JP5054518B2 - 物質の平均原子番号及び質量を求めるための方法及びシステム - Google Patents
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Description
本願は、2004年7月8日付けでRobert J. Ledoux及びWilliam Bertozziにより提出された、「高エネルギー光子拡散を用いた物質の平均原子番号及び質量の特定(Determination
of the Average Atomic Number and Mass of Material Using High Energy Photon
Scattering)」と題した米国特許仮出願第60/586,351号の利益を主張し、その内容を引用して本明細書に援用する。
標的を検査するための非侵入性検査技術に望まれる特徴は、原子番号(Z)及び標的物質の密度に加え、原子番号及び密度の空間的分布を迅速に特定する能力である。具体的には、平均原子番号及び/又は質量の三次元における分布を、好ましくは低放射線量を用いて迅速に特定できれば、それは、標的容器の内容物を特定する強力且つ有用な手段となる。この情報を用いれば、手荷物、輸送コンテナ、貯蔵容器、又は陸上、海上、若しくは航空輸送用の容器などの標的容器に、例えば原子番号Zが高い物質及び/又は高密度物質のようなある種の物質が収容されていることを特定できる。標的容器がこうした物質を収容しているという情報を用いて脅威を識別することも可能である。例えば、容器中に鉛が入っていれば、「汚い爆弾」又は他の放射性物質の遮蔽材が存在することを示している可能性がある。ウランなどの原子番号Zが高い物質の存在は、容器中に核兵器が存在することを示している可能性がある。更に、質量分布、平均原子番号、又はその両方は一連の検査技法の一部とすることができる。例えば、所定のZ及び密度範疇に一致することが確かめられた標的の領域を他の検査技法の入力として用いて、これら領域を更に精査することができる。こうしたシステムは、都合のよい時間の尺度で脅威を判定するという利点を提供できる。
光子ビームの散乱に起因する散乱光子エネルギースペクトルの測定を介して、貨物、輸送コンテナ、手荷物、及び他の標的の非侵入性走査を実行するための方法及びシステムを開示する。本明細書に開示した方法及びシステムは、511keV消滅ピークに寄与する過程と、コンプトン散乱やラザフォード散乱のような過程よりも強いZ依存を示すより高次の過程とを利用するものであり、これらより高次の過程の幾つかはより高いエネルギーで生じる。開示した方法及びシステムは、ほとんどの物質に関してK端を上回るエネルギーで生じる放射の強い透過の利点も利用するので、標的の深部からの信号に寄与する光子の標的内部損失が少なくなる。これによって、より低い光子エネルギーで動作するシステムでは実行が難しいことがある大型で且つ/又は高密度の標的の検査が可能となる。更に、本明細書で開示した方法を用いて、Zが高い物質の存在の質量限度データや、2次元及び3次元の平均原子番号及び/又は密度データを、NRF画像化に比べてより迅速により低い照射線量で求めることができる。
次の方法を用いて標的容器を非侵入的に検査し、内容物の平均原子番号を特定できる。図1及び2に概略的に示したように、光子ビーム34は標的20に当たるよう構成されている。標的容器の面に光子ビームを垂直に走査してもよい。標的容器は、ビーム方向に対して且つ走査方向に対して垂直にシステム内を移動させ、容器の全ての領域が検査できるようにしてもよい。図2に概略的に示したように、ビームの全ての位置に関し、平行検出器は、ビームと検出器の平行視界が交差するボクセルを検査する(検出器が検査するボクセルは隣接配置してもよい。すなわち、図2に図示したボクセル62、64、及び66は分かり易く図示するため空間的に離間した)。この検査システムはプロセッサ46を含むことができ、このプロセッサは検出器アレイからのデータを動的に分析して、ビームで照射された各ボクセルにおける特定物質の平均原子番号Z、物質の質量、及び/又は質量の範囲を後述の方法を用いて迅速に測定する。
平均原子番号の測定
質量の算出
原子番号が高い物質の質量限界
yield)が比較的一定であることに依存している。
Claims (59)
- 標的のボクセル内の物質を分析するための方法であって、
前記ボクセルを光子ビームで照光する段階と、
第1エネルギー範囲にあり且つ第1測定方向で前記ボクセルから散乱した光子の第1の数を測定する段階と、
第2エネルギー範囲にあり且つ第2測定方向で前記ボクセルから散乱した光子の第2の数を測定する段階と、
光子の前記第1の数と光子の前記第2の数との比を求める段階と、
前記比を用いて前記ボクセル内の前記物質の平均原子番号を求める段階とを含む、方法。 - 前記第1エネルギー範囲が511keVを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記第2エネルギー範囲が511keVを除外する、請求項2に記載の方法。
- 前記第1方向が前記第2方向と同一である、請求項1に記載の方法。
- 前記第1エネルギー範囲が511keVを含む、請求項4に記載の方法。
- 前記第2エネルギー範囲が511keVを除外する、請求項5に記載の方法。
- 標的のボクセル内の物質を分析するための方法であって、
前記ボクセルを光子ビームで照光する段階と、
ある測定方向で前記ボクセルから散乱した光子のエネルギースペクトルを測定する段階と、
第1エネルギー範囲において前記エネルギースペクトルに寄与する光子の第1の数を求める段階と、
第2エネルギー範囲において前記エネルギースペクトルに寄与する光子の第2の数を求める段階と、
光子の前記第1の数と光子の前記第2の数との比を計算する段階と、
前記比を用いて前記ボクセル内の前記物質の平均原子番号を求める段階とを含む、方法。 - 前記第1エネルギー範囲が511keVを含む、請求項7に記載の方法。
- 前記第2エネルギー範囲が511keVを除外する、請求項8に記載の方法。
- 標的のボクセル内の物質を分析するためのシステムであって、
光子ビームを発生するための装置と、
第1測定方向で前記ボクセルから散乱した光子の第1エネルギースペクトルを検出するよう構成された第1検出器と、
プロセッサとを含み、
前記プロセッサが、第1エネルギー範囲にあるエネルギーを備えた散乱光子の第1の数と、第2エネルギー範囲にあるエネルギーを備えた散乱光子の第2の数との比を求めるよう構成されており、更に、
前記プロセッサが、前記ボクセル内の平均原子番号を求めるよう構成されている、システム。 - 第2測定方向で前記ボクセルから散乱した光子の第2エネルギースペクトルを検出するよう構成された第2検出器を更に含む、請求項10に記載のシステム。
- 前記第1角度が前記第2角度と同一である、請求項11に記載のシステム。
- 前記第1エネルギー範囲が511keVを含む、請求項10に記載のシステム。
- 前記第2エネルギー範囲が511keVを除外する、請求項10に記載のシステム。
- 標的のボクセル内の物質を分析するための方法であって、
光子ビームで前記ボクセルを照光する段階と、
少なくとも1つのエネルギー範囲において前記ボクセルに入射する光子の数を求める段階と、
前記ボクセルから散乱した光子の少なくとも1つのエネルギースペクトルを測定する段階と、
前記少なくとも1つのエネルギースペクトルを用いて前記ボクセル内の物質の平均原子番号を求める段階と、
前記ボクセルに入射する光子の数と、前記ボクセル内の前記物質の前記平均原子番号と、前記少なくとも1つのエネルギースペクトルと、前記ボクセルに対応する所定の散乱核とを用いて前記ボクセル内の物質の質量を求める段階とを含む、方法。 - 前記ボクセル内の物質の平均原子番号を求める前記段階が、
第1エネルギー範囲において前記エネルギースペクトルの少なくとも1つに寄与する光子の第1の数を求める段階と、
第2エネルギー範囲において前記エネルギースペクトルの少なくとも1つに寄与する光子の第2の数を求める段階と、
光子の前記第1の数と光子の前記第2の数との比を計算する段階と、
前記比を用いて前記ボクセル内の前記物質の平均原子番号を求める段階とを含む、請求項15に記載の方法。 - 前記第1エネルギー範囲が511keVを含む、請求項16に記載の方法。
- 前記第2エネルギー範囲が511keVを除外する、請求項17に記載の方法。
- 標的の複数ボクセル内の物質を分析するための方法であって、
(a)光子ビームで前記ボクセルを照光する段階と、
(b)前記ボクセルそれぞれについて、前記ボクセルから散乱した光子の少なくとも1つのエネルギースペクトルを測定する段階と、
(c)前記ボクセルそれぞれについて、前記少なくとも1つのエネルギースペクトルを用いて前記ボクセル内の前記物質の平均原子番号を求める段階と、
(d)前記ボクセルそれぞれについて、
(i)少なくとも1つのエネルギー範囲において前記ボクセルに入射する光子の数を求める段階と、
(ii)前記ボクセルに入射する光子の数と、前記ボクセル内の前記物質の前記平均原子番号と、前記少なくとも1つのエネルギースペクトルと、前記ボクセルに対応する所定の散乱核とを用いて前記ボクセル内の物質の質量を求める段階とを含む、方法。 - 前記ボクセルそれぞれ内の物質の平均原子番号を求める前記段階が、
第1エネルギー範囲において前記エネルギースペクトルの少なくとも1つに寄与する光子の第1の数を求める段階と、
第2エネルギー範囲において前記エネルギースペクトルの少なくとも1つに寄与する光子の第2の数を求める段階と、
光子の前記第1の数と光子の前記第2の数との比を計算する段階と、
前記比を用いて前記ボクセル内の前記物質の平均原子番号を求める段階とを含む、請求項19に記載の方法。 - 前記第1エネルギー範囲が511keVを含む、請求項20に記載の方法。
- 前記第2エネルギー範囲が511keVを除外する、請求項21に記載の方法。
- 標的の複数ボクセル内の物質を分析するための方法であって、
(a)光子ビームで前記ボクセルを照光する段階と、
(b)前記ボクセルそれぞれから散乱した光子の少なくとも1つのエネルギースペクトルを測定する段階と、
(c)前記少なくとも1つのエネルギースペクトルを用いて前記ボクセルそれぞれ内の物質の平均原子番号を求める段階と、
(d)前記ボクセルそれぞれについて、
(i)少なくとも1つのエネルギー範囲において前記ボクセルに入射する光子の数を求める段階と、
(ii)前記平均原子番号と、前記少なくとも1つのエネルギースペクトルと、所定の散乱核とを用いて前記ボクセル内の物質の推定平均質量を求める段階と、
(e)各ボクセル内の前記推定平均質量と前記平均原子番号とを用いて、少なくとも1つのエネルギー範囲において前記標的を出る光子の数を計算する段階と、
(f)前記標的を出る光子の数を測定する段階と、
(g)前記推定した光子の数と前記測定した光子の数との差を計算する段階と、
(h)前記計算差に基づいて、各ボクセル内の物質の前記推定平均質量の補正を計算する段階とを含む、方法。 - 各ボクセル内の前記推定平均質量の補正を計算する段階が、各ボクセルについて、当該ボクセル内の前記推定平均質量に比例して、前記計算差への寄与を割り当てる段階を含む、請求項23に記載の方法。
- 各ボクセル内の前記推定平均質量の補正を計算する段階が、前記計算差が最小となるように、最小化手順を用いて各ボクセル内の前記推定平均質量を調整する段階を含む、請求項23に記載の方法。
- 各ボクセル内の前記推定平均質量の補正を計算する段階が、前記計算差が最小となるように、各ボクセル内の物質の前記平均原子番号を調整する段階を含む、請求項23に記載の方法。
- 標的のボクセル内の物質を分析するための方法であって、
(a)光子ビームで前記ボクセルを照光する段階と、
(b)少なくとも1つのエネルギー範囲において前記ボクセルに入射する光子の数を求める段階と、
(c)前記ボクセルから散乱した光子の少なくとも1つのエネルギースペクトルを測定する段階と、
(d)前記ボクセルに入射する光子の数と前記少なくとも1つのエネルギースペクトルとを用いて前記ボクセル内の物質の平均原子番号求め、前記平均原子番号と前記少なくとも1つのエネルギースペクトルと所定の散乱核とを用いて、前記ボクセル内の物質の質量を求める段階と、
(e)前記少なくとも1つのエネルギースペクトルと前記ボクセル内の物質の前記質量とを用いて、前記ボクセル内に存在する選択核種の質量の上限を求める段階とを含む、方法。 - 前記ボクセル内に存在する選択核種の質量の上限を求める前記段階が、前記選択核種に対応する第1の散乱核を評価する段階と、第2の核種に対応する第2の散乱核を評価する段階とを含む、請求項27に記載の方法。
- 各ボクセル内の平均原子番号を求める前記段階が、
第1エネルギー範囲において前記エネルギースペクトルの少なくとも1つに寄与する光子の第1の数を求める段階と、
第2エネルギー範囲において前記エネルギースペクトルの少なくとも1つに寄与する光子の第2の数を求める段階と、
光子の前記第1の数と光子の前記第2の数との比を計算する段階と、
前記比を用いて前記ボクセル内の前記物質の平均原子番号を求める段階とを含む、請求項27に記載の方法。 - 前記第1エネルギー範囲が511keVを含む、請求項29に記載の方法。
- 前記第2エネルギー範囲が511keVを除外する、請求項30に記載の方法。
- 標的のボクセル内の物質の平均原子番号を求めるためのシステムであって、
光子ビームと、
少なくとも1つのエネルギー範囲において前記ボクセルに入射する光子の数を求めるための手段と、
前記標的を視界に置くよう構成されていると共に、前記ボクセルから散乱した光子のエネルギースペクトルを検出するための装備が施された検出器と、
プロセッサとを含み、
前記プロセッサが、前記エネルギースペクトルを用いて前記ボクセル内の物質の前記平均原子番号を求めるように構成されており、更に、
前記プロセッサが、前記ボクセルに入射する光子の数と、前記平均原子番号と、前記エネルギースペクトルと、所定の散乱核とを用いて、前記標的ボクセル内の物質の平均原子質量を求めるよう構成されている、システム。 - 標的のボクセル内の物質を分析するための方法であって、
前記ボクセルを光子ビームで照光する段階と、
少なくとも1つのエネルギー範囲において前記ボクセルに入射する光子の数を求める段階と、
前記ボクセルから散乱した光子の少なくとも1つのエネルギースペクトルを測定する段階と、
第1エネルギー範囲において前記エネルギースペクトルの少なくとも1つに寄与する光子の第1の数を求める段階であって、前記第1エネルギー範囲が511keVを含む段階と、
第2エネルギー範囲において前記エネルギースペクトルの少なくとも1つに寄与する光子の第2の数を求める段階と、
光子の前記第1の数と光子の前記第2の数との比を計算する段階と、
前記比と光子の前記第1の数との相関関係を用いて、前記ボクセル内の物質の予想平均原子番号及び質量を求める段階とを含む、方法。 - 前記第2エネルギー範囲が511keVを除外する、請求項33に記載の方法。
- 潜在的脅威を探して標的を走査するための方法であって、
(a)前記標的内の複数ボクセルそれぞれについて、
(i)当該ボクセルを光子ビームで照光する段階と、
(ii)ある測定方向で前記ボクセルから散乱した光子のエネルギースペクトルを測定する段階と、
(iii)第1エネルギー範囲において前記エネルギースペクトルに寄与する光子の第1の数を求める段階と、
(iv)第2エネルギー範囲において前記エネルギースペクトルに寄与する光子の第2の数を求める段階と、
(v)光子の前記第1の数と光子の前記第2の数との比を計算する段階と、
(vi)前記比を用いて前記ボクセル内の物質の平均原子番号を求める段階と、
(b)前記複数ボクセルそれぞれの物質の前記平均原子番号を用いて、(1)核共鳴蛍光によって前記標的の一部を走査する動作、(2)疑わしい物質が存在するかもしれないことをオペレータに通知する動作、からなるグループより選択される少なくとも1つの動作を開始するか否かを決定する段階とを含む、方法。 - 前記第1エネルギー範囲が511keVを含む、請求項35に記載の方法。
- 前記第2エネルギー範囲が511keVを除外する、請求項36に記載の方法。
- 前記平均原子番号の空間分布を出力装置に表示する段階を更に含む、請求項37に記載の方法。
- 前記(b)の段階において、前記(1)の動作を開始するか否かを決定する、請求項37に記載の方法。
- 前記(b)の段階において、前記(2)の動作を開始するか否かを決定する、請求項37に記載の方法。
- 潜在的脅威を探して標的を走査するための方法であって、
(a)前記標的内の複数ボクセルそれぞれについて、
(i)当該ボクセルを光子ビームで照光する段階と、
(ii)第1エネルギー範囲にあり且つ第1測定方向で前記ボクセルから散乱した光子の第1の数を測定する段階と、
(iii)第2エネルギー範囲にあり且つ第2測定方向で前記ボクセルから散乱した光子の第2の数を測定する段階と、
(iv)光子の前記第1の数と光子の前記第2の数との比を計算する段階と、
(v)前記比を用いて前記ボクセル内の物質の平均原子番号を求める段階と、
(b)前記複数ボクセルそれぞれ内の前記物質の前記平均原子番号を用いて、(1)核共鳴蛍光によって前記標的の一部を走査する動作、(2)疑わしい物質が存在するかもしれないことをオペレータに通知する動作、からなるグループより選択される少なくとも1つの動作を開始するか否かを決定する段階とを含む、方法。 - 前記第1エネルギー範囲が511keVを含む、請求項41に記載の方法。
- 前記第2エネルギー範囲が511keVを除外する、請求項42に記載の方法。
- 前記平均原子番号の空間分布を出力装置に表示する段階を更に含む、請求項43に記載の方法。
- 前記(b)の段階において、前記(1)の動作を開始するか否かを決定する、請求項43に記載の方法。
- 前記(b)の段階において、前記(2)の動作を開始するか否かを決定する、請求項43に記載の方法。
- 前記第1測定方向が前記第2測定方向と同一である、請求項43に記載の方法。
- 前記平均原子番号の空間分布を出力装置に表示する段階を更に含む、請求項47に記載の方法。
- 前記(b)の段階において、前記(1)の動作を開始するか否かを決定する、請求項47に記載の方法。
- 前記(b)の段階において、前記(2)の動作を開始するか否かを決定する、請求項47に記載の方法。
- 潜在的脅威を探して標的を走査するための方法であって、
(a)前記標的中の複数ボクセルそれぞれについて、
(i)光子ビームで前記ボクセルを照光する段階と、
(ii)少なくとも1つのエネルギー範囲において前記ボクセルに入射する光子の数を求める段階と、
(iii)前記ボクセルから散乱した光子の少なくとも1つのエネルギースペクトルを測定する段階と、
(iv)前記少なくとも1つのエネルギースペクトルを用いて前記ボクセル内の物質の平均原子番号を求める段階と、
(v)前記ボクセルに入射する光子の数と、前記ボクセル内の物質の前記平均原子番号と、前記少なくとも1つのエネルギースペクトルと、前記ボクセルに対応する所定の散乱核とを用いて前記ボクセル内の物質の質量を求める段階と、
(b)前記複数ボクセルそれぞれ内の物質の前記平均原子番号を用いて、(1)核共鳴蛍光によって前記標的の一部を走査する動作、(2)疑わしい物質が存在するかもしれないことをオペレータに通知する動作、からなるグループより選択される少なくとも1つの動作を開始するか否かを決定する段階とを含む、方法。 - 前記質量の空間分布を出力装置に表示する段階を更に含む、請求項51に記載の方法。
- 前記(b)の段階において、前記(1)の動作を開始するか否かを決定する、請求項51に記載の方法。
- 前記(b)の段階において、前記(2)の動作を開始するか否かを決定する、請求項51に記載の方法。
- 脅威となる物質を探して標的を走査するためのシステムであって、
光子ビームを発生するための手段と、
前記光子ビームに対して前記標的を並進させるための手段と、
ある測定方向で前記標的の少なくとも1つのボクセルから散乱した光子の少なくとも1つのエネルギースペクトルを検出するよう構成された少なくとも1つ検出器と、
プロセッサとを含み、
前記プロセッサが、第1エネルギー範囲にあるエネルギーを備えた散乱光子の第1の数と、第2エネルギー範囲にあるエネルギーを備えた散乱光子の第2の数との比を求めるよう構成されており、更に、
前記プロセッサが、前記少なくとも1つのボクセル内の物質の平均原子番号を求めるよう構成されており、更に、
前記プロセッサが、前記少なくとも1つのボクセル内の物質の前記平均原子番号を用いて、(1)核共鳴蛍光によって前記標的の一部を走査する動作、(2)疑わしい物質が存在するかもしれないことをオペレータに通知する動作、からなるグループより選択される少なくとも1つの動作を開始するか否かを決定するよう構成されている、システム。 - 前記第1エネルギー範囲が511keVを含む、請求項55に記載のシステム。
- 前記第2エネルギー範囲が511keVを除外する、請求項56に記載のシステム。
- 前記プロセッサが、前記平均原子番号の空間分布を出力装置に表示させる、請求項57に記載のシステム。
- 前記プロセッサが、前記(1)の動作を開始するか否かを決定する、請求項57に記載のシステム。
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