_og)       (3)

其中R直接与物体的组分相关，并且其允许辨认广泛的多种无机和有机材料和成分。

图3和4说明了R辨认广泛的多种无机和有机材料的能力。可以广泛地辨认主要为碳水化合物基的自然材料，诸如棉、纸、木材以及许多食物，基于自然材料的蛋白质，诸如毛、丝和皮革，以及合成有机材料，主要是聚合物。如所说明的，无机材料，诸如陶器、瓷器和金属物体，容易地同有机材料区分开来。

由于伽马射线的较高的计数速率和较低的背景散射，因此伽马射线图像承载了大部分的关于形状和密度的信息。对于图像中的每个像素，计算量ln(I_g/I_og)，其与沿辐射源到正被讨论的像素的直线的每单位材料面积的总质量成比例。“Mexican-hat(墨西哥帽式)”锐化滤波器应用于该图像，以提高物体的清晰度，并且减小影响图像水平分辨率的运动和像素尺寸级模糊的作用。

中子和伽马射线图像的逐像素比承载了关于每个像素的平均组分的信息，其独立于居间的材料量。

由于中子图像中的相对低的计数统计，使得在组分图像中存在相当大的逐像素噪声。因此，5×5像素的高斯平滑滤波器应用于该图像。这减小了最终图像中的组分信息的分辨率，同时其显著提高了具有大于约50mm尺寸的物体组分中的细微变化的能见度。

在图5～10中示出了来自6次扫描的结果。灰度色标图像说明了单独的伽马射线扫描的结果，同样示出了通过传统的X射线扫描仪可以获得的结果。具有很小的或者不具有居间材料的区域显示为白色，而密度较大的材料显示为较深的灰色阴影。彩色图像将伽马射线形状、和密度信息、以及来自中子/伽马比图像的组分信息组合在一起。色彩的密度示出了材料的密度，且白色对应于无居间材料，而密度较大的区域具有饱和的色彩。像素的色彩对应于关于该像素的R值，较低的R值着色有蓝色，中间值着色有蓝绿色-绿色-黄色，而较高的值着色有橙色。R值和色彩之间的准确映射对于每个图像是不同的，对色标进行调节以在每种情况中显示最大的信息。对于ULD扫描，还呈现了增强的有机图像。这强调了有机图像区域，其着色有黄色、橙色和红色。

图5a说明了摩托车的单独的伽马射线扫描的结果。图5b说明了与来自摩托车的中子/伽马比图像扫描的组分信息组合在一起的伽马射线的形状和密度信息。该图像提供了该设备的整体成像能力的良好的指征。特别地，在图5中非常清楚地示出了细微细节，诸如前制动线52，即使它们比20mm的像素尺寸小很多。该车的金属框架54和发动机56在图5b中示为蓝色；而油箱中的燃料58、橡胶轮胎60、塑料座椅62和塑料灯示为橙色。机油箱(紧挨在撑脚架上面)中的油64，在与其周围的金属一起取平均时，显示为绿色块。相反地，由传统的伽马射线图像图5a，难于或不可能在油64和机油箱之间进行辨认。

图6a～6c说明了配置在木制架子上的材料样品和常见物体的选择。再一次地，如图6c中说明的，金属，诸如铁66、铅68和铝70显示为深蓝色。中间材料，诸如混凝土72、玻璃74(在计算机显示器75中)和陶瓷粉末(氧化铝，Al₂O₃)76显示为浅蓝色。最后，有机材料，包括海洛因77、脱氧麻黄碱78、可卡因80和TNT 82的成分模拟物，取决于材料的R值，显示出从绿色到橙色的多种色彩。利用密度并且利用组分，可以清楚地辨认顶层架上的两个瓷制雕像，一个填充有铁的砂84，且另一个填充有糖86。

图7a～7c说明了另一材料选择，这些材料包括隐藏的违禁品、酒精以及模拟的和真实的(Detasheet)爆炸物。三个中空的混凝土块安置在顶层架上。左手侧的块含有隐藏的有机材料94(毒品替代品)；中间的块是空的，而右手侧的块含有氧化铝粉末96。这三个块提供了隐藏在瓷制或陶制物体、中空的空物体以及具有加厚壁的中空的空物体中的毒品的简单模型。图7b的伽马射线清楚地在空的块95以及填满的块94和96之间进行辨认，但是其不能区分填充有毒品替代品的块94和填充有氧化铝的块96。相反地，图6c的中子图像清楚地显露出隐藏的有机填充物94，其显示为黄色/橙色块。在中层架的左手侧安置了两个容器，一个填充有纯酒精98(甲基化酒精)，且一个填充有水(H₂O)。酒精98被清楚地示为是更加“有机的”(较高的R值)，并且其主要色彩是橙色，而具有较低R值的水100主要是绿色。在相同层架上，模拟爆炸物102和真实爆炸物104显示为相同的色彩，其示出了模拟物是真实爆炸物的良好的替代品。在底层架上的是装有12个玻璃瓶的箱子，其中仅有四个玻璃瓶是可见的，两个填充有模拟的烈酒106(40％乙醇，60％水)，两个填充有水108。再一次地，填充有酒精的瓶子106显示出具有比水108(主要是蓝色)更高的R值(更多的绿色/橙色)。这与图7b中所示的几乎是不可辨认的瓶子是相反的。

图8a～8d、9a～9d、10a～10d说明了填充有多种物体的ULD的成像结果。在上述所有这些图中，有意地使ULD的填充是相对简单的，以简化对所获得的结果的讨论。特别地，通常出现的大部分包装材料(纸板箱、泡沫塑料、聚苯乙烯等)已被省略，由此可以清楚地看见ULD中的物体。应当认识到，实际上，大部分ULD是相当混乱的。

图8a～8d说明了填充有多种家用电子装置(电冰箱120和数个计算机122)、金属零部件、中空的混凝土块124(替代瓷制管道或者中空的雕像或雕塑)和工具的ULD。替代毒品126的两包塑料珠隐藏在一个计算机和一个混凝土块中。丙烷气瓶128也藏在ULD内部。图8a说明了ULD扫描仪的照片。图8b仅示出了伽马射线扫描的结果。没有一包毒品的替代品126是特别明显的。丙烷气瓶128可以基于其形状而得到识别，尽管其内容物的有机本质不是清楚的。图8c和8d根据中子/伽马比R进行着色，结果，在图8c中无机材料显示为蓝色(毒品替代品126和气瓶128)，而有机材料显示为橙色(计算机122和块124)。由操作员调节组合该两个图像所使用的比例，用以使关于着色为黄色和红色的有机材料的对比度和敏感度最大，并且使由重叠物体导致的杂乱回波的影响最小，在图8d中说明了该结果。可以清楚地识别两包隐藏的毒品126。

图9a～9d说明了具有隐藏在两台计算机122和一台电冰箱120内部的毒品124的ULD。虽然在图8b的伽马射线图像中可以看见，顶部的两台计算机122与底部的两台计算机有所不同，但是不清楚这是否是机器结构上的真实差别。然而，在图9c和9d中，即刻显见的是，该差别是由于大量的有机材料所导致的，如具有毒品124的这些区域的亮橙色所显示的。顶部的两台计算机122装有1kg包的塑料珠，其模拟成包的毒品。这与计算机结构126剩余部分的主要的蓝色(无机或者低R值)是极其不同的。相似地，由电冰箱120的图9b的伽马射线图像，不清楚图像中心的异常是否是电冰箱结构的一部分。然而，在图9c和9d中，可以看到，该异常124清楚地是有机的，并且与电冰箱的剩余部分中可见的主要无机结构(特别是右下方的压缩机125和顶部的冷冻室)是不同的。再一次地，在图9d的增强的有机图像中，隐藏的毒品124是清楚地可见的。此外，ULD中的其他有机材料(特别是电冰箱120后面的木制架子128和电冰箱120左侧的水容器127)也显示为橙色。

图10a～10d说明了具有真实的隐藏毒品的第二ULD(海洛因和脱氧麻黄碱各1kg)。海洛因130藏在中空的混凝土块132内部。脱氧麻黄碱134藏在小盒子里，其安置在装有衣服的较大的盒子136里。通过图10c和10d的组分图像中的着色，隐藏毒品的有机本质是明显的。再一次地，图10d的增强的有机图像有效地显露出隐藏的毒品130和134，特别地，混凝土块132内部的海洛因130着色有黄色。由于脱氧麻黄碱134隐藏在衣服盒子136里面(紧挨在自行车140的前叉后面)，因此在该情况中，组分区分缺乏显色的。但是，基于其形状和较高的密度，毒品包134可以作为潜在的异常而被识别。

所述的射线照相设备可以通过至少三种方式用于检测和识别违禁材料。第一，伽马射线图像提供了关于诸如ULD的物体内部的物体的形状、尺寸和密度的可观信息。基于此可以识别某些可疑材料。具体示例是隐藏在中空物体的空间或空腔内部的毒品包。第二，基于得自中子测量的组分信息对伽马射线图像着色，在扫描图像翻译和可疑材料识别中提供了有力的额外线索。特别地，很大程度上有助于检测主要为无机的物体内部的有机材料。第三，在某些环境下，该设备可用于测量可疑材料的中子/伽马比(R值)，以进一步协助对其进行识别。在被测物质周围存在很少的上面或下面的材料时，或者在紧挨测量区域附近的上面或下面的材料是适当均匀的时候，此方法起最佳的作用。在这些环境下，可以针对中子和伽马射线在该上面和下面的材料中的吸收，进行适当的修正，以获得真正关注的物质的R值。

第二实施例直接应用于关于14MeV和2.45MeV的双能量快中子透射实施例。然而，下面的讨论同样应用于不同于2.45和14MeV的能量的双能量透射。但是，与前面讨论的单一能量中子透射不同，在每个像素处测量三个计数速率，而非单中子透射中的两个，并且可以计算两个截面比。

假设来自每个图像的特定像素中的计数速率分别是r₁₄、r_2.45和r_X。这些速率相关于源点和检测点之间的(未知的)材料质量以及该材料关于14MeV中子、2.45MeV中子和X射线或伽马射线的(未知的)质量衰减系数，该质量衰减系数分别写作μ₁₄、μ_2.45和μ_X，其关系是：

r₁₄＝R₁₄exp(-mμ₁₄)            (4)

r_X＝R_Xexp(-mμ_X)               (5)

r_2.45＝R_2.45exp(-mμ_2.45)      (6)

其中R₁₄、R_2.45和R_X分别是不存在居间物体时的关于14MeV中子、2.45MeV中子以及X射线或伽马射线的计数速率。

可以直接计算截面比：

μ₁₄/μ_X＝log(r₁₄/R₁₄)/log(r_X/R_X)         (7)

μ_2.45/μ₁₄＝log(r_2.45/R_2.45)/log(r₁₄/R₁₄)(8)

应当注意，这两个比独立于源和检测器之间的束中存在的材料的质量。

由式(7)和(8)给出的截面比允许辨认广泛的多种有机和无机材料。

图11说明了2.45MeV中子截面对14MeV中子截面的比相对于14MeV中子截面对X射线或伽马射线截面的比，用于材料选择。两个截面比的可利用性进一步提高了本发明在不同的材料之间进行辨认的能力。因此，这三个质量衰减系数图像的分析允许推断关于所检查的物体内含物的信息。

考虑图12a～12e中示出的衣箱150的模拟图像，图12说明了使用双中子能量的另外的优点。图像12a～12c对应于式(4)、(5)和(6)，并且分别示出了14MeV中子、2.45MeV中子以及X射线或伽马射线的透射。图像12d～12e对应于式(7)和(8)，并且分别示出了DT/X射线和DD/DT的截面。

衣箱150填有由棉和毛构成的衣服，并且装有多种良性的和可疑的物体。瓶子152装有水，而瓶子154装有烈酒。在衣箱150的右下方可见的三个块是纸装书156、海洛因158和RDX爆炸物160。衣箱150的右上方的枪162也是可见的。

由传统的X射线图像12c，难于或不可能在两个瓶子152、154的内含物之间进行辨认，或者难于或不可能在箱子的右手侧的具有相似密度的三个包裹156、158、160的内含物之间进行辨认。中子图像12a、12b提供了不同材料之间的较强的对比度，但是最佳的结果是通过截面比图像12d和12e获得的。特别地，如图12a和12b所示的书156实际上在图12d和12e中消失了，这是因为纸具有同周围衣服相似的组分，而图12e中的毒品158以及图12d和12e中的爆炸物材料160可以得到清楚地辨认。在图12d和12e中还看到了装有水152和烈酒154的瓶子之间的清楚的差别。

在双中子透射方法的第一变化方案中，操作员形成新的图像，其是两个截面比图像的线性组合。由操作员调节组合两个图像所利用的比例，用以使关于违禁材料的对比度和敏感度最大，并且用于使由重叠物体导致的杂乱回波的影响最小。

图13a～13b分别说明了从侧面获取的货柜170的模拟的14MeV中子和X射线的图像。钢管176由于它们的高密度而主导了图像，使得难于看见计算机设备的轮廓。然而，通过由式(7)和(8)给出的两个截面比图像而形成单一的图像图13c，可以移除与钢管176相关联的杂乱回波，以显露出计算机盒子174。

通过参考图11，可以理解此方法。选择图像(7)和(8)的线性组合等效于，根据图像像素离开在图11上绘制的任一取向直线的距离对该图像像素着色。通过将此直线选择为与两个选定材料平行，使任何这些材料的组合着色有相同的色彩。在所讨论的示例中，该直线被选择为与连接钢和计算机的聚苯乙烯包装的直线平行。这样，可以使钢管在其通过计算机面前的地方在很大程度上消失。图13c示出了此处理的结果。

尽管讨论了本发明的此一个示例，但是应当认识到，该实施例仅是利用本发明的原理的许多实施例中的一个。尽管在上面的示例中，辐射源置于待检查物体的一侧，并且检测器置于相对侧，但是在第一变化方案中，源置于待检查物体的上方或者下方，检测器位于相对侧(分别是下方或上方)。在第二变化方案中，源和检测器可以绕待检查的物体旋转，以允许获得多个视图。在第三变化方案中，多组源和检测器允许同时采集相同物体的多个视图。在第四变化方案中，多组检测器绕中心源安置，以允许同时获得多个物体的视图。

显然，在操作中，待扫描的物体可以在传送带上通过通道，或者可以通过使用适当的机构拉或者推该物体。

尽管在上面的实施例中，在通过分析仪扫描物体时，两个辐射源顺序进行操作。但是在第一变化方案中，通过分析仪扫描物体两次，每次扫描时操作一个源。在第二变化方案中，每个源具有分立的相关联的检测器，并且仅对物体扫描一次。在第三变化方案中，两个辐射源同时进行操作，使用单一的检测器，并且使用能量区分来区别由中子以及X射线或伽马射线获得的信号。

在变化方案(双中子能量实施例)中，辐射源包括三个分立的辐射发生器，一个产生14MeV中子，一个产生2.45MeV中子，最后一个产生高能量X射线或伽马射线辐射。中子源是密封管中子发生器或者其他的具有相似特性的紧凑型源，通过D-T和D-D聚变反应产生中子。

在通过分析仪扫描物体时，三个辐射源顺序进行操作。在第一变化方案中，通过分析仪扫描物体三次，每次扫描时操作一个源。在第二变化方案中，每个源具有分立的相关联的检测器，并且仅对物体扫描一次。在第三变化方案中，两个或更多的辐射源同时进行操作，并且使用能量区分来辨认由高能量中子、低能量中子以及X射线或伽马射线获得的信号。

本领域的技术人员将认识到，在不偏离所广泛描述的本发明的精神或范围的前提下，可以对如具体实施例所示的本发明进行多种修改和/或变化。因此，本实施例在所有方面应被认为是说明性的而非是限制性的。

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Claims (26)

1.一种射线照相设备，包括：

第一中子源，所述第一中子源为基本上是单一能量的快中子源，该快中子是通过氘-氚或者氘-氘聚变反应产生的，该单一能量的快中子源包括用于产生中子的密封管发生器；

分立的X射线或伽马射线源，其具有足够能量用于基本上穿过待成像物体；

校准块，其环绕中子源以及X射线或伽马射线源，而且其提供一个或者多个槽，用于发射基本上扇形的辐射束；

检测器阵列，其包括多个的独立的闪烁体像素，用于接收自各个源发射的中子辐射以及X射线或伽马射线辐射并且将接收的辐射能量转换为光脉冲，该检测器阵列与自校准块发射并被校准的扇形辐射束对准，用以基本上防止不是直接从每个源透射的辐射到达该阵列；

转换装置，用于将闪烁体中产生的光脉冲转换为电信号；

传送装置，用于在每个源和检测器阵列之间传送物体；

计算装置，用于由电信号确定中子束以及X射线或伽马射线束的衰减和生成表示置于每个源和检测器阵列之间物体的质量分布和组分的输出；和

显示装置，用于基于所扫描的物体的质量分布和组分，显示图像。

2.权利要求1的射线照相设备，其中X射线或者伽马射线源包括¹³⁷Cs、⁶⁰Co或者具有基本上为1MeV的能量的相似的放射性同位素源。

3.权利要求1的射线照相设备，其中X射线或者伽马射线源包括通过靶上的轫致辐射产生X射线的X射线管或者电子加速器。

4.权利要求1的射线照相设备，其中中子源产生中子，该中子相比于来自X射线或伽马射线源的X射线或伽马射线具有基本上更高的能量，其中中子源以及X射线或伽马射线源被配置为通过校准块中的相同槽，并且使用了单一的检测器阵列，该检测器阵列包括塑料或液体有机闪烁体的独立像素，其中基于伽马射线和中子淀积于闪烁体上的能量，在X射线或伽马射线和中子之间进行区分。

5.权利要求1的射线照相设备，其中中子源以及X射线或伽马射线源被配置为通过校准块中的相同槽，并且使用了单一的检测器阵列，该检测器阵列包括塑料或液体有机闪烁体的独立像素，其中中子源以及X射线或伽马射线源交替操作。

6.权利要求1的射线照相设备，其中中子源以及X射线或伽马射线源被配置为通过校准块中的分立的平行槽，并且使用了两个检测器阵列，一个包括用于中子检测器的塑料或液体有机闪烁体的独立像素，并且一个包括用于检测X射线或伽马射线的塑料、液体或无机闪烁体的独立像素。

7.权利要求4的射线照相设备，其中源和检测器的校准器的每个槽是足够宽的，以确保由源对检测器的完全照射，同时使对散射辐射的检测最小。

8.权利要求1的射线照相设备，其中进一步包括第二中子源，所述第二中子源是第二密封管中子源，其通过氘-氚或者氘-氘聚变反应中的任一种产生中子，其中第二中子源使用与第一中子源互补的聚变反应。

9.权利要求8的射线照相设备，其中来自第二中子源的中子在分立的校准检测器阵列中被检测到，该检测器阵列包括塑料或液体有机闪烁体的独立像素。

10.权利要求9的射线照相设备，其中第一中子源或第二中子源中的一个具有基本上为14MeV的能量，而另一个中子源具有基本上为2.45MeV的能量。

11.权利要求8的射线照相设备，其中转换装置包括多个光电二极管，其中闪烁体材料是可选择的，以具有同光电二极管的响应基本匹配的发射波长。

12.权利要求1的射线照相设备，其中转换装置包括交叉波长移位纤维，其耦合到多个单阳极或多阳极光电倍增管。

13.权利要求11的射线照相设备，其中来自转换装置的电信号用于推断来自中子源的中子以及X射线或伽马射线通过所扫描的物体的透射，或者推断来自第一中子源的中子、X射线或伽马射线以及来自第二中子源的中子通过所扫描的物体的透射。

14.权利要求13的射线照相设备，其中透射被用于计算关于用于显示的每个像素的质量衰减系数图像，其中不同的像素值映射到不同的色彩，该图像基于由这些计算推断的质量分布和组分。

15.权利要求1的射线照相设备，其中计算装置包括计算机，用于执行图像处理和在计算机屏幕上显示图像。

16.权利要求15的射线照相设备，其中输出可转换为关于每个像素的质量衰减系数图像，用于显示在计算机屏幕上，其中不同的像素值映射到不同的色彩。

17.权利要求16的射线照相设备，其中质量衰减系数图像可获得自计数速率，该计数速率是通过关于氘-氚中子或氘-氘中子以及X射线或伽马射线，或者关于氘-氚中子、氘-氘中子以及X射线或伽马射线的每种情况的透射而测量的。

18.权利要求17的射线照相设备，其中计算机可操作用于获得质量衰减系数图像对之间的截面比图像。

19.权利要求18的射线照相设备，其中组合截面比图像所使用的比例是可调节的，用以使针对图像中所检查的特定物体的对比度和敏感度最大。

20.权利要求18的射线照相设备，其中计算机能够基于所测量的截面，执行自动材料识别。

21.权利要求19的射线照相设备，其中组合截面比图像所使用的比例是可由操作员调节的。

22.权利要求1的射线照相设备，其中源和检测器阵列是固定的，并且运送机构被配置为使物体能够在中子源面前移动。

23.权利要求1的射线照相设备，其中物体是固定的，并且运送机构被配置为使源和检测器阵列在物体两侧中的任何一侧同步移动。

24.权利要求1的射线照相设备，其中多个检测器组置于居中安置的源周围，以允许同时获得对多个分立物体的扫描。

25.权利要求1的射线照相设备，其中氘-氘和/或氘-氚中子源的强度具有10¹⁰中子/秒的数量级，或者实际上尽可能地高。

26.权利要求11的射线照相设备，其中闪烁体由掩模环绕，以覆盖每个闪烁体的至少一部分，该每个掩模具有第一反射表面，用于将逸出的光脉冲反射回闪烁体。

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