DE69030483T2

DE69030483T2 - Verwendung der kernresonanzen in der aktivierungsanalyse, insbesondere zum nachweis der anwesenheit von auf stickstoffbasierten sprengstoffen in gepäck

Info

Publication number: DE69030483T2
Application number: DE69030483T
Authority: DE
Inventors: Joseph H. Jr. East Hampton Ny 11937 Brondo; Kamil V. Aberdeen Ab2 35E Ettinger
Original assignee: Scientific Innovations Inc
Current assignee: Scientific Innovations Inc
Priority date: 1989-05-08
Filing date: 1990-05-08
Publication date: 1997-11-27
Anticipated expiration: 2010-05-09
Also published as: DK0425662T3; EP0425662A1; ATE151877T1; DE69030483D1; WO1990013811A1; CA2032515A1; CA2032515C; EP0425662B1; IL94328A0; ES2103272T3; US5040200A; US5293414A; EP0425662A4; IL94328A; AU5815490A

Description

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Abtasten eines Objektes auf ein Element von Interesse und insbesondere auf Stickstoff in auf Stickstoff basierenden Explosivstoffen. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung, bei der die Resonanz von γ-Strahlen verwendet wird, durch die γ-Strahlen durch das nachzuweisende und zu analysierende Element von Interesse gestreut werden, wobei eine Darstellung der Konzentration des Elements von Interesse in dem Objekt erhalten wird.
Die vorliegende Vorrichtung und das vorliegende Verfahren kann weiterhin zum Nachweis von Drogen, der Zusammensetzung des Körpers, in industriellen Anwendungsbereichen, zum Nachweis einer Substanz, der Nahrungsmittelanalyse und in medizinischen Anwendungen, einschließlich der Veterinärmedizin, eingesetzt werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen γ-Strahlendetektor, bei dem ein Kernresonanz- Fluoreszenz-Filterelement eingesetzt wird.
Die Technik der Kernresonanz-Fluoreszenz wurde sowohl qualitativ als auch quantitativ zur Analyse von Elementen und Isotopen eingesetzt. Spezifische Anwendungsbereiche beinhalten Vorrichtungen zur Bohrlochmessung, zum Bohrlochschürfen, zur Analyse während des Betriebs und zur Analyse von Planetenoberflächen.
Eine erhebliche Bedrohung für das menschliche Leben und Eigentum besteht dann, wenn eine explosive Vorrichtung im Gepäck oder in Paketen versteckt in Gebäude, Flugzeuge usw. eingebracht wird. Als Ergebnis besteht ein Bedarf der Öffentlichkeit und des privaten Sektors des Landes nach einer verläßlichen Technik zum Nachweis derartiger explosiver Vorrichtungen. Da die Bedrohung terroristischer Aktivitäten in der Welt, insbesondere auf Flughäfen, anstieg, stieg die Nachfrage nach einer wirksamen und praktischen Vorrichtung zum Abtasten von Gepäck zur Bestimmung der Anwesenheit von Explosivstoffen.
Es ist wohlbekannt, daß Explosivstoffe durch Bestimmen der Stickstoffmenge in dem untersuchten Objekt nachgewiesen werden können. Eine Technik zum Nachweis von Stickstoff ist das vorliegende Verfahren der Kernresonanz-Fluoreszenz (Kernresonanz- Streuung).
Die US-P-3,171,961 betrifft ein Verfahren zum Bohrlochmessen mittels Kernresonanz- Fluoreszenz um einen bestimmten Kern, insbesondere Kohlenstoff und Sauerstoff, nachzuweisen. Kernreaktionen werden als ein Verfahren zum Liefern von Strahlung beschrieben, wobei ein auftreffendes Nucleon aus einem Beschleuniger dazu verwendet wird, einen angeregten Kern der nachgewiesenen Atome in einer geologischen Schicht zu erzeugen.
Die US-P-2,726,838 betrifft die Verwendung der Reaktion zwischen beschleunigten, elementar geladenen Teilchen und Zielmitteln, um eine monoenergetische Neutronenquelle zum Beschuß des analysierten Objekts bereitzustellen, wobei eine radioaktive Antwort, die nachgewiesen wird, erzeugt wird. Die bevorzugte Reaktion ist die Reaktion von Deuteronen mit Tritium.
Die US-P 3,780,294 betrifft die Verwendung von Kernfluoreszenz zur Elementaranalyse. Die Verwendung eines Beschleunigers zur Bereitstellung von bombardierenden Teilchen für Kernreaktionen zur Herstellung von γ-Strahlen wird erläutert, wobei der Erfinder darauf hindeutet, daß die Doppler-Verbreiterung zu groß ausfallen kann und daher kein gutes Verfahren zur Bildung von γ-Strahlen liefert.
Ein Verfahren und ein System zum Nachweis von stickstoffhaltigen Explosivstoffen ist aus der EP-A-0 354 326 bekannt. Das Verfahren zum Nachweis eines stickstoffhaltigen explosiven Materials in einem Objekt setzt Kernresonanz-Absorption ein. Das zu untersuchende Objekt wird zwischen einer γ-Strahlenquelle mit 9,17 MeV und einem γ-Strahlendetektor, der ein stickstoffhaltiges Medium enthält, angeordnet. Die gesamte und nicht-resonante Attenuation des γ-Strahlenflusses wird durch den Detektor abgelesen und in ein Aufzeichnungsgerät eingebracht. Aus der gemessenen Attenuation wird die Netto-nicht- Resonanz-Attenuation berechnet und die Menge eines in dem Objekt vorhandenen stickstoffhaltigen Explosivstoffes wird daraus bestimmt. Durch die Erfindung wird weiterhin ein System zum Nachweis eines stickstoffhaltigen Explosivstoffes in einem Objekt bereitgestellt.
Die US-A-3,171,961 offenbart eine Vorrichtung zum Abtasten einer durch ein Bohrloch durchdrungenen Erdformation, welche Mittel zur Erzeugung primärer γ-Strahlen der erforderlichen Energie umfaßt, die durch das nachzuweisende Element unter Resonanz gestreut werden sollen. Die Mittel zur Erzeugung von γ-Strahlen beinhalten einen Beschleuniger, der auf ein Ziel gerichtete Wasserstoffionen ausstößt, wobei angeregte Atome des Elements von Interesse gebildet werden, die die Anregungsenergie abgeben und einen γ-Strahlen-Strahl der erforderlichen Energie liefern, der durch das Element von Interesse unter Resonanz gestreut werden sollen. Die bekannte Vorrichtung umfaßt weiter Mittel zum Nachweis der unter Resonanz gestreuten γ-Strahlen und zur Erzeugung eines Ausgabesignals, das die Energie der unter Resonanz gestreuten γ-Strahlen anzeigt, und Mittel zur Verarbeitung und Analyse des Ausgabesignales zur Bestimmung der Menge des Elements von Interesse.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Genauigkeit einer Vorrichtung und eines Verfahrens zum Abtasten eines Objektes zur Bestimmung der Konzentration eines Elements von Interesse zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des die Vorrichtung betreffenden Anspruches 1, und durch die Merkmale des das Verfahren betreffenden Anspruches 19 gelöst.
Die Ansprüche 2 bis 18 und 25 bis 30 und 32 betreffen weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Ansprüche 20 bis 22, 31 und 33 betreffen weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Ansprüche 23 und 24 betreffen die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Untersuchung eines Stoffes von Interesse.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert, in denen
Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Nachweis auf die Anwesenheit eines Elementes von Interesse ist,
Fig. 2 ein Kernresonanzschema von Resonanzen geladener Teilchen für ¹&sup4;N ist,
Fig. 3 eine astabile Energiesteuerung für die Resonanz geladener Teilchen erläutert,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Stabilisierung der Strahlenintensität und der Strahlenergie bei einer γ-γ-Analyse darstellt,
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines passiven Kernresonanz-Fluoreszenznachweises gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt,
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines aktiven Kernfluoreszenz-Nachweises ist, welche eine aktive NRF-Streuvorrichtung und einen γ-Detektor gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt,
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines aktiven NRF-Detektors ist, der eine aktive NRF-Streuvorrichtung in einem γ-Detektor gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt.
Das γ-γ-Resonanzverfahren ist eine Anwendung des als Kernresonanz-Streuung oder Kernresonanz-Fluoreszenz bekannten Phänomens. Bei dieser Technik wird eine γ-Strahlung mit geeigneter und genau gewählter Energie dazu verwendet, die entsprechenden Energieniveaus des analysierten Objekts anzuregen, das die Rolle des Streumittels aufweist. Die unter Resonanz gestreute Strahlung wird dann nachgewiesen und analysiert.
Das Phänomen der Kernresonanz-Fluoreszenz ist ein spezieller Fall der elastischen Streuung von Photonen durch Kerne, wobei die sich Energie des Photons und des Kernniveaus genau entsprechen. Dieses Verfahren, das im Vergleich zu anderen Photonenstreuverfahren durch einen äußerst großen Wirkungsquerschnitt gekennzeichnet ist, wurde fast ausschließlich zur Bestimmung von Kern-Halbwertzeiten verwendet und wurde zur Aktivierungsanalyse von Mineralien unter Bestimmung der Konzentration einiger Elemente in vivo im Menschen eingesetzt. Bei der Aktivierungsanalyse wurde die Kernresonanz- Streuung als ein Verfahren zum Anregen von Kernniveaus in den analysierten Objekten verwendet.
Ein von einem ursprünglich in Ruhe befindlichen Kern emittierter γ-Strahl weist eine Energie auf, die nur in Annäherung gleich dem Unterschied zwischen den bei dem Strahlungsübergang beteiligten Energieniveaus ist. In der Tat fehlt dem emittierten Quantum die Energiemenge, die von dem zurückfedernden Kern aufgenommen wird.
Photonen sind durch ihre Energie Eγ und ihren Impuls Pγ gekennzeichnet, die durch
Pγ = Eγ/c ...(1)
miteinander verknüpft sind, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist.
Wenn daher ein angeregter Kern, der ursprünglich im Ruhezustand ist und in einem gegebenen Umfang zurückfedern kann, durch Emission eines γ-Strahls die Energie abgibt, erfordert der Erhalt des Impulses, daß dieser Kern in entgegengesetzter Richtung zum Photon zurückfedert.
Die Rückstoßgeschwindigkeit, V, wird durch den Impulserhalt bestimmt:
MV = -Eγ/c ...(2)
wobei M die Masse des Kerns ist.
Der Energieausgleich ergibt:
E = MV²/2 + Eγ ...(3)
wobei E die Energie des Strahlungsübergangs ist. Sie kann auch wie folgt geschrieben werden:
E = Eγ + E²γ/2Mc² ...(4).
Die Energie der emittierten γ-Strahlung liegt daher etwas unter der Übergangsenergie. Der Unterschied, ausgedrückt in praktischen Einheiten, beträgt:
E - Eγ = (5,37 x 10&supmin;&sup4;) Eγ²/A [in MeV] ...(5)
wobei A die Atomzahl des emittierenden Kerns ist. Da E sich von Eγ nicht sehr unterscheidet, kann die folgende Annäherung durchgeführt werden:
E - Eγ = (5,37 x 10&supmin;&sup4;) E²/A ...(6).
Ein ähnliches Phänomen wird bei der Absorption von γ-Strahlen beobachtet, d.h. die gleiche Energiemenge wird dem zurückfedernden Kern übertragen. Die Photonenergie, die erforderlich ist, einen Übergang E anzuregen, ist:
Eγ = E + E²/2Mc² ...(7).
Das der Übergangsenergie E entsprechende Photon liegt daher um die Energiemenge E²/Mc² neben der Resonanz. In anderen Worten, der Kern kann seine eigene Strahlung nicht absorbieren, wenn der Unterschied beider Rückstöße, d.h. im Zeitpunkt der Emission und im Zeitpunkt der Absorption nicht auf irgendeine Art und Weise kompensiert wird.
Wird ein γ-Strahl durch einen Kern emittiert, der sich hinsichtlich des Detektors oder der Streuvorrichtung bewegt, dann ist eine kleine Energieverschiebung zu beobachten. Dieser Effekt wird in Analogie mit dem gleichen, bei der Akustik beobachteten Phänomen Dopplereffekt genannt. Ist v die Kerngeschwindigkeit vor der Emission, dann besteht das folgende Verhältnis:
Eγ = E'γ [1 + (v/c)cos ν] ...(8)
wobei ν der Winkel zwischen der Richtung des Rückstoßes und der Richtung des γ-Quants ist. Die Verwendung des Dopplereffektes war das hauptsächliche Verfahren zur Kompensierung der Energie-Unterschieds zwischen dem Photon und dem jeweiligen Kernniveau. Er wurde so eingesetzt, daß emittierende und streuende Mitteln in Bezug zueinander direkt mechanisch bewegt wurden, indem das emittierende oder absorbierende Mittel erhitzt oder indem der Rückstoß des Kerns beim β-Zerfall kurz vor der Emission des γ-Strahlen-Photons verwendet wurde. Eine ähnliche Dopplerenergie-Kompensation kann beim Aufeinandertreffen von Kernen erhalten werden, bei dem angeregte Photonen erzeugt werden.
Der durch den Rückstoß bewirkte, mit einer Absorption einhergehende Energieverlust kann durch Anregen der primären emittierenden Mittel mit schnellen, geladenen Teilchen über das Verfahren der unelastischen Streuung kompensiert werden. Bei diesem Verfahren übernimmt der Kern einen Teil der kinetischen Energie der auftreffenden Teilchen und das Maß der Kompensation hängt von dem Winkel zwischen der Bewegung des getroffenen Kerns und der Richtung ab, in der das durch die Energieabgabe hervorgerufene Quant emittiert wird.
In ähnlicher Art und Weise ist es möglich, eine kompensierende Verschiebung der γ- Strahlen-Energie beim Einfangen von Neutronen zu erhalten. Bekanntermaßen ist die Energie einiger emittierter γ-Strahlen etwas höher als jene in dem thermischen Neutroneneinfang-Spektrum, wenn epithermische Neutronen in sehr kurzlebigen, energetisch verbreiterten Zuständen eingefangen werden. Das Einfangen eines Neutrons mit einem nicht bei Null liegenden Energieniveau stellt ebenfalls eine nicht-elastische Kollision dar und der einfangende Kern zeigt daher aufgrund des Impulseserhalts einen Rückstoß.
Das Verfahren der Streuung und der Resonanz (NRF) wurde in der Vergangenheit zur Aktivierungsanalyse verwendet, wobei jedoch das Verfahren zur Herstellung der angeregten Strahlung eine Neuheit darstellt. Dieses Verfahren beruht auf der Ausnutzung des Phänomens der Resonanz geladener Teilchen, ein gegenüber der vorstehend beschriebenen Streuung unter Resonanz von γ-Quanten unterschiedlicher Resonanzeffekt.
Die normale Kernreaktion ist durch die Wechselwirkung des auftreffenden Teilchens mit einem stationären Ziel-Kern unter Vernachlässigung der thermischen Bewegung des letztgenannten gekennzeichnet. Als Folge der Wechselwirkung kann eine Kernreaktion ablaufen und das Auftreffen der Teilchen kann gestreut, eingefangen werden, zerfallen (abreichern) oder kann durch Aufnahme eines Nucleons aus dem Ziel vergrößert werden. Der Ziel-Kern kann, abgesehen vom Rückstoß, angeregt werden unabhängig davon, ob es in eine andere Spezies umgewandelt wird oder nicht. Resonanz findet statt, wenn das aus dem auftreffenden Teilchen und dem Ziel-Kern bestehende System eine Energie aufweist, die gleich dem Energieniveau des gebildeten, zusammengesetzten Kerns ist. Ein angeregter Kern kann für einige Zeit in dem metastabilen Zustand vorliegen, oder kann nahezu augenblicklich unter Emission von γ-Quanten oder anderen Teilchen die Energie abgeben. In der Tat kann es mehr als eine Art des Zerfalls eines angeregten Zustands geben. Der Wirkungsquerschnitt für diese Reaktionen ist eine Funktion der Energie und kann im allgemeinen als Resonanz oder Nicht-Resonanz klassifiziert werden, wobei die Grenze zwischen diesen zwei Typen in der Grauzone liegt. Beispiele nicht-resonanter Reaktionen sind Coulomb- und Potential-Streuung und die sogenannten direkten Reaktionen, wie Ablösen (die Oppenheimer-Phillips-Reaktion ist ein Spezialfall dafür) oder Aufnehmen. Der Ausdruck "Resonanz-Reaktionen" wird für Verfahren verwendet, bei denen der Querschnitt ein ausgesprochenes Maximum und Minimum zeigt, wenn die Energie des auftreffenden Teilchens variiert wird. Von dem Gesichtspunkt der beabsichtigten Verwendung bei der Aktivierungsanalyse sind die wichtigen numerischen Parameter der Resonanz- Reaktion, gelegentlich als einfach "Resonanzen" bezeichnet, die Energie des Projektils, die Energie der angeregten Niveaus, die Energie der emittierten γ-Strahlen oder der geladenen Teilchen, der Wirkungsquerschnitt beim Peak der Resonanz (Barns) oder das Integral der Wirkungsquerschnitte über den Bereich der Resonanz (Barns x eV) und die Resonanzweite (eV).
Die erfindungsgemäße Streuvorrichtung wird in Fig. 1 in einer bevorzugten Ausführungsform zum Abtasten von Gepäck schematisch gezeigt. Die Vorrichtung beinhaltet generell ein Gehäuse 10 mit einem Hohlraum 11 zur Aufnahme eines Objekts 12, das abgetastet werden soll. Das Gehäuse kann ein Mittel zum Transportieren des Objektes 12 durch den Hohlraum 11 enthalten. Der Beschleuniger 13 liefert Wasserstoff- oder schwerere Ionen, vorzugsweise Wasserstoff- oder Deuteriumionen, die auf ein Ziel 14 gerichtet sind, um angeregte Atome des Elements von Interesse zu liefern, die ihre Energie abgeben, und dabei primäre γ-Strahlen erzeugen, die mittels eines Kollimators 16 parallel ausgerichtet werden. Die parallel ausgerichteten γ-Strahlen 15 weisen die erforderliche Energie auf, um unter Resonanz durch das Element von Interesse in dem Hohlraum 11 gestreut zu werden. Die unter Resonanz gestreuten γ-Strahlen 17 werden mittels eines Detektors 18 nachgewiesen, der Ausgabesignale erzeugt, die die Energie der γ-Strahlen 17 darstellen. Die Winkel zwischen dem Strahl der geladenen Teilchen in dem Beschleuniger 13 und dem Strahl der parallel ausgerichteten γ-Strahlen 15 können, wie auch der Winkel zwischen den parallel ausgerichteten γ-Strahlen 15 und den unter Resonanz gestreuten γ-Strahlen 17, die den Detektor 18 erreichen, unterschiedlich sein. Mittel 19 verarbeiten und analysieren die Ausgabesignale zur Bestimmung der Menge des Elements von Interesse. Der Detektor 18 mißt die unter Resonanz gestreuten γ-Strahlen 17 vorzugsweise in einem Winkel von 45º bis 175º, am meisten bevorzugt über 90º in Bezug auf die Beschußachse, bei der die primären γ-Strahlen 15 mit dem abzutastenden Objekt 12 interagieren.
Das auftreffende Teilchen interagiert mit dem Ziel-Kern unter Bildung eines Zwischen- Kerns. Die Energie des Zwischen-Kerns ist unter Vernachlässigung des Rückstoßes gleich der Summe der Bindungsenergie des Projektils in dem Ziel zuzüglich der kinetischen Energie im Zentrum der Masse des Projektils. Wenn diese Anregungsenergie einem der Energieniveaus des Verbund-Kerns entspricht, tritt Resonanz auf und der entsprechende Wirkungsquerschnitt zur Erzeugung von γ-Strahlen zeigt ein Maximum. Die Intensität der γ-Strahlen, die durch Abgabe von Energie gebildet werden, erreicht ein Maximum. Beispiele derartig geladener Teilchen-Resonanzen sind die Reaktionen C-13 (p, γ) N-14 bei einer Energie von 1747,6 keV und C-12 (d, γ) N-14 bei einer Energie von annähernd 2500 keV. Die (p, γ)-Reaktionen wurden in J.W. Butler, "Report of the Naval Research Laboratory", NRL-5282 (1959) aufgelistet. Neuere Daten über Resonanzen geladener Teilchen können in "Nuclear Data Sheets" und weiter in den von Endt und Ajzenberg- Selove in "Nuclear Physics" ser.A. regelmäßig veröffentlichten Zusammenfassungen von Kernenergieniveaus aufgefunden werden.
Ein Beispiel eines Kernniveau-Schemas mit einer Angabe der geladenen Teilchenresonanz für N-14 aus "Nuclear Data Tables" ist in Fig. 2 gezeigt. Die vertikalen Linien zeigen die angenäherte Form der Abhängigkeit des Reaktions-Querschnittes von der Energie des Proton- oder Deuteron-Projektils. Die γ-Übergänge finden zwischen den Niveaus des schlußendlichen Kerns ab und deren Intensitäten hängen von den Wahrscheinlichkeiten der verschiedenen Übergänge ab. Die Resonanzen bei 1747 keV und 550 keV für C-13 p und die Resonanz bei annähernd 2500 keV für C-12 + d sind klar erkennbar. Resonanzen, bei denen γ-Strahlen erzeugt werden und die zur Aktivierungsanalyse eingesetzt werden können, beinhalten weiter Reaktionen mit α-Teilchen und mit anderen schweren Ionen, sogar solchen, bei denen schwere geladene Teilchen wieder emittiert werden.
Die bei diesen Resonanzen emittierten γ-Strahlen können zur Anregung des Streumittels (des analysierten Objekts) in der Aktivierungsanalyse-Technik eingesetzt werden. Diese γ- Strahlen beinhalten Übergänge in den Grundzustand, wenn diese nicht insbesondere durch Auswahlregeln verhindert sind und entsprechend daher annähernd den Energieniveaus in dem Streumittel. Die Rückstoßkompensation kann durch die Wahl des Winkels zwischen dem geladenen Teilchenstrahl und dem Strahl der γ-Strahlen geliefert werden und, wenn erforderlich, kann das Ziel in gasförmiger Form bereitgestellt werden. um in Vorteil der Dopplerverschiebung bei der "Bewegung auf einen zu" zu kommen.
Obwohl die größte Aufmerksamkeit den drei Hauptelementen der organischen Materie (Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff) geschenkt wurde, ist die Technik der γ-γ-Anregung jedoch ziemlich allgemein und jede Resonanz kann mit einer geeigneten Wahl des Ziels, des Projektils und der Energie des Beschußteilchens eingesetzt werden. Die einzigen Elemente, die mit diesem Verfahren nicht angeregt werden können, sind Wasserstoff und Helium. Es sollte jedoch bedacht werden, daß mit einem Anstieg der Atomzahl des Zielelementes die Energie der Projektile erhöht werden muß, so daß sie die Coulomb- Barriere überwinden können.
Das Haupterfordernis für die Quelle der geladenen Teilchen ist die Stabilität der Energie der Projektile, die auf das Ziel treffen, und eine ausreichende Intensität des Strahls, um einen angemessenen Photonenfluß bereitzustellen, der wiederum von dem Wirkungsquerschnitt der Reaktion bei Verwendung abhängt. Die Energiestabilität des Strahls geladener Teilcher sollte dergestalt sein, daß die Erzeugung der γ-Strahlen dem Resonanz- Peak der Wirkungsquerschnitt-Kurve entspricht und während des Betriebs des Beschleunigers dort verbleibt. In Abhängigkeit von der Wahl des Resonanz-Peakes kann die Weite der Resonanz in der Größenordnung von 10 eV oder sogar weniger vorliegen. Darüber hinaus besteht eine gewisse Abhängigkeit der Energie der resonanten γ-Strahlen von dem genauen Wert der Energie der geladenen Teilchen innerhalb des Resonanz-Peaks. Für die Resonanzen, bei denen die Abhängigkeit besonders hervorstechend ist, ist eine Stabilisierung der Energie der geladenen Teilchen erforderlich, um eine hohe Intensität der γ-Strahlenproduktion aufrechtzuerhalten und die Energie der γ-Strahlen in der Resonanzkurve des entsprechenden Kernenergieniveaus in dem Streumittel beizubehalten.
Zur Stabilisierung der Strahlenenergie wird ein Strahlenenergiesensor, eine Signalverarbeitungsvorrichtung und eine ausführende Vorrichtung (Steuerung), die auf den Beschleuniger wirkt, ein Strahlentransport oder Strahlenziel benötigt. Der vorliegende Vorschlag betrifft den Strahlenenergiesensor, wobei Mittel zur Stabilisierung der Beschleuniger-Teilchenstrahlenergie genau bei dem Wert oder den Werten bereitgestellt werden, die zur wirksamen Analyse erforderlich sind, d.h. an dem Resonanz-Peak der Resonanz der geladenen Teilchen.
Die Resonanz eines geladenen Teilchens ist ein in der Kernphysik beobachtetes Phänomen, bei dem während des Beschusses von Kernen mit schweren, geladenen Teilchen bei bestimmten Energien der Projektile die Reaktionen des einfachen Einfangen der Strahlung, beispielsweise (p, γ) oder (d, γ) oder Einfangen der Strahlung unter Emission eines geladenen Teilchens oder eines Neutrons beispielsweise (p, α, γ) oder (p, n, γ), usw. eine erheblich höhere Ausbeute zeigen. Die Form der Resonanzkurven, d.h. die Ausbeute im Vergleich mit der Energie des Projektils, ähnelt den Lorentz-Resonanzkurven. Ein Teil einer typischen γ-Strahlen-Ausbeute-Kurve aus einer Resonanzreaktion ist in Fig. 3 gezeigt. Die FWHM-Weiten der Resonanzkurven variieren in Abhängigkeit von der Kernstruktur und dessen spektroskopischen Eigenschaften innerhalb sehr breiter Grenzen. Bei Resonanzen geladener Teilchen, die auf die Bedürfnisse der Aktivierungsanalyse abgestimmt wurden, sind Resonanz-Peakweiten (FWHM) im Bereich von ein paar keV bis herunter zu ein paar eV zu erwartet. Der Resonanz-Peak von ¹³C (p, γ) ¹&sup4;N bei etwa 1,748 MeV besitzt eine FWHM-Weite von etwa 70 eV. Die erforderliche Stabilität der beschleunigenden Spannung beträgt etwa 2 x 10&supmin;&sup5;. Dies ist im gegenwärtigen Stand der Technik ein schwieriges, jedoch erreichbares Erfordernis. Der Strahlenenergiesensor vereinfacht den Aufbau der Vorrichtung.
Wenn die bei der Resonanz geladener Teilchen gebildeten γ-Strahlen zur Messung unter Einschluß von Kernresonanz-Streuung (oder Fluoreszenz) verwendet werden sollen, dann ist die Weite des Streuungniveaus viel kleiner als die Weite der Resonanz der geladenen Teilchen. Da die Energie der bei der Resonanz eines geladenen Teilchens erzeugten γ- Strahlen in Abhängigkeit von der Energie des Projektils leicht variiert, ist in vielen Anwendungsbereichen der γ-γ-Technik eine genauere Kontrolle der γ-Energie erforderlich, als lediglich zum Aufrechterhalten der Resonanz geladener Teilchen erforerich wäre. Eine derartige Kontrolle ist heutzutage mittels elektronischer Mittel, einchließlich Systemen mit einem gebogenen Strahl, einem Schlitzpaar und Differential-Schlitz-Stromamplifizierung nicht erreichbar (ein nützliches Dokument ist "Electronic Devices For Electrostatic Accelerators" [in Russisch], V.G. Brovtchenko, P.E. Vorotnikov und Yu.D. Moltchanow, Atomizdat Publishing House, Moskau 1968).
Der hier beschriebene Strahlenenergiesensor mißt die Intensität, d.h. die Ausbeute der resonanten γ-Strahlen, jenen, die für die Aktivierungsanalyse eingesetzt werden. Die Figur 4 zeigt die Anordnung der Ausrüstung für die γ-γAnalyse einschließlich Elementen, die zur unabhängig Steuerung der Strahlintensität und Strahlenergie bereitgestellt werden.
Der Beschleuniger 40 liefert einen Strahl geladener Teilchen (etwa Strahlenachse 41), der auf das Ziel 42 trifft und dadurch den Strahl von γ-Strahlen erzeugt, der durch den Kollimator 48 parallel ausgerichtet wird. Unabhängig von der Winkelverteilung der emittierten γ-Strahlen hinsichtlich des nicht polarisierten Teilchenstrahls ist die Intensität der emittierten γ's in bezug auf die Achse symmetrisch, die mit der Flugbahn der geladenen Teilchen übereinstimmt. Das analysierte Objekt 43, beispielsweise ein Gepäckstück, und die Referenzstreuvorrichtung 44 erhalten daher Strahlen mit der gleichen Energie. Ist der Winkel zwischen dem ursprünglichen Strahl, d.h. wie vom Ziel emittiert, und dem gestreuten Strahl für die Arbeits- und Referenzkanäle gleich, dann geht, soweit die Strahlenergie betroffen ist, die Maximierung der durch den Referenzdetektor erfaßten Zählrate des Referenzkanals 45 mit der Maximierung der durch den Arbeitsdetektor 46 nachgewiesenen Zählrate des Arbeitskanals einher.
Im allgemeinen hängt die Zählrate im Referenzkanal nicht nur von der genauen Strahlenenergie sondern auch von dem Beschleunigerstrom oder genauer gesagt von der von dem Ziel erhaltenen Gesamt-γ-Strahlenausbeute über den sich über die Resonanzlinie hinausgehenden Spektralbereich ab. Diese Information wird durch Überwachen der γ-Strahlen- Intensität neben dem Peak von Interesse in dem kontinuierlichen Bereich, in dem die Intensität eine sich langsam ändernde Funktion der Strahlenenergie ist, erhalten, wobei für diesen Zweck das Ausgabesignal des Referenzdetektors 45 oder eines wahlweisen zweiten Referenzdetektors 47, beispielsweise eines Germaniumdetektors, verwendet wird. Hat sich die Gesamtstrahlenintensität verändert, dann benötigt der Strahlenstrom eine Einstellung. Das Überwachungssystem wird jedoch das Verhältnis der Gesamtausbeute zu dem Strahlenstrom überwachen, da dies eine Verschlechterung für das Ziel darstellen kann.
Das Sensorsystem mißt einfach die Zählrate als eine Funktion der Projektil-Strahlenenergie. Die Projektilenergie wird elektronisch in einer für einen gegebenen Beschleuniger-Typ geeigneten Art und Weise verändert und kann eine Vorrichtung zum Verändern des Potentials am Ziel beinhalten. Das einsetzbare Kontrollsystem ist ein instabiler Typ. Bei diesem Arbeitspunkt-Typ ist die Strahlenergie niemals konstant, sondern bewegt sich um den Resonanz-Peak herum.
Unter Bezugnahme auf den Arbeitspunkt 30, wie in Fig. 3, verändert sich die Strahlenergie als Ergebnis der an die Steuerungseingabe angelegten, Abtastspannung nach oben. Die Zählrate steigt an und solange sie ansteigt, erhöht die Abtastspannung die Strahlenergie. Das System erkennt den Anstieg, da es den Unterschied zwischen den aufeinanderfolgenden Ablesungen der Zählrate berechnet. Auf diese Art und Weise erreicht der Arbeitspunkt den Resonanz-Peak 31 und bewegt sich zu höheren Energien des Teilchenstrahls. Die Zählrate nimmt jedoch nach Passieren des Peaks ab. Sobald das elektronische System die Abnahme erkennt, wird die Abtastrichtung geändert. In Fig. 3 sind willkürlich gewählte Abtast-Änderungsbegrenzungen 32 gezeigt. Der Arbeitspunkt 30 kehrt zum Peak 31 zurück und bewegt sich weiter zu niederen Werten der Strahlenenergie, wobei gleichzeitig die Zählrate abnimmt. Sobald dies erkannt wurde, wird die Abtastung erneut umgeändert usw.. Auf diese Art und Weise oszilliert der Arbeitspunkt 30 um den Peak 31 herum. Zur Optimierung des Sensorsystems wird ein Filterelement bereitgestellt, so daß die Richtung des Abtastens nur dann umgeändert wird, wenn eine ausreichende Wahrscheinlichkeit zu erwarten ist, daß der Peak passiert wurde. Die Signalverarbeitungsvorrichtung kann entweder analog, digital oder hybrid sein. Sie kann entweder ein fest verdrahtetes Steuerungselement oder ein spezieller Prozessor sein.
Sind geringere Anforderungen an die Energiesteuerung ausreichend, dann muß keine Referenzstreuvorrichtung 44 eingesetzt werden und der wahlweise eingesetzte Referenzdetektor 47 kann den primären Strahl direkt beobachten. Die Referenzstreuvorrichtung 44 sollte im wesentlichen eine erhebliche Menge des gleichen Nukleids enthalten, auf das der Arbeitskanal das "analysierte Objekt" untersucht.
Ein die Energie des groben Strahls darstellendes Signal 40a, ein den Strahlenstrom darstellendes Signal 49, ein die unter Resonanz gestreute γ-Strahlenintensität darstellendes Signal 46a, ein Signal 45a aus dem aktiven NRF-Referenzdetektor und ein Signal 47a aus dem wahlweisen Referenzdetektor werden mit einer Steuerungseinheit 42a verbunden.
Soll die Analyse für mehr als ein Element durchgeführt werden, dann sollte der Beschleuniger eine Einstellung und Steuerung der elektrischen Spannung aufweisen und der Strahl sollte auf unterschiedliche Ziele treffen können. Diese Funktion Umschaltung auf ein Ziel kann entweder mechanisch oder durch eine Umlenkvorrichtung für den Strahl, die elektrostatisch oder magnetisch betrieben wird, durchgeführt werden.
Der Typ des Beschleunigers wird nur durch Betriebs- und finanzielle Notwendigkeiten beschränkt. Elektrostatische und Radiofrequenz-Quadrupolbeschleuniger sind die bekanntesten Typen.
Alle vorhandenen γ- und Röntgenstrahlendetektoren sind Breitband-Vorrichtungen, d.h. antworten auf die Quanten in einem breiten Energiebereich und sind auf der Niedrigenergieseite durch die Absorption des Detektorfensters und auf der anderen, Hochenergieseite durch eine abnehmende Nachweiswirksamkeit beschränkt. Dies geht darauf zurück, da der Nachweis von Photonen eine Folge ihrer Wechselwirkung mit Atomelektronen ist und daher nur eine Energie in der Größenordnung von 10 eV benötigt, um in dem Nachweisbereich des Detektors freigesetzt zu werden.
Andererseits ist die Kernresonanz-Fluoreszenz ein Kernprozeß und erfordert Energien in viel höheren Größenordnungen, häufig mehr als 10 MeV. Aufgrund der Resonanz-Natur der Wechselwirkung und insbesondere aufgrund der äußerst engen Weite der beteiligten Resonanzen bietet die Kernresonanz-Fluoreszenz eine Möglichkeit, die Antwort von Strahlungsdetektoren auf äußerst enge Energie-Bandweiten einzuengen, d.h. für eine Energiefiltration.
Dies kann durch Einbringen des Kernresonanz-Fluoreszenz-Filterelements in das Detektorsystem erreicht werden Das Kernresonanz-Fluoreszenzelement kann entweder passiv oder aktiv sein. Die passive NRF-Anordnung für einen γ-Strahlungsdetektor wird zuerst erläutert. In einem derartigen System kann der γ-Strahlenfluß 57 von der Quelle, d.h. dem analysierten Objekt 52, den Detektor 58 nicht direkt sondern nur nach Streuung von der Streuungs-Resonanzvorrichtung 59 erreichen, wie in Fig. 5 gezeigt. Das analysierte Objekt 52 wird einem primären γ-Strahlen-Strahl 55 aus einer Quelle 56 ausgesetzt. Der Weg, in dem das analysierte Objekt 52 zur Emission von γ-Strahlen 57 gebracht wird, ist nicht von Bedeutung. Es kann γ-Strahlen ausgesetzt werden, die anschließend gestreut werden, es kann einem Strahl geladener schwerer Teilchen, Elektronen oder Neutronen ausgesetzt werden.
Damit die Kernresonanz-Fluoreszenz zum Zwecke der Aktivierungsanalyse von Wert ist, muß die durch das Objekt 52 gestreute oder emittierte Strahlung Photonen mit einer Energie enthalten, die der der in der NRF-Streuvorrichtung 59 enthaltenen Kernen entspricht. Das in Fig. 5 gezeigte Nachweissystem kann zudem bei einer Neutronenaktivierungs-Analyse verwendet werden, bei der die primäre γ-Strahlungsquelle 56 und der γ-Strahlungs-Strahl 55 durch eine Neutronenquelle und einen Neutronenstrahl ersetzt sind, wobei das Element von Interesse in dem analysierten Objekt zur Emission von γ-Strahlen gebracht wird. Werden in Kernen in dem Objekt mit der Atommasse A Neutronen eingefangen, dann sollte die Resonanz-Streuvorrichtung Kerne mit einem schweren Isotop mit einer Atommasse (z + 1) enthalten. Dies ist eine Folge der Tatsache, daß nach Einfangen eines Neutrons durch einen Kern der Masse Z die anschließende Emission eines γ-Quants von einem Isotop der Masse (z + 1) ausgeht. Werden auf der anderen Seite die Kerne in dem Objekt im Verlaufe einer unelastischen Streuung angeregt, dann ändert sich die Atommasse nicht. In einem derartigen Fall sollte das gleiche Nuklid in der Resonanz- Streuvorrichtung 59 und in dem analysierten Objekt 52 vorhanden sein Werden die Kerne in dem Objekt 52 dazu verwendet, γ-Strahlen unter Resonanz zu streuen, dann sollten die gleichen Kerne in der NRF-Streuvorrichtung 59 vorhanden sein.
Zeigt die NRF-Streuvorrichtung an, daß Streuung stattfand, d.h. wirkt sie als Strahlendetektor oder ein Teil davon, dann arbeitet sie im aktiven Modus. Der selektive Energiedetektor von Fig. 4 verwendet eine aktive NRF-Streuvorrichtung 69 und einen hochauflösenden γ-Detektor 68. Ein weiteres Beispiel des aktiven Modus ist in Fig. 7 gezeigt, bei der unter Resonanz streuende Kerne in dem Detektor 79 enthalten sind, entweder in einem Szintillator oder in dem Gas, der Flüssigkeit oder der Festphase eines ausreichend sensitiven Strahlungsdetektors. Das Detektorsystem von Fig. 6 für eine γ-γ-Analyse kann auch bei der Neutronenaktivierungs-Analyse verwendet werden. Die Idee der Verwendung von NRF in dem Strahlungsdetektor, aktiv oder passiv, besteht in der Anwesenheit von Kernen mit den gleichen Kernenergieniveaus wie die Energien der nachzuweisenden γ- Strahlen. Das Verfahren der Verwendung von NRF in einem Strahlungsdetektor ist von dem Auffinden derartiger zufälliger Vorfälle nicht abhängig, sondern von den folgenden Regeln für bestimmte Anregungsfälle:
a. Für γ-Strahlen, die durch Einfangen eines Neutrons durch eine Kern AM herrühren, wobei der geeignete resonante Kern, der Z in der aktiven oder passiven NRF-Streuvorrichtung vorhanden sein sollte, der folgende ist
b. Für γ-Strahlen, die von der Kernresonanz-Streuung herrühren, das untersuchte Objekt
in der NRF-Streuvorrichtung des Detektorsystems sollten die folgenden Kerne vorhanden sein:
c. Für γ-Strahlen, die von der inelastischen Streuung von Neutronen oder anderen Teilchen an Kernen
herrühren, sollte die NRF-Streuvorrichtung Detektorkerne der gleichen Atomzahl und Masse enthalten, d.h.
d. In allen Fällen, bei denen unter Resonanz geladene Teilchen als Quelle für γ- Strahlen verwendet werden, sollte die NRF-Streuvorrichtung (Detektor) Kerne des gleichen Typs wie der Übergangs-Verbundkern, der durch die Wechselwirkung zwischen dem Beschußteilchen und dem Ziel gebildet wird, enthalten.
Läuft in dem aktiven Volumen des Detektors eine Kernresonanz-Streuung ab, dann tritt ein Rückstoß auf und der zurückfedernde Kern legt in dem Szintillator einen kurzen Weg zurück oder bewirkt eine Ionisierung in dem Ionisierungsdetektor. Die Energie des Rückstoßes ist durch Gleichung (6) angegeben und für die meisten praktischen Fälle in der Größenordnung von ein paar KeV.
Der Spezialfall der Resonanz tritt auf, wenn die Energie des mit dem Detektor wechselwirkenden γ-Photons dem virtuellen Niveau des Kerns entspricht. In diesem Fall ist eine Emission eines Kernteilchens energetisch möglich. Von besonderer Konsequenz ist eine Emission eines geladenen Teilchens, beispielsweise eines Protons. Ein Beispiel einer derartigen Reaktion, die insbesondere beim Nachweis von Stickstoff von Bedeutung ist, ist die Reaktion ¹&sup4;N(γ, p)¹³C mit einem Photon mit einer Energie von 9,17 MeV. Photonen dieser Energie werden in der ¹³C(p, γ)¹&sup4;N-Reaktion in einem Beschleuniger hergestellt, der Protonen mit einer Energie von etwa 1,7476 MeV hervorruft. Die Energiewerte sind dergestalt, wie sie in den gegenwärtigen Referenzquellen verfügbar sind. Die tatsächlichen Werte können kleineren Änderungen unterliegen, da die Experimente genauer ausgeführt werden.
Es ist leicht ersichtlich, daß die in der NRF-Streuvorrichtung (dem Detektor) stattfindende Reaktion das Inverse der in der ursprünglichen Quelle der γ-Strahlen, beispielsweise in dem Beschleuniger, ablaufenden Reaktion ist.
Dies kann für den Fall des Nachweises von Stickstoff ¹&sup4;N erläutert werden. Wird ein ¹³C enthaltendes Ziel mit Protonen mit 1,7476 MeV beschossen, dann produziert es γ-Strahlen mit einer Energie von etwa 9,17 MeV. Diese γ-Strahlen werden durch in der analysierten Probe vorhandene ¹&sup4;N-Kerne unter Resonanz gestreut, wobei zur Bestimmung der Menge der gestreuten Strahlung ein NRF-Detektor eingesetzt wird, bei dem in dem aktiven Volumen des Detektors ¹&sup4;N Stickstoff vorhanden ist. Einige der Wechselwirkungen zwischen den eingehenden 9,17 MeV und den Stickstoffkernen in dem Detektor erzeugen Protonen mit 1,7476. Eine analoge Situation kann bei anderen Energieniveaus stattfinden und anderen Kombinationen interagierender Teilchen und Kerne. Die emittierten Teilchen könnten beispielsweise α-Teilchen sein.
Die Energie des Rückstoßes ist durch Gleichung (6) gegeben und bewegt sich für die meisten praktischen Fälle in der Größenordnung von ein paar KeV. Ein derartiges schweres, geladenes Teilchen kann in einem zweckmäßig ausgestalteten Detektor nachgewiesen werden und kann bei Abstammung von einem schweren Kern mittels einer der bekannten Techniken gegen den Elektronen-Hintergrund unterschieden werden, beispielsweise durch Anstiegszeit-Analyse. Das gleiche betrifft den Rückstoß des vorstehend aufgeführten, interagierenden Atoms. Der Elektronen-Hintergrund wird bei Compton- Streuungsinteraktionen erzeugt.
Zusätzlich zu der Anstiegszeit-Unterscheidung kann eine Unterscheidung hinsichtlich der Energie nachgewiesener Rückstöße und von Spuren schwerer, geladener Teilchen eine Identifizierung eines elastischen Vorgangs liefern. Nur wenn der Impuls aus dem Detektor in ein Energiefenster paßt, das einem Rückstoß in der aktiven NRF-Streuvorrichtung entspricht, und wenn dessen Anstiegszeit innerhalb des für den schweren rückfedernden Kern geeigneten Zeitintervalles liegt, kann davon ausgegangen werden, daß ein "resonantes" Photon gestreut wurde. In den Systemen, bei denen in der Streuvorrichtung kein Signal schwerer, geladener Teilchen verwendet wird, die bei einigen Anregungstypen nicht verfügbar sind, werden gestreute γ-Strahlen aus der aktiven NRF-Streuvorrichtung in einem anderen γ-Detektor, dem Hauptdetektor, mit hoher Nachweiseffizienz jedoch ohne hohe Energieselektivität verwendet. Die richtige Wahl der Vorfälle wird durch Verwenden einer Übereinstimmung zwischen dem Rückstoß oder dem Impuls des schweren geladenen Teilchens aus der aktiven NRF-Streuvorrichtung und dem Impuls aus dem Hauptdetektor, wie in Fig. 6 gezeigt, erreicht. Hinsichtlich des Aufbaus einer Zusammensetzung des Hauptdetektors bestehen keine Beschränkungen. Insbesondere sind Szintillationsdetektoren, Proportionalzählvorrichtungen, Festphasendetektoren und Drahtnetzproportionalkammern für diesen Einsatz geeignet. Das einzige Erfordernis besteht darin, daß die Anstiegszeit des Impulses, der durch die Strahlung in dem Hauptdetektor hervorgerufen wird, ausreichend kurz ist, um dessen Verwendung als eines der Inputsignale in einer Koinzidenzschaltung zu ermöglichen.
In einigen Anwendungsbereichen kann es wünschenswert sein, für die aktive NRF- Streuvorrichtung und den γ-Strahlen-Hauptdetektor den gleichen Photomultiplier 79, wie in Fig. 7 gezeigt, zu verwenden. Die Identifizierung der Vorfälle, die die Bildung eines Rückstoßweges gefolgt vom Nachweis des γ-Quants im Hauptdetektor beinhaltet, kann mittels eines Impulsformanalysators erreicht werden, der eine separate Identifizierung beider Komponenten in dem Lichtimpuls erlaubt. Dies kann erreicht werden, wenn sich die Zeitkonstanten des Lichtimpulses in beiden Detektoren, d.h. in der aktiven NRF- Streuvorrichtung und in dem Hauptdetektor, erheblich unterscheiden, wie im Fall eines Kunststoff- oder Flüssigkeits-Szintillators und eines anorganischen Kristalls. Im Stand der Technik wird die Rolle der Energie-auswählenden Vorrichtung im gegenwärtigen Stand der Strahlungsdetektor-Technologie durch einen Puls-Amplituden-Modulationsumwandler entweder in der einfachen Formen oder in Form einer Mehrfachleitungsanalysevorrichtung eingenommen. In der Mehrfachleitungsanalysevorrichtung ist die Umwandlung analog zu digital der Geschwindigkeits-beschränkende Schritt. Die Auswirkung der Energiefilterung besteht darin, die Zählrate zu reduzieren, bevor die Umwandlung abläuft. Diese Verringerung ist eine Folge der Einführung einer zusätzlichen Steuerungsstufe in Form der NRF-Streuvorrichtung in das Nachweisverfahren. Dieses Streuverfahren beeinflußt die Intensität der nicht unter Resonanz nachgewiesenen γ-Strahlen erheblicher als die unter Resonanz. Das Filterverhältnis, das als Attenuierungsverhältnis der γ-Strahlintensität bei Resonanzenergie gegenüber der ohne Resonanz definiert wird, kann bis zu 500 - 1000 mal höher liegen als die Energie der genau aufeinander abgestimmten γ-Strahlen- und Kernenergie. Eine derartige Abgleichung kann jedoch schwierig zu erreichen sein und in der Praxis sind geringere Filtrierverhältnisse zu erwarten. Die Weite der Kernfluoreszenz- Resonanzkurve ist gewöhnlich enger als die entsprechenden Werte für die Auflösungskurven der besten verfügbaren Detektoren.
Ein wichtiges Merkmal der Energiefiltration von γ-Strahlen bei den Nachweissystemen mittels Kernresonanz-Fluoreszenz besteht darin, daß die Filtration bei mehr als einem Niveau pro Kernteilchen zur gleichen Zeit und im gleichen Ansatz erreicht werden kann. Für Kerne mit mehreren Übergängen und insbesondere mit eng beieinander liegenden Energieübergängen kann die Filtration praktisch nicht alleine durch elektronische Mittel erreicht werden. Weiterhin kann die Verwendung der Filtration durch Kernresonanz- Fluoreszenz in dem analysierten Objekt gleichzeitig mit vielen Kernteilchen wechselwirken. Erforderlich ist das Einbringen geeigneter Kerne in die NRF-Streuvorrichtung. Für die passive Filtration besteht keine Niedrigenergie-Beschränkung, wobei jedoch für ein aktives Filtrationssystem eine Beschränkung durch das Rauschen und den Hintergrund in dem aktiven NRF-Streuvorrichtungsdetektor festgelegt wird. In aktiven Systemen bei einer NRF-Streuvorrichtung und einem Hauptdetektor kann der NRF-Streuvorrichtungsdetektor aufgrund des Rauschens nicht länger ein verläßliches Eingangssignal in das Koinzidenzsystem geben, wobei das System immer noch in der gleichen geometrischen Ausgestaltung als passives System mit der Folge der Abnahme des Filtrationsmaßes eingesetzt werden kann. Mit ansteigender Atommasse des Streumittels wird die Energie des Rückstoßes vermindert und gleichzeitig begrenzt die Verfügbarkeit von ausreichend verläßlichen Eingabesignalen in das Koinzidenzschaltsystem die Anwendung einer aktiven NRF- Filterung. Die passive Filterung bleibt davon unbeeinflußt.
Von besonderem Interesse ist die Verwendung von Kernresonanz-Fluoreszenz bei dem Nachweis von γ-Strahlen bei Kern-Aktivierungssystemen des γ-γ-Typs, die von dem Nachweis von unter Resonanz gestreuten γ-Strahlen durch das untersuchte Oijekt abhängen. Sind die gleichen Kerne, die in den Objekten gesucht werden, in dem Detektorsystem vorhanden, insbesondere, aber nicht ausschließlich in einem Systems des Szintillationstyps, dann erhöht sich die Wahrscheinlichkeit der Interaktion dieser γ-Sstrahlen mit dem Szintillator, was einem viel größeren Streuquerschnitt für γ-Strahlen, die den Bedingungen der Kernresonanz genügen, zugeschrieben wird.
Beispiele derartiger Systeme sind Szintillationsdetektoren, Gas- oder Flüssigkeits- Ionisationskammern und Proportionalzählvorrichtungen, sowohl einzeln als auch mehrfach. Die Anwesenheit von resonanten Kernen erhöht die Wahrscheinlichkeit des Nachweises, da sie die Absorption von resonanten γ-Strahlen in dem Szintillator erhöht. Beispielsweise macht die Einbringung von Stickstoffatomen in einen organischen Szintillator die Szintillation gegenüber Wechselwirkungen mit γ-Strahlen, die Kernniveaus des gleichen Stickstoffisotops entsprechen, empfindlich.
Ein Atom, dessen Kern ein resonantes Photon absorbiert hat, kann eine inneren Umwandlung durchlaufen und ein Elektron und/oder eine Kaskade von Röntgenstrahlen emittieren. Das Verfahren der innernen Umwandlung nach der resonanten Anregung trägt auch zu einer erhöhten Nachweis-Wirksamkeit bei.
Zum Nachweis von auf Stickstoff basierenden Explosivstoffen im Gepäck, wie in Fig. 1 gezeigt, wird der parallel ausgerichtete Strahl aus dem Beschleuniger auf das Gepäckstück gerichtet. Die unter Resonanz gestreute Strahlung wird mittels eines energieselektiven Strahlungsdetektors, beispielsweise eines auf Ge(Li) oder HPGe oder NRF basierenden Detektors, in einem großen Winkel gemessen. Eine besondere Form eines NRF-Detektors, die zur Aktivierungsanalyse für Stickstoff geeignet ist, sind Flüssigkeit-Szintillationszähler mit Stickstoff in dem primären oder dem sekundären oder dem ternären gelösten Stoff, wobei jedoch im allgemeinen jede Szintillationsvorrichtung, fest oder flüssig, kristallin oder nicht, als Detektor geeignet ist. Die gleichzeitige Überwachung der resonanten und nicht resonanten Streuung (durch Überwachung der Intensität des gestreuten Strahls am Resonanz-Peak und daneben) erlaubt den Nachweis der Anwesenheit des gesuchten Elements durch Messung, und, wenn gewünscht, Anzeige (beispielsweise das Verhältnis von resonantem zu nicht-resonantem Signal). Die Intensitätsfluktuationen in dem Strahl müssen bei der Anzeige des Verhältnisses berücksichtigt werden.
Das Abtasten von Objekten wie Gepäck, wird vorzugsweise durch mechanische Bewegung eines Stückes in Bezug auf ein stationäres Ziel und Detektorsystem durchgeführt. Im Prinzip ist es jedoch möglich ein System zu gestalten, bei dem das Abtasten durch nicht- mechanische Entfernung des Stelle des Auftreffens des T-Strahls auf der Oberfläche des Gepäcks bereitgestellt wird. Eine Lösung besteht darin, ein streifenförmiges Ziel mit zweckmäßiger Länge zu haben und elektrische oder magnetische Felder zu verwenden, um mit dem Strahl daran entlang zu fahren. Die Bewegung in senkrechter Richtung kann durch eine mechanische Entfernung des Gepäckes bereitgestellt werden. Bei dem Abtastmodus hängt die Auflösung des Bildes von der Größe des Strahls ab. Das Abtasten ist offensichtlich nicht auf die Überprüfung von Gepäck beschränkt, sondern sie kann für industrielle, medizinische und Untersuchungszwecke eingesetzt werden.
Der Hauptvorteil des γ-γ-Systems besteht darin, daß er in dem untersuchten Objekt als Folge der resonanten γ-γ-Streuung praktisch keine Radioaktivität induziert. Die Verwendung von Hochenergie-γ-Strahlen zum nominalen Abtasten kann in seltenen Metallen Radioaktivität hervorrufen. Es ist unwahrscheinlich, daß diese induzierte Aktivität nachweisbar ist, außer eine äußerst empfindliche Vorrichtung wird dazu verwendet und sie wird sicher weit unter den erlaubten Aktivitätswerten liegen und überhaupt keine Gefahr für die Gesundheit darstellen. Das Gepäck kann unmittelbar nach Überprüfung von einem Passagier oder einem Gepäckträger weggenommen werden. Das γ-γ-Verfahren kann für die meisten der leichten Elemente und für viele mittlere und schwere eingesetzt werden.
Zusätzlich zur Überprüfung zum Nachweis von Explosivstoffen, kann das Gepäck zum Nachweis auf Drogen untersucht werden, die darin enthalten sein können. Bei dieser Ausführungsform wird ein Verhältnis unterschiedlicher Elemente verwendet, was die Anwesenheit der Droge von Interesse anzeigt. Für Anwendungen in medizinischen oder veterinärmedizinischen Bereichen kann zudem die Körperzusammensetzung bestimmt werden. Eine Verwendung des γ-γ-Verfahrens ist die Online-Kontrolle der Zusammensetzung von Rohmaterialien und hergestellten Produkten (insbesondere in Situationen, bei denen andere Überwachungssysteme, die erhebliche Radioaktivität hervorrufen können, nicht anwendbar sind). Eine Qualitätskontrolle von Nahrungsmittel wird durch Nachweis der Elemente und weiter des Verhältnisses der Elemente in dem Nahrungsmittel erreicht.
Um einen richtigen und verläßlichen Betrieb des γ-γ-Systems sicherzustellen, ist es erforderlich, die Energie des Teilchenstrahls zu stabilisieren und die Intensität des Photonenstrahls zu kennen, bevor er auf das untersuchte Objekt trifft. Darüber hinaus ist es von Bedeutung, den "aktiven Teil" des Photonenstrahls zu kennen, d.h. den leil des Gesamtphotonenflusses, der unter Resonanz von dem Kern von Interesse gesteuert wird.
Obwohl erläuternde Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben und erläutert wurden ist klar, daß hier verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen, der nur durch den Bereich der beiliegenden Ansprüche begrenzt sein soll.

Claims

1. Vorrichtung zum Abtasten eines Objekts zur Bestimmung der Konzentration eines Elementes von Interesse in dem Objekt, welche umfaßt:

Mittel (13, 14) zur Erzeugung primärer Gammastrahlen der erforderlichen Energie, die durch das nachzuweisende Element unter Resonanz gestreut werden sollen, wobei die Mittel zur Erzeugung der Gammastrahlen einen Beschleuniger (13) enthalten, welcher auf ein Ziel (14) gerichtete Wasserstoff- oder schwerere Ionen liefert, wobei die Atome der Elemente von Interesse angeregt werden, die auf ein niedrigeres Energieniveau fallen und einen Strahl (15) von Gammastrahlen der erforderlichen Energie liefern, um durch das Element von Interesse unter Resonanz gestreut zu werden,

Mittel (10, 11) zur Positionierung des Objektes (12) in dem Strahl der Gammastrahlen,

Mittel (18) zum Nachweis der unter Resonanz gestreuten Gammastrahlen und zur Erzeugung von Ausgangssignalen, die die Energie der unter Resonanz gestreuten Gammastrahlen anzeigen und,

Mittel (19) zur Verarbeitung und zur Analyse des Ausgangssignals zur Bestimmung der Menge des Elementes von Interesse, gekennzeichnet durch,

Mittel (16) zur Stabilisierung der Intensität und Energie des Strahls der Gammastrahlen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Element von Interesse ¹&sup4;N ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Beschleuniger (13) Wasserstoffionen liefert und das Ziel ¹³C ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Beschleuniger (13) Deuteriumionen liefert und das Ziel ¹²C ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 3 oder 4, wobei das Mittel (18) zum Nachweis gestreuter Gammastrahlen bezüglich der Beschuß-Achse, bei der die primären Gammastrahlen mit dem Objekt in Wechselwirkung treten, in einem Winkel von größer als 90º angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Mittel (18) zum Nachweis gestreuter Gammastrahlen einen Flüssigskeitszintillator und einen Hochauflösungs-Detektor umfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Hochauflösungs-Detektor ein Ge(Li)- oder HPGe-Detektor ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Beschleuniger (13) ein elektrostatischer Beschleuniger oder ein Hochfrequenzquadrupol-Beschleuniger ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mittel zur Positionierung (10, 11) Mittel zum Transportieren des Objektes durch den Strahl der Gammastrahlen umfassen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Mittel (10, 11) zur Positionierung ein Beförderungsmittel zum Einbringen des abzutastenden Objektes in das Mittel zum Transportieren des Objektes durch den Strahl der Gammastrahlen umfassen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 zum Abtasten eines Objektes zur Bestimmung der Konzentration von zwei oder mehreren Elementen von Interesse in dem Objekt, wobei der Beschleuniger (13) einen elektronischen Spannungsregler und einen auf zwei oder mehreren Ziele auftreffenden Kontrollstrahl umfaßt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 11, wobei das Element von Interesse ein erstes und zweites Element von Interesse in einem Stoff umfaßt, und wobei die Mittel (13, 14) zur Erzeugung primärer Gammastrahlen ein erstes und ein zweites Mittel zur Erzeugung primärer Gammastrahlung der erforderlichen Energie zur Streuung unter Resonanz durch das erste und zweite nachzuweisende Element umfassen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Mittel (18) zum Nachweis der gestreuten Gammastrahlen ein Energie-Filterelement enthält.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei das Energie-Filterelement in einem passivem Modus vorliegt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei das Energiefilterelement in einem aktiven Modus vorliegt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Mittel (18) zum Nachweis ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Szintillations-Detektor, einem Proportionalzähler, einem Festphasen-Detektor und einer Mehrdraht-Proportionalkammer.

17. Vorrichtung nach Anspruch 5, welche weiter umfaßt,

Mittel zum Nachweis nicht unter Resonanz gestreuter Gammastrahlen und zur Erzeugung von Ausgangssignalen, die die Energie der nicht unter Resonanz gestreuten Gammastrahlen anzeigen,

Mittel zur Verarbeitung und Analyse der nicht-Resonanz-Ausgangssignale, und

Mittel zur Erzeugung eines Verhältnisses von Resonanz- zu nicht-Resonanz- Ausgangssignalen.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Mittel zur Erzeugung eines Verhältnisses Mittel zur Anzeige des Verhältnisses umfassen.

19. Verfahren zum Abtasten eines Objektes auf ein Element von Interesse in dem Objekt, welches umfaßt:

Beschleunigen (13) von auf ein Ziel (14) gerichteten Wasserstoff- oder schwereren Ionen zur Erzeugung angeregter Atome des Elementes von Interesse, wobei die angeregten Atome auf ein geringeres Energieniveau zurückfallen und einen Strahl (15) primärer Gammastrahlen der erforderlichen Energie liefern, die in dem Objekt (12) durch das Element von Interesse unter Resonanz gestreut werden sollen, wobei die primären Gammastrahlen auf das Objekt (12) gerichtet sind,

Positionieren (10, 11) des Objektes (12) in dem Strahl (15) der primären Gammastrahlen,

Nachweis (18) der unter Resonanz gestreuten Gammastrahlen (17) und Erzeugen von Ausgangssignalen, die die Energie der Gammastrahlung anzeigen, und

Analyse (19) der Ausgangssignale zur Bestimmung der Konzentration des Elementes von Interesse, gekennzeichhet durch

Stabilisieren (16) der Intensität und Energie des Strahls der Gammastrahlen.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Element von Interesse Stickstoff ist und Wasserstoff oder Deuterium beschleunigt und auf ¹²C oder ¹³C gerichtet wird, um angeregte Stickstoffatome zu erzeugen.

21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, das weiter beinhaltet:

Nachweis (18) der nicht unter Resonanz gestreuten Gammastrahlen und Erzeugen von Ausgangssignalen, die die Energie der nicht unter Resonanz gestreuten Gammastrahlen anzeigen,

Verarbeiten und Analysieren der Nicht-Resonanz-Ausgangssignale und,

Erzeugen eines Verhältnisses von Resonanz- zu nicht-Resonanz-Ausgangssignalen.

22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Erzeugung eines Verhältnisses Anzeigen des Verhältnisses umfaßt.

23. Verwendung des Verfahrens zum Abtasten eines Objektes nach einem der Ansprüche 19 bis 22 auf einen Stoff von Interesse in dem Objekt, welche umfaßt:

Beschleunigen (13) von Wasserstoff- oder schwereren Ionen auf ein Ziel (14) zur Erzeugung angeregter Atome eines Elementes in dem Stoff von Interesse.

24. Verwendung des Verfahrens zum Abtasten eines Objektes nach einem der Ansprüche 19 bis 22 auf einen Stoff von Interesse in dem Objekt, welche umfaßt:

Beschleunigen (13) von Wasserstoff- oder schwereren Ionen auf zwei Ziele (14) zur Erzeugung angeregter Atome zweier Elemente in dem Stoff von Interesse, um zwei primäre Gammastrahlen der erforderlichen Energie zu liefern, die durch die zwei Elemente unter Resonanz gestreut werden sollen, und

Analysieren der Ausgangssignale zur Bestimmung des Verhältnisses der Konzentration der zwei Elemente in dem Objekt.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei das Mittel (18) zum Nachweis Kerne mit gleichen Kernenergieniveaus wie die Energie der nachzuweisenden Gammastrahlen umfaßt.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei das Mittel (18) zum Nachweis einen herkömmlichen Gammastrahlen-Detektor enthält, der Kerne mit gleichen Kernenergieniveaus wie die Energie der nachzuweisenden Gammastrahlen enthält.

27. Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei das Mittel (18) zum Nachweis einen herkömmlichen Gammastrahlen-Detektor umfaßt, und eine Kernresonanz-Fluoreszenzstreuvorrichtung, die Kerne mit gleichen Kernenergieniveaus wie die Energie der nachzuweisenden Gammastrahlen enthält.

28. Vorrichtung nach Ansprüchen 26 oder 27, wobei der Detektor im aktiven Modus vorliegt.

29. Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei der Detektor im passiven Modus vorliegt.

30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei das Mittel (16) zur Stabilisierung der Intensität und der Energie des Strahls der Gammastrahlen umfaßt:

Mittel zum Nachweis des Gammastrahlen-Strahls vor Streuung und zur Erzeugung zweiter Ausgangssignale, die die Intensität und die Energie des Strahls anzeigen,

Mittel zur Teilung des Gammastrahlen-Strahls, wobei ein primärer und ein sekundärer Gammastrahlen-Strahl geliefert wird,

eine Referenz-Streuvorrichtung, die in dem zweiten Gammastrahlen-Strahl vorgesehen ist,

Mittel zum Nachweis der durch die Referenz-Streuvorrichtung unter Resonanz gestreuten Gammastrahlen und zum Erzeugen dritter Ausgangssignale, die die Energie der durch die Referenz-Strahlvorrichtung unter Resonanz gestreuten Gammastrahlen anzeigen, und

Mittel zum Verarbeiten und zur Analyse der zweiten und dritten Ausgangssignale zur Bestimmung der Stabilisierung der Gammastrahlen-Strahlintensität und -Energie.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei der Stabilisierungsschritt beinhaltet:

Nachweisen der Gammastrahlen vor Streuung und Erzeugen zweiter Ausgangssignale, die die Intensität und die Energie des Strahls anzeigen,

Teilen des Gammastrahlen-Strahis, wobei ein primärer und ein sekundärer Gammastrahlen-Strahl geliefert wird,

Anordnen einer Referenz-Streuvorrichtung in dem zweiten Gammastrahlen-Strahl,

Nachweisen der durch die Streuvorrichtung unter Resonanz gestreuten Gammastrahlen und Erzeugen dritter Ausgangssignale, die die Energie der dureh die Streuvorrichtung unter Resonanz gestreuten Gammastrahlen anzeigen, und

Verarbeiten und Analysieren der zweiten und dritten Ausgangssignale zur Bestimmung der Stabilisierung der Gammastrahlen-Strahlintensität und -Energie.

32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei das Element von Interesse mehrere Elemente von Interesse ist und die Mittel (13, 14) zur Erzeugung primärer Gammastrahlen mehrere Mittel zur Erzeugung primärer Gammastrahlen der erforderlichen Energie, die durch die nachzuweisenden Elemente unter Resonanz gestreut werden sollen, beinhalten.

33. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, das weiter umfaßt:

Beschleunigen von Wasserstoff oder schwereren Ionen auf mehrere Ziele zur Erzeugung angeregter Atome mehrerer Elemente in dem Objekt, um mehrere primäre Gammastrahlen der erforderlichen Energie bereitzustellen, die durch die Elemente unter Resonanz gestreut werden sollen, und

Analysieren der Ausgangssignale zur Bestimmung des Verhältnisses der Konzentration der mehreren Elemente in dem Objekt.