KR100251345B1 - 금지품 검출 장치 및 검출 방법 - Google Patents

금지품 검출 장치 및 검출 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대략 나노세컨드 (ns)의 펄스폭과 5-9 MeV의 에너지를 지니는 잘 조준된 펄스형 고속 중성자빔(13)을 발생하는 금지품 검출 시스템과 방법이다. 조사중인 물체 (14)는 조준된 펄스형 빔으로 주사된다. 빔의 중성자들은 평행빔과 주사된 물체의 교차에 의해 형성된 제한된 물체 체적이나 복셀에 (n, r)반응을 초래한다. 고투과성 고속 중성자는 물체내에 존재하는 원자 요소들과 핵반응을 일으켜 감마선이 방출되게 한다. 그 감마선은 감마선 검출기 (20)에서 검출된다.
중성자 펄스의 근사 비행 시간은 측정되어 감마선이 발생된 특정 복셀에 대한 결정이 이루어지게 한다. 검출된 감마선들의 에너지는 감마선이 방출된 특정 요소를 나타낸다. 그러므로, 금지품에서 흔히 발견되는 특정 복셀의 탄소, 질소, 산소 및 염소양이 직접적이며 정확하게 결정될 수 있게된다. 복셀 내용물 정보는 물체를 이루는 실질적인 복셀 샘플에서 얻어져 물체의 요소 내용물을 직접 지시하고 금지품이 물체에 존재하는지의 여부를 지시할 수 있다.

Description

[발명의 명칭]
금지품 검출 장치 및 검출 방법
[발명의 배경]
본 발명은 원자핵에 기초한 금지품 검출 장치에 관한 것으로, 특히 가방이나 트렁크 등과 같은 용기에 은닉된 금지품을 정확하게 검출하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 사용되는 "금지품(contraband)" 이라는 용어는 폭발물과 마약을 의미하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
일반적으로 진단용 원자핵 기술은 은폐된 폭발물이나 기타 다른 금지품을 검출할 수 있게 하는 2개의 고투과성 방사선(highly penetrating radiation)(예, 중성자 및 감마선)을 사용하고 있다. 상기 방사선은 다음과 같이 작용한다. 적절하게 성형된 1차 방사선은 물체의 설정 체적내 원자핵을 여기(excite)시킨다. 여기된 원자핵은 계속해서 느슨해져 전자기(electromagnetic) 또는 입자 방사선을 핵종의 특징에 따라 방출한다. 따라서 방출된 스펙트럼을 분석함으로써 물체안에 들어있는 특정 물질, 즉 폭발물이나 마약을 쉽게 검출할 수 있게 된다. 달리 말해, 방출된 스펙트럼이 소정의 에너지 방사선을 포함한다면, 그 물체안에 특정한 원소가 있다고 추측할 수 있는 것이다. 따라서, 특정 강도의 특정 방사선을 나타내는 스펙트럼은 검사되는 물체안에 특정의 화학 원소가 존재한다는 것을 확인시켜 주는 "신호" 로서의 역할을 하게 된다. 따라서, 물체안의 화학 원소나 화학 성분을 감정한다는 것은 물질로부터 방출된 방사선안에 존재하는 대응 신호들을 감정하는 것이다(이런 내용은 예를 들어 미국 Nuclear Regulatory Commission, NUREG-CR-0602, SAI-FM-2585(1981)의 Gozani, Active Nondestructive Assay of Nuclear Materials 에 서술되어 있다).
비관입(non-intrusive) 진단을 하기 위해서는 중성자를 1차 방사선으로 사용하고 이에 따라 발생되는 감마선을 측정하는 것이 관행이다. 미국 특허 제 3,832,545 호는 주로 열에너지를 갖는 중성자를 사용하는 원자핵에 사용하는 폭발물 검출 시스템을 서술하고 있다. 이와는 달리, 유럽 특허출원 EP 0227497 A1 호는 7 내지 15 MeV의 고속 중성자가 사용되는 원자핵 기본 폭발뭍 검출 시스템이 서술되어 있다. 그러나, 실제로 열중성자에 기초한 검출 시스템은 폭발물의 4개 기본 성분으로 이루어진 하나의 신호, 소위 질소(수소도 가능함) 신호만을 우선 공급한다는 단점을 갖고 있다. 반면에, 고속중성자에 기초한 검출 시스템은 폭발물이나 다른 금지품의 4개의 모든 성분으로 이루어진 신호를 제공하여 그 식별력을 증가시킬 수 있다(폭발물의 4개 기본 성분은 수소, 탄소, 질소 및 산소이다).
그러나, 단지 특정 금지품의 구성 원소를 나타내는 신호를 얻었다고 해서 그것이 반드시 조사중인 물체안에 그러한 금지품이 있다는 것을 나타내지는 않는다는 것을 명심해야 한다. 그 이유는 많은 양성(benign) 물질(비금지품)도 그러한 원소들을 포함할 수 있기 때문이다. 따라서, 진단의 큰 장점은 의문체내 원소 밀도의 3차원 분포 영상이 형성될 때 얻어질 수 있다는데 있으며, 그 이유는 이와 같은 밀도 영상이 금지품과 비금지품을 구별하는데 추가적으로 도움을 주기 때문이다. 이러한 목적에 적당한 3차원 영상은 물체에 중성자를 구간 단위(section-by-section)로 조사(irradiation)하고 각 구간에서 발생하는 감마선의 강도와 에너지를 컴퓨터를 사용하여 분석함으로써 쉽게 얻을 수 있다. 이러한 분석은 과거에는 물체 주위에 감마선 검출기를 양호하게 배치할 것이 요구되었었다.
상술한 바와 같이, 예를 들어 폭발물같은 금지품을 검출하기 위한 물체의 중성자 식별은 당업계에 널리 공지되어 있다. 가장 일반적인 식별법중 하나이면서 지금까지 상품화된 유일한 기법은 열중성자 방사(thermal neutron activation : TNA)기법이다. 이러한 TNA 기법에 있어서, 식별된 물체는 저에너지 중성자에 노출되며, 그 결과 물체내 원소의 에너지 특성을 지니는 감마선이 발생된다. 그러면 특정 에너지의 감마선이 검출되어 계수된다. 그러한 계수값으로부터 식별 대상내의 질소양이 결정된다. 폭발물을 양호한 신뢰성으로 검출하는 TNA 기법의 능력은 대부분 폭발물의 밀도와 질소 함유량에 달려있다.
당업계에 공지된 폭발물 검출에 관한 다른 기법은 고속 중성자 방사(fast neutron activation : FNA) 기법이다. 상기 FNA 기법은 식별 대상이 중성자 공세를 받는다는 점에서 TNA 기법과 비슷하지만, 중성자가 TNA 보다 더 큰 에너지(예, 14 MeV)를 지니며 그 발생된 감마선으로 인해 추가 원소의 존재가 검출된다는 차이가 있다. 특히, FNA 는 질소외에 수소, 탄소 및 산소의 존재도 검출한다. 따라서 이들 원소들 모두의 상대적인 함유량은 특정 물품, 즉 금지품을 구별하는데 도움을 주는 "신호"를 구성하게 된다.
또 다른 폭발물 검출 기법은 고속 중성자를 발생하는 T(d, n)4He 반응에서 발생된 알파 입자의 검출 단계를 포함한다. 중성자와 알파 입자는 반대 방향으로 방출된다. 목표 트리튬(tritium) 근처의 작은 입자 검출기는 알파 입자를 검출한다. 이에 대응하는 중성자는 알파 검출기에 의해 목표물에서 경사진 입체각(solid angle)과 동일한 입체각내에서 180°로 방출된다. 상기 입체각은 서류가방이나 용기와 같은 샘플의 식별에 사용되는 중성자 "빔"을 한정한다. 감마선 검출기는 샘플 가까이에 배치되어 알파 입자와 동시에 발생하는 감마선을 검출한다. 알파 입자 검출과 감마선 검출 사이의 시간차를 이용해 빔을 따라 감마선 소스를 배치할 수 있다. 따라서, 빔을 주사함으로써 감마선 소스의 3차원 영상이 발생될 수 있다.
마지막으로, 프랑스 특허 EP 0 227 497 호와 Al rhk Kuala Lumpur 에서의 5차 Asia/Pac Aviation Seminar(1987.8.17-2l)에 제출된 최근 보고서에서 지적한 바와 같이, 고속 중성자와 열중성자를 동일한 검출 시스템에 결합하는 방법도 당업계에 공지되어 있다. 이들 보고서에서 지적한 바와같이, 부분적으로 14 MeV 의 펄스 중성자 소스가 양호하게 차폐된 하나이상의 게르마늄 검출기와 함께 사용된다.
질소와 산소는 고속 중성자가 파열될 동안(n, xγ)반응을 통해 측정되고, 염소는 펄스들 사이에서 열중성자와의 (n,γ)반응을 통해 측정된다.
[발명의 개요]
본 발명은 화물 트럭이나 수화물 등의 밀폐된 물체나 용기의 "내부를 투시하여"그 안에 있는 특정 원자핵, 즉 원소의 양을 측정하는데 중성자를 사용하는 매우 효과적이고 직접적인 방법을 제공한다. 일단 특정 원자핵의 량을 알게 되면, 특정 금지품에 대한 확인이 쉽게 이루어지는데, 그 이유는 관심의 대상이 되는 모든 금지품은 확인할 수 있는 비율과 밀도로 특정한 원자 원소를 함유하고 있기 때문이다. 원자력을 사용하는 종래 기술에 따라, 대상물의 "내부 투시"는 원자력 반응에 의해 발생되는 감마선을 검출함으로써 달성된다. 감마선은 특정 원자핵의 에너지 특성을 갖고 있으며, 이러한 원자핵은 핵처리의 잔여분을 나타낸다. 물체가 (저 에너지)열 중성자 욕(bath)에 잠기므로써 다량의 감마선 소스가 확장된 체적으로 발생되고 감마선 데이터로부터 유용한 영상 데이터를 재조립하기 위하여 다소 복잡한 처리 절차와 다수의 감마선 검출기를 사용할 필요가 있는 종래 기술과는 달리, 본 발명은 물체의 작은 체적 복셀("Voxel")을 순차적으로 식별하기 위하여 (고 에너지)고속 중성자의 잘 조준된 짧은 펄스를 사용한다. 이러한 방법에 따라, 본 발명의 검출 시스템은 특정 복셀(voxel)를 정확히 조사할 수 있으며, 검출된 감마선에 기초하여 그 내부에 어떤 원소가 있는지 직접적으로 결정할 수 있다. 이러한 방법으로 충분한 수의 복셀을 제어된 순서로 조사함으로써 물체내 화학 원소량을 직접 인식할 수 있게 된다.
본 발명의 특징에 따르면, 펄스형 고속 중성자 방사선(FNA)을 사용하여 폭발물 등을 포함하는 상술한 형태의 금지품을 효과적으로 검출하는 고속 시스템이 제공된다. 펄스형 고속 중성자빔(에너지 범위가 5 내지 9 MeV)은 A(B, n)-핵 흡열반응(여기서, MB》MA)의 운동량을 사용하여 매우 크게, 즉, 펜슬빔(pencil beam)으로 조준된다. 펄스폭은 대략 10-9S(이보다 작은게 바람직)이다. 이들 펄스형 중성자들은 조사중인 대상으로 지향되며 펜슬빔과 차단된 대상이 교차하여 형성되는 제한된 작은 물체 체적안에서 (n, xγ) 반응(x ≡ n'이 바람직)을 초래한다.
외부 조준의 증가가 요구되는 경우, 중성자 펜슬빔의 측방향 구간, 즉 반응 운동량을 적절히 선택하므로써, 또한 상호작용하는 중성자의 비행 시간을 측정함으로써, 물체를 일련의 작은 체적 요소들 즉, "복셀(Voxel)들"로 간단히 세분(細分)할 수 있게 된다. 중성자 파열이 지속되는 시간을 포함한 발생 시간을 정확하게 제어하므로써, 또한 감마선 검출 시간을 측정함으로써, 감마선이 발생하게 되는 특정 영역이나 복셀을 결정할 수 있다. 투과성이 큰 고속 중성자들이 감마선의 발생 가능성이 높기 때문에, 특정 복셀내의 산소, 탄소, 염소 및 질소 등의 원소와의 핵반응은 직접적으로 그리고 정밀하게 결정될 수 있으며, 이러한 결정은 상기 특정 복셀의 금지품을 포함하고 있는지의 여부를 직접적으로 표시하게 된다. 물체를 이루는 실질적인 복셀 샘플로부터 이러한 정보들을 조합하므로써, 어떠한 유형의 금지품이라도 물체내 존재 여부가 양호한 신뢰성으로 추론될 수 있다. 또한, 고속 타이밍 조건을 늦춤으로써, 수소와 같은 기타 다른 화학 원소들은 중성자 열화 처리와 차단될 물체에서의 일련의 방사 포착을 통해 양호하게 결정될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 펄스형 고속 중성자들은 A(B, n) 반응(여기서 MB≤ MA) 즉, D(d, n), T(d, n) 또는 Li(p, n)와 같은 반응에 의해 생성된다.
이러한 실시예를 사용하여 식별 물질을 복셀로 세분하는 것은 외부 중성자빔 시준기를 사용하므로써 이루어지며, 좁은 범위에서 보면 적절히 위치된 감마선 검출기를 사용하므로써 이루어진다.
또 다른 실시예의 경우, 의문시되는 물체는 예를 들어 다수의 펄스형 고속중성자 소스를 사용하여 여러 방향에서 조사되는데, 이러한 조사방법은 이온 빔을 적절히 전송하거나 물체를 이동시키거나 회전시켜서 이루어진다. 복셀의 크기와 위치는 본 실시예에 따라 주로 중성자와 감마선외 비행 시간을 측정하여 유도된다.
따라서 본 발명은 검사중인 물체를 펄스형 고속 중성자빔으로 조사(irra diation)하는 수단과, 상기 펄스형 고속 중성자빔으로 부터의 중성자와 상기 물체내 원자 핵 사이의 상호 작용에 의해 물체에서 방출된 감마선을 검출하는 제 1검출 수단과, 검출된 특정 감마선을 발생하는 특정 원자 원소를 확인하는 확인 수단과, 상기 검출 수단에 의해 검출된 각 감마선이 발생되는 물체내 위치를 결정하는 위치선정 수단과, 상기 조사 수단과 확인 수단 및 위치선정 수단에 응답하여 금지품의 존재를 나타내는 상기 물체내에서 적어도 하나의 원자 원소의 분포 및 집중을 검출하는 제 2 검출 수단을 포함하는 금지품 검출 시스템을 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 지향된 고에너지 중성자의 반복성 단펄스를 발생하는 수단과, 금지품의 존재 여부를 알아보기 위해 검사중인 물체를 상기 고에너지 중성자의 반복성 단펄스로 주사하는 수단과, 중성자와 원자핵의 상호 작용의 결과로서 발생된 감마선을 검출하는 수단과, 검출된 특정 감마선이 발생되는 물체내 특정 체적 원소나 복셀을 결정하는 수단을 포함하며, 상기 각각의 고에너지 중성자는 물체에 존재하는 특정 원자핵과 반응하여 고에너지 중성자와 반응하는 특정 원자핵의 에너지 특성을 지니는 감마선을 발생하며, 상기 검출 수단은 특정 감마선의 에너지와 고에너지 중성자의 단펄스 발생시간에 대한 상기 특정 감마선의 검출 시간을 검출하는 수단을 포함하며, 상기 검출된 감마선은 특정 복셀내 특정 원자핵의 표식을 직접 제공하는 것을 특징으로 하는 금지품 검출 시스템이 제공된다. 이러한 시스템을 사용함으로써, 물체내 복셀 샘플에 존재하는 특정의 원자핵은 물체내 특정 원소의 양과 분포를 직접적으로 표시할 수 있게 된다. 따라서, 금지품의 존재가 물체내 특정원소의 양과 분포에 의해 표시되면, 이러한 결정에 의해 금지품의 존재 유무가 직접적으로 표시된다.
또한, 본 발명에 따르면, 펄스형 고속 중성자빔을 물체의 지정된 체적에 제어가능하게 지향시킴으로써 검사중인 물체를 주사하는 수단과, 상기 펄스형 고속 중성자빔으로부터의 고속 중성자들과 상기 물체내 특정 원소들의 윈자핵 사이의 상호작용에 의해 물체의 체적으로부터 방출되며 금지품에서 발견되는 원자 원소에 대응하는 에너지를 갖는 감마선을 검출하는 수단과, 상기 검출 수단에 응답하여 금지품을 나타내는 적어도 한 원자 원소의 분포와 밀도가 설정된 체적내에 존재하는지의 여부를 확인하는 수단을 포함하는 금지품 검출시스템이 제공된다. 이러한 이러한 시스템을 사용하여 설정 체적내에 금지품이 존재하고 있다고 결정되면 펄스형 고속 중성자를 사용하여 물체에 대한 조사가 양호하게 종료되어, 그 결과 이러한 시스템에 의한 물체내의 금지품 검출에 요하는 시간이 감소되게 된다. 즉, 만일 금지품이 물체의 한 복셀에서 발견되면 물체의 다른 복셀에 대한 조사를 계속할 필요가 없기 때문이다. 그러나, 필요한 경우, 물체내에 금지품이 존재한다는 것을 확인하기 위해 예를 들어 인접한 복셀과 같은 부가적인 설정 체적이 검사될 수 있다.
또한 본 발명은 (a)펄스형 고속 중성자빔을 조사중인 물체의 설정 체적을 향해 지향시키는 단계와, (b)펄스형 고속 중성자와 물체의 설정 체적에 존재하는 특정 원소의 원자핵이 상호작용하므로써 물체의 설정 체적에서 방출되며 금지품에서의 원자 원소에 대응하는 에너지를 갖는 감마선을 검출하는 단계와, (c)금지품을 나타내는 적어도 하나의 원자 원소의 분포와 집중이 물체내에 존재하는지의 여부를 확실히 하기 위해 조사중인 물체의 작은 설정 체적에 대해 상기 (a) 단계와 (b) 단계를 반복하는 단계를 포함하는 금지품 검출 방법을 제공한다.
본 발명의 특징은 금지품의 형태나, 그 금지품이 물체안에 배치되거나 은닉된 방법에 상관없이 감도가 개선된, 즉 상기 금지품을 구성하는 원소를 신뢰성있게 검출할수 있는 능력이 개선된 금지품 검출 시스템을 제공하는 것이다. 상기 감도의 증가에 의해, 본 발명의 검출 시스템은 종래 금지품 검출 시스템에 비해 검출 가능성(probality of detection : PD)은 크고 오경보 발생의 가능성(probabililty of false alarm : PFA)은 적게 된다.
본 발명의 또 다른 특징은 금지품/비금지품 결정에 기초한 필수 정보가 상당한 부가 처리나 확률 사정(probability assessment)을 하지 않고 검사중인 물체로 부터 얻은 주사 데이터에서 직접 얻어지는 검출 시스템을 제공함으로써, 통과시간 즉, 물체가 상술된 금지품을 포함하고 있는지의 여부를 결정하기 위해 물체를 시스템에 통과시키는데 걸리는 시간을 상당히 개선시킨다.
본 발명의 또 다른 특징은 다양한 형태의 물체를 조사하는데 사용가능한 금지품 검출 시스템을 제공하는 것이다. 예를 들어, 검사대상 물체가 수하물인 경우, 본 발명은 휴대용 수하물에서 대형의 수속용 수하물까지 모든 크기 및 유형의 수하물을 조사할 수 있을 뿐만 아니라 수하물 운반차와 다른 대형 컨테이너를 충족시킬 수도 있다. 또한 검사대상 물체가 화물 트럭인 경우, 모든 크기의 트럭이나 이와 동일한 화물운반용 차량에 대해서도 본 발명의 시스템을 사용해 용이하게 검사할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 종래의 원자력을 사용하는 검출 시스템에 비해 많은 수의 감마선 검출기를 사용하지 않고 금지품 검출을 실행할 수 있다는 것이다.
미국 특허출원 제 07/053,950 호에 기재된 바와 같은 종래 시스템에서는 방출된 감마선을 감지한 특정 검출기가 감마선이 발생된 물체내 위치에 관한 표식을 제공할 수 있도록 검사대상 물체를 다수의 검출기로 둘러싸서 물체 내용물의 밀도 맵 형성에 도움을 주는 구성을 취하고 있다. 이와 같은 종래 기술에서는 특정 에너지의 감마선이 검출되었다는 것을 결정할 필요가 있을 뿐 아니라, 검출이 발생하는 특정 검출기(다수의 검출기 어레이내)를 추적하여 알아야 할 필요도 있다. 이와는 달리, 본 발명은 특정 에너지의 감마선의 발생(그리고, 이에 따른 특정 원소의 위치)을 결정하는 비행 시간을 측정하고 이러한 측정은 검출기의 위치에 크게 의지하지 않기 때문에 단지 몇개의 검출기만을 필요로 한다. 그 결과, 본 발명은 대형 검출기 어레이나 복잡한 수학적인 재구성없이도 물체내 원소의 분포 영상을 직접적이고 쉽게 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 특징은 신호-잡음 비율이 개선묀 검출 시스템을 제공한다.
이처럼 개선된 신호-잡음 비율은 대부분 잘 조준된 식별 중성자의 펄스적인 성질에 의해 초래된다. 즉, 조준된 펄스형 중성자들은 규정된 시간 윈도우(time window) 동안 소망하는 물체 영역이나 복셀에만 감마선을 발생한다. 따라서, 관심의 대상이 되는 시간 윈도우에 존재하는 배경 잡음(즉, 검출기나, 물체의 다른 위치나 영역, 또는 그 주위 환경에 발생된 것들과 같은 관심의 대상이 되지 않는 감마선)이 많이 감소되어 신호-잡음 비율이 개선된다.
본 발명의 또 다른 특징은 종래 몇몇 시스템에서 필수적인 처리단계인 관련 입자의 검출단계를 실행할 필요없이 금지품을 검출할 수 있다는 점이다. 상기 관련 입자(예를 들어, 알파 입자)가 검출될 필요가 없기 때문에, 식별빔의 강도는 관련 입자들이 검출되는 시스템(관련 입자 검출 채널의 계수율 용량이 빔강도를 심각하게 제한함)에서처럼 제한되지 않는다.
본 발명의 다른 특징은 종래 원자력을 사용하는 검출 시스템보다 차폐 필요성이 상당히 감소되고, 기하학적 형태에 대한 한정과 설비의 제한이 현저히 감소되는 고에너지 중성자를 사용하는 신뢰성이 양호한 원자력 사용 금지품 검출 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 기타 다른 목적과 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조한 하기의 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
[도면의 간단한 설명]
제1도는 본 발명의 펄스형 고속 중성자를 사용하는 직접 영상 금지품 검출시스템에 사용된 주요 부품을 도시한 도면.
제2도는 운동량이 집중된 중성자의 원리를 대략적으로 도시하는 도면.
제3a도 및 제3b도는 본 발명에 따라 펄스형 고속 중성자빔에 의해 검사되는 물체의 개략적인 단부도 및 측면도.
제4a도는 제2도 서류 가방의 확대 단면도로서, 펄스형 고속 중성자가 지나가는 작은 체적 원소(복셀)를 도시한 도면.
제4b도는 제4a도 복셀의 측면도로서, 감마선이 발생되는 물체내 특정 영역을 결정하기 위해 감마선 도달시간이 사용되는 방식을 도시한 도면.
제5a도는 본 발명의 펄스형 고속 중성자를 사용하는 직접 영상 시스템의 개략적인 도면으로서, 물체내 특정 원소의 집중과 그 위치가 직접 유추될 수 있는 2차원 시간-에너지 스펙트럼을 발생하기 위해 비행 시간 측정 기술이 사용되는 방식을 도시한 도면.
제5b도는 다이너마이트, 마취제 및 폴리에스테르면(옷감)의 샘플용으로 측정된 감마선 스펙트럼을 도시한 도면.
제6도는 비행 시간이 측정될 수 있는 방법을 도시한 간단한 타이밍도.
제7도는 방출각 함수로서 중성자 발생량(neutron yield)과 에너지를 도시한 도면.
부록 A 는 조준된 중성자빔의 발생에 관한 또 다른 주요 사항을 제공한다.
[발명의 상세한 설명]
제1도에는 본 발명에 따라 제조된 금지품 검출 시스템(10)이 도시되어 있다. 상기 시스템은 조준된 펄스형 중성자빔(13)을 발생하는 펄스형 가속장치(12)를 포함한다. 상기 중성자빔(13)은 통로(15)를 형성하는 식별 챔버(18)쪽을 향하도록 형성된다. 검사될 물체(14)는 컨베이어 벨트와 같은 이동 메카니즘에 의해 빔통로( 15)를 횡단하는 방향으로 식별 챔버(18)를 통과한다. 따라서, 어떤 순간에 빔(13)은 공지의 물체(14)체적을 통과하는데, 이 체적은 빔통로 주위 중심에 있게 된다(하기에 상세히 서술되는 바와 같이, 중성자 발생 반응의 운동량은 빔으로 하여금 소망된 빔통로(15) 주위에 좁은 원추를 형성하게 한다). 또한, 제1도에 도시된 물체(14)는 서류가방인 것으로 도시되었지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 여러 종류의 크기가 다양한 형태의 물체가 본 발명의 원리에 따라 금지품 판단을 위해 양호하게 주사될 수 있다.
검출기 어레이(20)는 빔통로(15) 근처에 위치되거나 전형적으로는 식별 챔버(18)나 이와 같은 케이싱에 장착되는데, 물체는 펄스형 중성자빔에 의해 투사 조사될 때 상기 챔버를 통과하게 된다. 상기 검출기 어레이(20)는 그 통과 물체로부터 소정의 빔(13) 펄스로서 방출되어 입사되는 모든 감마선을 검출하는 하나이상의 감마선 검출기를 포함한다. 이와 같이 검출된 감마선에 의해, 처리 회로부(22)로 전송될 검출 신호가 발생된다. 처리 회로부(22)는 중성자가 발생하는 시간, 검출된 감마선 에너지 및 검출 신호가 수신되는 시간을 측정한다. 소정의 중성자빔 (13) 펄스가 시작되는 시간을 알고 소정의 감마선이 검출되는 시간을 측정함으로써, 처리 회로부(22)는 검출된 감마선 발생에 책임이 있는 펄스형 빔의 중성자 비행시간을 측정할 수 있게 된다. 중성자 발생 반응의 운동량에 의해 결정되는 중성자의 공지 속도와 연결된 이와 같은 비행시간 정보에 의해, 처리 회로부(22)는 감마선이 발생되는 빔통로(15)를 따라 물체(14)내의 위치에 대해 정확한 결정을 내릴 수 있다.
감마선이 발생되는 물체(14)내 특성 위치에 대한 결정은 중성자의 속도가 대체로 감마선의 속도보다 느리다는 사실과 비행시간 측정에 근거하여 이루어진다.
예를 들어, 고속 중성자가 10 MeV 의 에너지를 갖는다고 가정할 때, 중성자의 속도는 4.37x107m/sec 가 된다. 이와 달리, 방사 감마선은 빛의 속도(3x108m /se c)와 거의 같은 속도를 지닌다. 따라서, 예를 들어 중성자와 원자핵 사이의 핵 상호작용의 결과로서 발생되는 감마선은 산란 중성자보다 훨씬 빨리 검출기에 도달하게 된다. 이에 따라, 측정된 비행시간을 검출된 감마선의 방사를 유도했던 중성자의 비행시간이라고 가정할 수도 있다. 그러나, 하기에 서술되는 바와 같이, 측정된 비행시간에서 감마선의 여행 시간 부분을 계산하기 위해 필요한 경우 보정이 이루어질 수도 있다.
원자력을 사용하는 검출 시스템에서처럼, 감마선이 발생되는 특정 원소는 검출된 감마선 에너지에 의해 확인될 수 있기 때문에, 제1도에 도시된 시스템은 물체(14)내 특정 원소의 위치를 직접적으로 결정할 수 있다. 빔(13)을 사용하여 물체(14)를 제어가능하게 주사함으로써, 그 체적의 거의 모든 관련 부분들은 주사 동작의 일부동안 자신을 관통하는 펄스형 중성자빔을 갖게 되며, 이에 따라 물체내 원소들(적어도 관심의 대상이 되는 원소들, 즉 검출되는 특정 유형의 금지품에서 보통 발견되는 원소들)의 분포를 직접 측정하는 것이 가능하게 된다. 이와 같은 분포 정보는 원소맵으로서 간주될 수 있으며, 예를 들어 데이터선(26)상의 처리 회로(22)의 출력 데이터로서 사용가능한 적절한 데이터 신호에 의해 나타내어질 수 있다. 물체내 원소 조성과 분포가 이러한 원소들이 금지품(즉, 폭발물이나 불법 의약품)임을 가리키는 표식(indicator)을 제공하기 때문에, 이러한 데이터를 사용하여 물체(14)가 임의의 금지품을 포함할 수도 있음을 직접적으로 알 수 있다. 물체가 금지품을 포함하고 있다고 발견되면, 처리 회로(22)나 이에 결합된 보조 컴퓨터에 의해 적절한 제어 신호가 발생되고 이에 따라 경보가 작동되어 물체(14)를 보다 자세한 검사가 실행되는 장소로 자동으로 전환시킨다.
일부 실시예에서는 원소맵이 CRT 스크린 상에 표시될 수도 있다. 2차원 표면에 표시되는 그러한 지도는 3차원 영상으로도 나타날 수 있다. 또한, 종래의 CAG(Computer Aided Graphic)을 이용하여, 이와 같이 디스플레이된 관심의 대상이 되는 물체의 체적을 선택적으로 역전시키고 회전시키고 확대시킬 수 있다. 또한 이와 같은 물체 영상 디스플레이는 조작자가 그 물체가 금지품을 함유하는지를 분석하는데 도움을 준다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 기본 개념은 펄스형 중성자들이 의문시되는 물체 전체를 횡단하는데 걸리는 이동 시간보다 훨씬 짧은 펄스 길이를 지닌 펄스형 활성 중성자로 된 펜슬빔을 사용하는 것이다. 타이밍 측정을 통해, 빔을 따른 중성자 펄스의 위치가 측정될 수 있으며, 이에 의해 중성자 펄스가 원자핵과 만나게 되는 특정 체적 원소 복셀에서의 물체의 내용물이 결정된다. 중성자들은 의문시되는 체적안의 핵과 다양한 방법(대부분 비탄성 산란)으로 상호작용한다. 이들 반응에 의해 발생하는 역여기(de-excitation) 감마선의 강도로 체적내의 상대적 원소량이 측정된다.
조준된 중성자빔을 발생하는데는 적어도 두가지 방법이 사용될 수 있다. 첫번째 방법은 중이온빔(HI)이 H(HT, n)HI' [또는 c, m 시스템의 (n, p) 한계값] 반응의 한계값에 가까운 에너지로 수소 원자(H)와 충돌할 때 얻어지는 큰 질량 속도중심을 이용하는 것이다. 이러한 방법에 의해 생성된 중성자들은 제2도에 도시된 바와 같이 개방각이 작은 전방 원추체(forward cone)에 한정된다. 제2도에 있어서, 시스템의 c. m 속도(Vcm)는 중이온이 대량으로 유입 공급되므로 크다. 그러나, 한계값 근처에서의 제 2 도에 도시된 c. m 시스템의 중성자 속도 성분(Vn,cm)은 작다. 따라서 실험실용 시스템에 있어서의 유출 중성자들은 최대각이으로 주어지는 원추체에 집중된다.
조준된 중성자빔을 생성하는 두번째 방법은 활성 중수소핵(deuteron)과 외부 조준기(collimator)를 이용하는 D(d,n)3He 반응에서 생성된 중성자의 전방 피킹(fo rward peaking)에 기초하는 것이다. 집중된 중성자를 발생하는 제1, 제2방법은 모두 부록 A 에 더욱 상세히 서술되어 있다.
제3a도 및 제3b도에는 D(d, n) 중성자빔으로 물체를 주사할 수 있는 기법이 도시되어 있다. 제3a도와 제3b도는 본 발명에 따라 조사되는 물체(14)의 단면도와 평면도이다. 점(S)은 펄스형 중성자 소스를 나타낸다. 펄스형 빔(13)은 중성자 소스(S)에서 발생하여 통로(15)를 따르며, 이러한 펄스형 빔(13)은 상술한 이유로 인해(제2도 참조) 팬(fan) 형태의 원추체(13a)내로 한정된다. 제3도에 도시되는 바와 같이 팬 형태의 원추체를 예를 들어 한쪽 방향으로 좁히는데 적당한 조준기(도시않음)를 사용함으로써, 물체(14)의 점선(14a,14b)에 의해 형성된 좁은 구간을 빔이 통과하도록 빔을 지향시킬 수 있다. 물체(14)의 어느쪽에든지 검출기(20a,20b, 20c,20d)가 배치될 수 있다. 상기 각각의 검출기(20a,20b,20c,20d)는 필요에 따라 단일 검출기나 다수 검출기로 이루어진 어레이롤 포함할 수 있다. 또한 검출기 형태와 배치를 다르게 할 수도 있다.
동작시, 좁은 팬 형태의 펄스형 빔(13)은 검출기(20a,20b) 사이를 통해 선(1 4a,14b)에 의해 세분된 물체(14)의 협소한 체적 구간을 통과한다. 검출기 (20a-d)와 충돌한 임의의 펄스형 중성자들은 다수의 배경 감마선을 발생하게 된다.
그러나, 이와 같은 배경 감마선들은 여기에 기술된 비행시간 측정 기술을 사용하여 쉽게 차단될 수 있다[이러한 기법을 사용하면, 검출기(20a,20b) 내에 발생하는 감마선들은 너무 빨리 검출되고, 검출기(20c,20d)내에 발생하는 감마선들은 너무 늦게 검출되므로 물체(14)내에 발생할 가능성이 거의 없게 된다. 따라서 감마선의 지연 측정과 조기 측정이 양호하게 차단될 수 있으므로 큰 배경 잡음원이 제거된다. 체적이 좁은 구간내에 발생한 김마선들만이 적절한 시간 윈도우내 검출기 (20a-d)중 하나에 도착할 수 있다. 따라서, 이들 감마선들만이 선(14a,14b)으로 둘러싸인 체적 구간내 구성 원소를 측정한다. 물체(14)가 빔(13)에 대해 이동됨에 따라, 물체의 다른 체적 구간(voxel)이 조사된다. 전체 물체(14)가 빔(13) 앞에서 이동됨에 따라 또는, 적절한 주사 수단을 사용하여 물체(14)와 비임(13) 사이에 이와 등가인 상대적 이동[화살표(17a)로 도시]이 발생됨에 따라, 물체내 모든 체적 구간들이 검사된다. 또한, 제4도를 참조로 하기에 서술되는 바와 같이, 허용 시간 원도우내에 있는 특정 감마선의 측정된 도착 시간은 감마선이 발생한 물체(14)내 위치를 형성한다.
물론 제3a도 및 제3b도에 도시된 기본적인 주사 방법 이외에 다양하게 변화된 다른 방법을 사용할 수도 있다. 예를 들어, 펄스형 중성자빔을 물체(14)의 상이한 측으로 향하게 하는 다수의 펄스형 중성자 소스가 사용될 수도 있다[예를 들어, 제3a도 및 제3b도에는 또 다른 펄스형 중성자빔 소스(S')가 중성자 소스(S)와는 대향인 물체(14)측에 도시되어 있다). 필요할 경우, 조준기들이 추가로 사용되어 펄스형 빔이 조사되는 체적 구간을 선(14a,14b)으로 구속된 체적 구간부분(예를들어, ½, ⅓, ¼ 구간)으로 제한할 수 있다. 그후, 적절한 수단을 사용하여 물체(14)를 이동시키거나 빔(13)을 돌리거나 이동시켜 물체(14)가 모두 펄스형 빔으로 복셀단위로 충분히 조사되게 할 수 있다.
제4a도는 확대된 물체(14) 부분을 예시하는 것으로 펄스형 고속 중성자가 관통하는 "복셀", 또는 작은 체적 원소의 개념을 도시하고 있다. 상술한 바와 같이, 펄스형 고속 중성자 빔(13)이 물체(14) 표면상의 점(P)에 지향될 때는 전형적으로 좁은 원추체(제2도)에 의해 한정된 영역내에서 물체(14)를 통해 전파된다.
따라서, 빔(13)내의 임의의 특정 중성자는 영역(A1)의 중심에 있는 점(P)보다는 물체(14)표면의 영역(A1) 내에서의 임의의 위치에서 실제로 충돌할 수 있게 된다.
복셀의 개념을 더욱 명확히 설명하기 위해, 제4도의 영역(A1)은 정방형으로 도시되며, 이로 인해 복셀은 입방체로 도시된다. 그러나, 실제로 상기 영역(A1)은 일반적으로 장방형이나 원형을 취하며, 그 결과 복셀들은 입방체가 아닌 고형의 실린더 형태를 취한다. 영역(A1) 뒤에는 빔(13)이 최초로 관통하는 작은 체적의 원소 (또는 복셀)(V1)가 놓인다. 복셀의 깊이는 주로 중성자 파열 길이에 의해 측정된다. 마찬가지로, 복셀(V1)뒤에는 상기 복셀(V1)을 횡단한 후에 펄스형 고속 중성자빔(13)이 관통하는 제2의 작은 체적 원소(또는 복셀)(V2)가 빔 통로(15)를 중심으로 놓인다. 다른 복셀(V3, V4, V5, V6등)도 또한 빔 통로(15)를 중심으로 놓이게 되며, 빔(13)이 제1복셀을 통과한 후 통과할 수 있는 작은 체적 원소열을 형성한다.
상기 빔(13)은 소정의 복셀(Vn')을 통과할 때 원자핵과 미주칠 수 있는데, 이때 감마선이 방출된다. 예를 들어, 제4a도의 경우 파상 형태의 화살표로 도시된 감마선은 펄스형 빔(13)의 중성자와 복셀(V1)내 원자핵들 사이의 핵반응 결과에 의해 생성된다. 상기 감마선(40)은 적당한 감마선 검출기를 사용하여 점(42)에서 검출될 수 있다. 마찬가지로, 다른 감마선(44,46)도 그 내부에서 이루어지는 핵반응의 결과에 의해 복셀(V3, V6)내에 생성될 수 있다.
일단 소정의 복셀(Vn')에서 감마선이 발생되면, 감마선은 복셀을 벗어나 감마선 검출기에 흡수될 수 있다. 필요할 경우, 소정의 감마선 검출 가능성을 증가시키기 위해 복셀 주위의 여러 위치에 검출기가 배치될 수도 있다.
제4a도에 도시된 바와 같이, 감마선(44, 46)은 동일한 검출기 위치(48)로 이동하는데 비해, 감마선(40)은 다른 검출기 위치(42)로 나아간다. 제4b도를 참조하여 하기에 서술되는 바와 같이, 어떤 특정 검출기가 감마선을 감지하는가 하는 것은 중요치 않다. 중요한 것은 감마선이 감지된다는 것과 그 검출 시간이 기재된다는 것이다.
제4b도는 소정 감마선 발생 소스의 근사 위치(즉, 특정 복셀)가 결정되는 방법을 도시하고 있다. 이러한 결정은 중성자의 비행 시간에 근거하여 이루어진다. 중성자의 비행 시간은 제4b도에 시간(t0)으로 도시된 바와 같이 펄스형 빔(13)에서 중성자가 출발하는 시간을 기억한 후 감마선이 임의의 검출기에 도달하는 시간을 측정함으로써 결정되며, 소정의 임의 복셀(n)에 대한 도착 시간은 tn로 나타낼 수 있다. 중성자 생성 반응의 운동량이 알려져 있으므로 중성자 속도도 알 수 있다. 또한, 중성자의 비행 시간은 중성자 및 감마선의 총 비행 시간 대부분을 나타낸다. 다시 말해, 대부분의 경우 감마선의 비행 시간은 시간(tn)에서의 중성자 출발 시간과 시간(tn)에서의 관련 감마선의 도착시간 사이의 총 시간중 일부분만을 나타낸다. 따라서, 대부분의 경우 감마선의 비행 시간은 무시할 수 있다. 이에 따라, 소정의 감마선을 발생할 책임이 있는 물체(14)내 원자핵의 상대적인 위치는 도착시간(tn)에 비례하게 된다[실제로, 감마선 발생 소스의 개략적인 위치는 도착시간(tn)과 알려진 중성자 속도(V)를 사용해 계산할 수 있다]. 이 개념은 감마선(50)의 발생 소스의 깊이 또는 위치가 거리(11= vt1)인 것으로 도시된 제4b도에 도시되어 있으며, 상기 t1은 감마선의 도착시간이다. 마찬가지로, 감마선(52) 발생 소스의 위치는 거리(12= vt2)에 있고 감마선(54) 발생 소스의 위치는 거리(1n= vtn)에 있으며, 상기 t2와 tn은 각각 감마선(52,54)의 비행 시간을 나타낸다. 거리(11)는 거리(12)보다 작다는 것을 알고 의문시되는 물체의 위치, 즉 중성자빔의 소스와 의문시되는 물체 사이의 간격을 인식하므로써, 감마선(50)은 복셀(V1)내에서 발생하며 감마선(52)은 복셀( V2)내에서부터 발생한다는 것을 쉽게 알 수 있게 된다. 빔 롱로(15)를 따르는 감마선 소스의 위치 깊이가 감마선의 도착 시간에 비례하기 때문에, 시간(tn)에 도착하는 감마선이 발생하는 특정 복셀(Vn)은 t0값을 사용해 측정함으로써 쉽게 결정될 수 있다.
펄스형 고속빔에 의해 검사되는 복셀은 제4a도에 도시된 바와 같이 물체( 14)의 전체 체적에 대해 작은 복셀로 제한될 필요가 없다. 또한, 일부 실시예의 경우에는 특정 복셀, 즉 예를 들어 물체(14)의 대체로 큰 부분이 검사될 수 있다.
실제로, 일부 실시예에서, 단일 복셀은 검사중인 관심의 대상이 되는 물체의 전체 체적을 포함할 수 있다. 또한, 물체(14)안에 금지품이 존재하는 것을 확인하려면 여러개의 복셀들이 조사되어야만 하는데 반해, 본 발명은 몇몇의 경우 단일 복셀내에 금지품의 존재 여부를 표시하는 적절한 원소를 간단히 검출하는 것으로 충분하며, 이 경우 상기 물체는 금지품을 지니고 있는 것으로 즉시 알려지게 된다. 즉, 펄스형 고속 중성자들이 금지품을 찾기 위해 복셀단위로 물체를 조사하는 경우, 일 복셀에 금지품이 있다는 것이 확인되면, 조시를 다시 할 필요가 없다. 오히려 조사를 중지할 수 있고, 그 물체를 알릴 수 있으며, 조사될 다음 물체를 조사할 수 있으므로 시스템의 평균 처리량을 증가시킬 수 있다.
제5a도에는 본 발명에 따른 양호한 펄스형 고속 중성자를 사용하는 직접 영상시스템이 개략적으로 도시되어 있다. 가속기(12)는 예를들어 부록 A에 설명된 기술 중 하나에 따라 펄스형 중성자빔(13)을 발생한다. 일반적으로, 이들 기술들은14N 나2H 같은 중이온을 목표물을 향해 가속시키는 단계를 포함하며, 상기 목표물에서 중성자들이 발생된다. 사이클로트론(cyclotron)(60)은 짧은 지속시간을 갖는 강이온을 생성하기 때문에 이온들을 가속화시키는데 사용될 수 있는 예시적인 장치이다. 그러나, 정전형 발생기와 같은 다른 장치들도 펄스형 중성자빔을 발생하는데 사용할 수 있다는 것을 인식해야 한다. 상술한 바와 같이, 펄스형 중성자들은 물체의 복셀이나 개별 영역을 통해 중성자를 운반하는 통로를 따라 물체(14)에 유입된다. 제5a도에는 양성(benign) 물질이 있는 3개의 복셀과 폭발성 물질이 있는 2개의 복셀로 이루어진 5개의 복셀이 예시되어 있다. 감마선(28)은 소정의 중성자와 원자핵 사이의 상호작용에 의해 발생된다. 제5a도는 예를 들어 물체(14)안의 폭발성 물질(59)로부터 빌생하는 감마선(28)을 도시하고 있다. 감마선(28)은 감마선 검출기 (20')에 의해 검출된다. 감마선이 감마선 검출기(20')[또는 감마선 검출기(20')와 관련하여 사용된 다른 검출기들]에 의해 검출되면, 그 감마선의 에너지와 중성자의 비행시간이 측정된다. 이 비행시간을 사용하여, 검출된 감마선(28) 방향의 물체내 위치와 그리고 이에 따른 물체내 관심 대상인 특정 원소, 즉 폭발성 물질의 위치에 관해 직접적으로 표시가 이루어질 수 있다.
비행 시간은 중성자 펄스의 출발과 검출기(20')에 감마선이 도착하는 시간사이의 시간을 인식하므로써 측정된다. 상기 비행시간은 양호한 실시예의 경우 다음과 같이 측정된다. 즉 가속기(12)와 관련 타이밍 펄스가 중성자의 비행 시작을 나타낸다. 또는 목표물(58)로부터의 감마선 "빛" 이 중성자의 비행시작을 표시기도 한다. 상호작용의 발생시간은 역여기 감마선(28) 신호가 감마선 검출기에 도착하는 시간에서 유도된다. 필요할 경우, 이러한 시간은 감마선 전송 시간만큼 적당히 보정될 수 있다. 그러나, 상술한 바와 같이 감마선 전송시간은 전체 비행시간 중 작은 부분만을 나타낼 뿐이다.
제5a도에 도시된 바와 같은 양호한 실시예에서 비행 시간(time of flight : TOF)은 감마선이 검출기에 도착하는 시간과 다음 상호작용 파열이 발생하는 시간사이의 경과시간을 측정함으로써 효과적으로 결정된다. 그러한 측정과 관련된 타이밍은 제6도에 도시되어 있다. 중성자 파열의 반복율 주기(T)는 중성자 물체(14)의 전폭을 횡단할 것으로 예상되는 가장 긴 비행 시간보다 약간 길게 선택된다. 제 5 도에 도시된 바와 같이, 시간-진폭변환기(TAC)(66)는 출발펄스와 중지 펄스 사이의 시간에 비례하는 진폭을 갖는 아날로그 신호를 발생하는데 사용된다.
제5a도에 도시된 실시예의 경우, 출발 펄스는 상술한 바와 같이 감마선(28)이 감마선 검출기(20')에서 검출되는 시간으로부터 유도된다. TAC(66)에 표시된 출발시간의 양호한 한정을 보장하기 위해 타이밍 식별기(64)가 사용된다. 중지 펄스는 펄스식 가속기(12)에서 유도된 타이밍 신호에 의해 제공된다. 따라서 제5a도에 도시된 바와 같이 TAC(66)의 출력 신호(70)는 시간축의 방향이 역전된 비행 시간 스펙트럼을 발생하게 된다.
감마선 검출기(20')로부터의 또 다른 출력은 예를 들어 종래 실시예에서 설명한 바와 같이 또 다른 검출 시스템을 사용해서 얻은 스펙트럼과 비슷한 에너지 스펙트럼을 발생하는 신호(68)로서, 이러한 출력을 감지하고 처리하는 방법도 마찬가지로 같을 수 있다. 이러한 내용은 예를 들어 1990년 1월 10 일자 제출된 미국 특허출원 제 07/463,036 호에 서술되어 있다. 한 사건의 감마선 에너지를 각 발생한 비행 시간과 관련시킴으로써, 2차원의 시간-에너지 스텍트럼(72)을 얻을 수 있다. 상기 시간-에너지 스펙트럼은 특정 원소의 상대적인 위치와 물체(14)안에서의 그 위치가 직접 도출되는 에너지-시간 정보를 양호하게 서술하고 있다.
설명을 용이하게 하기 위해, 스펙트럼(72)내에서의 각각의 수직 패턴은 물체(14)의 5개의 상이한 체적 원소나 복셀에 대한 에너지 분포를 나타내는 것으로 도시되었다. 예를 들어, 제5a도에 도시된 전형적인 스펙트럼(72)의 각각의 감마선 스펙트럼(수직 패턴)은 상기 영역이나 복셀안에 존재하는 원소를 가르키는 선으로 구성된다. 이를테면, 에너지 스펙트럼(72,74)[이 에너지 스펙트럼은 폭발성 물질이 있는 물체(14)의 복셀에서 발생된 감마선과 관련된다]은 질소와 산소선의 높은 집중을 나타낸다. 따라서, 이러한 표시는 이들 복셀안에 질소와 산소가 있다는 것을 나타내며, 그 결과 이들 복셀안에 금지품이 있다는 것을 추론할 수 있다.
본 발명의 진단력을 설명하기 위해, 제5b도에는 펄스형 D(d, n) 중성자빔을 사용해 가짜 다이너마이트, 마약(마취약) 및 폴리에스테르면(옷감)에 대해 측정한 감마선 스펙트럼들이 도시되어 있다.
본 기술분야의 숙련자라면 인식하는 바와 갈이, 상기 검출 시스템의 효율과 정확성에 영향을 끼치는 변수들이 몇가지 있다. 이러한 매개변수 가운데 첫째는 핵반응을 발생하는 중성자 운동량에 관련된 것이다. HI+p 나 D+d 반응에 의해 발생된 중성자들은 양호하게 한정되며, 명확한 에너지(En)를 갖고 있다. 따라서 의심이 가는 물체를 비행하는 거리는 중성자 발생 목표물(58)로부터 물체내 반응점까지 중성자 비행 시간에 중성자 속도를 곱함으로써 계산되며, 다음과 같이 충분히 정확하게 표현된다. 즉,
여기서 Mn은 중성자 질량이다. 상기 식에서 알 수 있듯이 소스 중성자들의 공간(길이방향) 위치에 대한 고유의 불확실성은 중성자 에너지와 중성자 발생 시간 모두에 있어서의 불확실성에 기인한다. 그러나, 만일 비행 시간 측정과 관련된 다양한 시간을 측정하는데 있어 기계적 불확실성이 있다면, 또 다른 불확실성은 주로 타이밍 회로로 인해 발생하게 된다.
H(HI, n) 반응에 의해 발생된 운동량이 집중된 중성자들에 있어서의 에너지분포는 입력빔이 한계값으로부터 얼마나 멀리 있느냐에 달려 있으며, 이러한 분포는 생성 중성자 패킷의 위치에 대한 불확실성을 초래한다. 예를 들어, 임계량에 대해 0.5 MeV 인14N 빔은 평균 에너지가 5.60 MeV 인 상태에서 0.83 MeV 정도의 에너지 분포를 지닌다.
길이방향 불확실성에 기여하는 다른 주요한 원소는 중성자 발생 목표물(58)을 타격하는 이온범 패킷의 길이에 기인한 중성자 위치이다. 이러한 이온빔 패킷길이는 사이클로트른(또는 다른 가속기/펄스 잠치)의 특성이다. 대부분의 공지된 사이클로트론은 대체로 짧고 좁은 빔 펄스를 갖는다. 예를 들어, 90 MeV 주위의14N 빔은-5 nesc 펄스폭이 유효하다. 임계량에 대해 0.5 MeV 인14N 빔의 경우에는 상대적으로 매우 큰 약 16cm 의 생성 중성자의 공간 불확실성을 초래한다. 또 다른 공간 불확실성은 표 1 에 도시된다. 표 1 은 이러한 용도로 짧은 빔펄스를 사용함이 바람직하다고 강조한다. 상술한 상호작용위치에서의 두 불확실성은 계측기에서 발생하는 임의의 불확실성과 함께 구적(quadrature)에 더해진다.
[표 1]
생성빔의 시간 분포에 대한 다양한 에너지 중성자들의 공간 불확실성
주사빔의 각 의문점에 대해 일단 시간-에너지 스펙트럼(72)이나 이와 유사한 것이 얻어지면, 검출된 데이터가 금지품을 나타내는지의 여부를 결정하기 위해 최종 처리 단계가 진행된다. 이러한 결정을 내리기 위해 감마선 데이터(에너지)와 중성자 데이터(비행시간) 그리고 다른 시스템 정보가 함께 처리된다. 예를 들어 물체의 무게, 물체의 중성자 및(또는) X선 영상과 같은 다른 시스템 정보가 포함될 수 있다. 상기 결정은 소정의 검출 가능성에 대해 오경보율이 최소화되도록 이루어진다.
일반적으로, TNA(열중성자 활성) 검출 시스템용으로 발달된 결정 분석 방법및 기법(예를 들어, 1990년 1읠 10일자 출원된 미국 특허출원 제 07/463,036 호)이 본 발명에 적용될 수 있다. 두 시스템으로부터 얻은 입력 데이터는 비교적 비슷한 것으로서, 감마선 분광 정보와 공간 분포 정보를 포함한다. 따라서 TNA 시스템에 사용된 판별 분석 및 영상 분석 기술들은 본 발명의 조준된 펄스형 고속 중성자 시스템에 적절하다. 데이터 처리에 관한 이들 종래 시스템들과 본 발명의 시스템 사이의 주요한 차이점은 영상 조합이 복잡하지 않은 본 발명의 직접 다원소 맵핑(di rect multielemental mapping)에 있다. 이는 결정 분석이 고속으로 전방으로 이동될 때 상당한 장점이 되기 때문에, 그 결과 검사될 물체에 대한 공급 비율을 적당하게 유지시킨다.
상술한 특허출원에 기재된 바와 같은 종래 핵반응에 의한 검출 시스템에 대한 본 발명의 또 다른 중요한 장점은 본 발명에 의해 사용된 조준된 펄스형 중성자 파열이 필요 차폐량을 상당히 감소시킨다는 것이다. 이것은 사용된 조준된 펄스형 중성자 파열이 그 특성상 상당한 지향성을 나타내기 때문이다. 따라서, 중성자 파열을 수용할 식별 챔버(18)(제1도)의 영역 주위에만 차폐물을 배치해야 할 필요가 있게 된다. 필요할 경우, 상기 챔버(18)의 영역 주위에는 최소한의 차폐물이 위치될 수도 있다. 이로 인해 전체 검출 시스템의 크기가 종래 시스템보다 작아지게 된다.
본 발명의 또 다른 장점은 예를 들어 금지품에 존재하는 산소, 질소 및 탄소와 같은 특정 경핵(輕核)을 용이하게 검출할 수 있으며 또한 금지품에서 발견되지 않는 다른 핵을 쉽게 판별할 수 있다는 능력이다. 이러한 양호한 결과는 유입 중성자 파열을 위해 선택된 특정 에너지(-8 MeV)가 관심의 대상이 되는 경핵(輕核)으로부터 감마선을 우선적으로 발생하기 때문에 달성된다. 이와는 달리, 고에너지(-14 MeV)의 고속 중성자를 사용하는 종래 시스템들은 전형적으로 관심의 대상이 아닌 핵의 감마선을 다수 발생한다. 따라서, 종래 시스템들은 관심의 대상이 되지 않는 감마선들로부터 관심의 대상이 되는 감마선을 확정하기 위해 본 발명의 검출 시스템이 필요로 하는 것보다 더 많이 검출된 감마선들을 분류해야만 한다.
또한, 금지품에서 관심의 대상이 되는 경핵(輕核)을 바로 쉽게 검출하는 본 발명의 능력 때문에, 본 발명은 은닉된 마약을 고속으로 검출하고 농산물을 대량으로 분석하기에 적당하다.
아래의 표 2는 예를 들어 일반 약품과 마약에 대한 원소 조성과 그러한 물질에서 발견되는 탄소-산소비를 확인한 것이다. 따라서 표 2 에 도시된 데이터는 검사 물체내에 그러한 물질이 존재하는지의 여부를 결정하는데 도움을 준다.
[표 2]
마취약과 일반 물질의 원소 조성
아래 표 3 은 비금지품뿐만 아니라 다양한 유형의 금지품에서 발견된 구성 원소의 대표적인 데이터를 나타낸다. 표 3 에 도시된 데이터는 의문시되는 특정 물체가 금지품을 포함하는 가의 여부를 결정하는데 도움을 준다.
상술의 금지품 검출 시스템은 "부산물"이 시스템에 없기 때문에, 또한 더 나아가 활성 제품의 레벨이 매우 낮기 때문에 방사성 물질 취급 면허를 필요로 하지 않는다. 그러나, 상기 시스템은 "방사선 발생 기기"이므로 적절한 정부 방사선 안전기구에 등록되어야만 한다. 방사선 레벨을 상술한 한계내에 유지하기 위해, 다른 방사선 발생 기기에 일반적으로 사용되는 것과 비슷한 차폐 장치 설계 기술이 사용될 수 있다. 예를 들어, 혼합식 차폐 장치가 중성자를 가열시키고 흡수하는데 사용될 수 있으며, 필요하다면 감마선을 흡수하기 위해 납이 사용될 수 있다. 그러나, 이미 상술한 바와 같이 짧게 지향된 중성자 파열만을 사용하게 되면 필요한 차폐량이 연속 중성자 방사가 사용될 때 필요한 것보다 많이 감소되며, 이때의 중성자 방식은 등방성을 지닌다.
본 발명에 기재된 개략적인 설명은 단일 소스의 펄스형 고속 중성자빔을 서술하고 있지만(즉, 단일 펄스형 빔), 본 발명의 다른 실시예는 다수 펄스형 빔을 사용할 수도 있으며, 그 다수 펄스빔은 상이한 좋은 위치에서 물체를 각각 주사한다. 이러한 실시예에 따르면, 적절한 타이밍 측정장치를 사용하여 빔에서 발생된 감마선의 트랙(그리고 물체 주사된 다수빔속에 감지된 각 감마선의 발생 장소)을 유지할 수 있다. 이런 방법으로 다수빔을 사용함으로써 물체를 더욱 철저하고 효과적으로 검사한다는 장점을 갖게 된다.
[표 3]
[부록 A]
[중성자의 운동 집속]
최근 사용중인 중이온(예, 초전도 사이클로트론)을 가속하는 기술이 크게 발달되었다. 적당한 강도를 갖는 이와 같은 다양한 이온은 15 MeV/a. m. u 보다 작은 범위에서는 언제든지 사용가능하다. p-n 한계값 근처에서 수소에 대한 중이온 유도 반응은 강한 운동량 집중에 대해 강도 제한 (준)모노에너지 중성자빔을 발생한다. 제2도는 운동량이 집중된 중성자(KFN)의 기본 원리를 도시하고 있다. 이러한 운동량 집중은 흡열 중이온 유도 반응을 위해 제공된다. 중성자들이 좁은 원추체로 형성된다는 사실은 적당한 총 중성자 발생 단면적을 보상한다. 게다가, 중성자의 협소한 공간 형성은 유해한 배경을 대단히 많이 감소시켜 감마선의 검출과 차폐를 용이하게 한다.
[관련 작업]
흡열 핵반응에 있어서의 2차 광입자 집중은 예를 들어 매질 및 고에너지 핵산란 실험에 자주 사용된다. 예를들어,1H(7Li, N)7Be, 반응(Q=1.664 MeV)은 이 특정 반응에 있어서의 중성자 집중의 장점을 설명한다. 또한, 고강도 중성자 소스 조사요법에1H(t, n)3He,1H(12c, n)12N 또는1H(28Ne, n)28F 반응을 사용할 것이 제안되었다. 수소의 중이온 충격은 모노에너지와 준모노에너지 중성자빔 생성에 대한 많은 가능성을 제공한다. 한계 에너지(13.15 MeV-22 MeV)에서 실행된1H(7Li, n) 반응에서 0°중성자 발생에 대한 연구는 잘 조준된 MeV 중성자 강도빔을 발생하는 (네가티브 Q 값 반응에 대한) 강한 운동량 집중을 나타내고 있다.
운동역학
양호한 실습 시스템에서의 비상대성 운동역학에 대한 관련 공식은 다음과 같다.
(1) 방출된 중성자들의 에너지
(2) 양호한 실습 시스템에 있어서의 중성자의 최대 방사각
몇몇 후보 반응의 계산된 중성자 에너지와 최대 중성자 방사각(실험 시스템의 경우 한계값에 대한 ENI= 0.5 MeV)은 표 4에 도시되어 있다(주의 : 표 4에서 H. I의 입사 에너지는 가스셀에서 발생된 이온빔으로 주어진다).
실험 프레임의 중성자들은 개방각( L,MAX)을 갖는 원추체내에 형성된다. 원추체내에서의 소정 실험각에서는 2개의 중성자(En, En')가 존재하게 되는데, 고에너지 그룹인 En은 질량 중심 시스템에서 전방으로 가는 중성자에 상응하고, 저에너지 그룹인 En' 은 한계값에서 발생되며 질량중심 시스템에서 후방으로 가는 중성자에 상응한다.
[표 4]
본 발명에서 중요한 것은4.7-8.0 MeV의 에너지를 지니는 중성자들이다. 따라서14N,31P,35Cl 및38K에 의해 수소에 대해 유도된 반응은 Q값이 적당하기 때문에 관심의 대상이 된다.
D+d 반응에서 얻을 수 있는 좁은 고속 중성자 빔(En>8MeV)
D(d, n)3He 반응의 경우 중성자의 각분포는 실험 시스템의 경우에서도 고에너지 입사 중수소핵에 대해 강하게 전방으로 피킹(peaking)한다. 예를들어, 사이 클로트론으로부터의 중수소빔을 사용하여 존속시간이 짧은 중성자 파열을 발생시킬 가능성과 결합하게 되는 이러한 특징은 (n, nγ) 및 다른(n, xγ) 처리를 사용하여 물체의 직접적인 영상화를 제공하는 편리한 수단을 제공한다.
D(d, n)3He 반응은 H. Liskien 과 A Paulsen에 의해 연구되었다.
[Nuclear Data Tabled, 11(1973), P598-599], 제7도는 5.5 MeV 내지 9.5 MeV 의 중수소 충격 에너지에서의 중성자 방사각 함수로서 중성자 발생량과 에너지(미분면적)를 설명한다. 그러나, 4.5 MeV 보다 큰 중수소 에너지에서는 3차 저에너지 중성자들이 파열로 발생되며, 그 발생량은 충격 에너지와 함께 강하게 증가한다. 이를 위해, 약 5 MeV의 중성자들이 사용되는 것이 바람직한데, 그 이유는 이러한 에너지에서의 전방 방향 3차 중성자 발생량이 2차 중성자 발생량보다 8 배 이상 작기 때문이다.
본 발명은 양호한 실시예를 참조로 서술되었기에 이에 한정되지 않으며, 본 기술분야의 숙련자라면 첨부된 청구범위로부터의 일탈없이 본 발명에 다양한 변형과 수정이 가해질 수 있음을 인식해야 한다.

Claims (22)

  1. 검사중인 물체를 펄스형 고속 중성자빔으로 조사(irradiation)하는 수단과, 상기 펄스형 고속 중성자빔으로부터의 중성자와 상기 물체내 원자핵 사이의 상호 작용에 의해 물체에서 방출된 감마선을 검출하는 제 1 검출 수단과, 검출된 특정 감마선을 발생하는 특정 원자 원소를 확인하는 확인 수단과, 상기 검출 수단에 의해 검출된 각각의 감마선이 발생되는 물체내 위치를 결정하는 위치선정 수단과, 상기 조사 수단과 확인 수단 및 위치선정 수단에 응답하여 금지품의 존재를 나타내는 물체내 적어도 하나의 원자 원소의 분포 및 집중을 검출하는 제 2 검출 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 금지품 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 확인 수단은 검출된 감마선의 에너지를 측정하는 측정수단과, 상기 측정된 에너지에 응답하여 검출된 감마선을 발생하는 특정 원자 원소를 확인하는 수단을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 금지품 검출 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 조사 수단은 조준된 펄스형 고속 중성자빔을 발생하는 수단과, 상기 고속 중성자가 지정된 물체 체적에 들어가도록 상기 물체를 빔에 대해 이동시키는 수단을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 금지품 검출 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 조사 수단은 상기 물체내의 다수의 체적이 펄스형 빔으로 차례로 조사되도록 상기 물체와 펄스형 빔 사이에 상대적 이동을 형성하는 수단을 부가로 포함하며, 이에 따라 상기 다수의 설정 체적을 갖는 물체의 필요 부분은 펄스형 빔 관통 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 금지품 검출 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 위치선정 수단은 펄스형 빔내 특정 중성자의 비행 시간을 특정 중성자가 상기 물체내 원작핵들과 상호작용하는 근사시간까지 측정하는 수단을 포함하며, 상기 비행 시간의 측정은 특정 감마선이 물체내에 생성되는 깊이의 측정을 제공하는 것을 특징으로 하는 금지품 검출 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 비행 시간 측정 수단은 상기 빔내 펄스형 중성자 발생 시간과 상기 펄스형 중성자와 원자핵들과의 상호작용에 의해 발생하는 감마선 검출 시간 사이의 시간을 측정하는 수단을 포함하며, 상기 측정 시간은 펄스형 중성자의 소스로부터 원자핵과의 상호작용 위치까지의 비행시간과 상기 감마선의 상기 핵들에서 상기 검출수단에 의한 검출 시간까지의 비행 시간을 포함하며, 상기 중성자의 비행 시간은 상기 감마선의 비행시간보다 훨씬 큰 것을 특징으로 하는 금지품 검출 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 감마선 비행 시간의 영향력이 최소화되도록 상기 비행 시간 측정을 보정하는 보정 수단을 부가로 포함하며, 상기 비행 시간 측정은 일차로 상기 펄스형 중성자가 그 소스에서부터 자신과 상호작용하는 원자핵으로 이동하는데 걸리는 시간을 포함하는 것을 특징으로 하는 금지품 검출 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 비행시간 측정 수단은 감마선 검출 시간과 펄스형 중성자 발생시간 사이의 시간을 측정하는 수단을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 금지품 검출 장치.
  9. 제5항에 있어서, 상기 제2검출 수단은 금지품을 나타내는 상기 물체내 특정 원소들의 밀도 영상읕 전자적으로 형성하는 수단을 포함하며, 상기 밀도 영상은 확인수단에 의해 확인된 원자 원소들의 동일성과 상기 위치선정 수단에 의해 결정된 상기 원자 원소들의 위치로부터 직접 작성되는 것을 특징으로 하는 금지품 검출 장치.
  10. 제9항에 있어서, 금지품을 나타내는 물체내 특정 원소들은 산소, 질소 및 탄소를 포함하는 것을 특징으로 하는 금지품 검출 장치.
  11. 제10항에 있어서, 금지품을 나타내는 물체내 특정 원소들은 수소 또는 염소를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 금지품 검출 장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 장치에 의해 검출된 금지품은 폭발물과 마약을 포함하는 집단에서 선택되는 것을 특징으로 하는 금지품 검출 장치.
  13. 지향성 고에너지 중성자의 반복성 단 펄스를 발생하는 수단과, 금지품 존재 확인을 위하여 검사중인 물체를 상기 지향성 고에너지 중성자의 반복성 단펄스로 주사하는 수단과, 원자핵과 반응한 중성자에 의해 생성된 감마선을 검출하는 수단과, 검출된 특정 감마선이 발생되는 물체내에서 특정 체적 원소나 복셀을 결정하는 수단을 포함하며, 상기 각각의 고에너지 중성자는 상기 물체안에 존재하는 특성 원자핵들과 반응하여 상기 고에너지 중성자들이 반응하는 특정 원자핵들의 에너지 특성을 지니는 감마선을 발생하며, 상기 검출수단은 특정 감마선의 에너지와 상기 고에너지 중성자의 단펄스 발생시간에 대한 특정 감마선의 검출 시간을 검출하는 수단을 포함하며, 상기 검출된 감마선은 특정 원자핵에 대한 직접적인 표식을 제공하며, 상기 물체내 복셀의 샘플에 존재하는 특정 원자핵은 물체내 특정 원소의 양과 분포에 대한 직접적인 표식을 제공하며, 상기 물체내 특정 원소의 양과 분포는 상기 물체내 금지품의 존재에 대한 직접적인 표식을 제공하는 것을 특징으로 하는 금지품 검출 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 감마선 검출 수단은 물체 기부에 위치된 검출기 어레이를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 금지품 검출 장치.
  15. 제13항에 있어서, 상기 복셀 결정 수단은 특정 펄스가 발생되는 때부터 상기 펄스내 중성자가 원자핵들과 상호작용할 때까지 지향성 고에너지 중성자의 단펄스내에서 특정 고에너지 중성자 펄스의 조사 비행 시간을 측정하는 수단을 부가로 포함하며, 상기 복셀의 위치는 지향성 고에너지 중성자의 단펄스와 상기 측정된 비행 시간에 관련된 공지의 운동역학에 의해 결정가능하게 되는 것을 특징으로 하는 금지품 검출장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 비행 시간 측정 수단은 특정 고에너지 중성자 펄스의 발생과 상기 감마선 검출 수단에 의한 감마선 검출 사이의 시간을 측정하는 전자 수단을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 금지품 검출 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 고에너지 중성자의 반복성 단펄스는 매 T초 단위로 발생되며, 상기 전자 측정 수단은 감마선 검출 수단에 의한 감마선 검출과 고에너지 중성자의 차후 펄스의 연속적인 발생사이의 시간을 측정하는 것을 특징으로 하는 금지품 검출장치.
  18. 제13항에 있어서, 상기 주사 수단은 특정 수의 상기 고에너지 중성자 단펄스를 상기 고에너지 중성자 발생 수단과 대면하는 상기 각각의 물체 체적에 제어가능하게 지향시키는 수단을 부가로 포함하며, 상기 고에너지 중성자 단파들은 상기 개별 체적들을 통해 물체를 투과하는 것을 특징으로 하는 금지품 검출 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 주사 수단은 물체와 지향성 고에너지 단펄스 중성자 발생 수단 사이에 제어가능한 상대적 이동을 초래하는 수단을 부가로 포함하며, 상기 물체의 각각의 체적들은 자신을 관통하는 중성자 단펄스를 제어된 방식으로 포함하는 것을 특징으로 하는 금지품 검출 장치.
  20. 펄스형 고속 중성자빔을 물체의 지정된 체적에 제어가능하게 지향시킴으로써 조사중인 물체를 주사하는 수단과, 상기 펄스형 고속 중성자빔으로부터의 고속 중성자들과 상기 물체내 특정 원소들의 원자핵 사이의 상호작용에 의해 물체의 체적으로부터 방출되며 금지품에서 발견되는 원자 원소에 대응하는 에너지를 갖는 감마선을 검출하는 수단과, 상기 검출 수단에 응답하여 금지품을 나타내는 적어도 하나의 원자 원소의 분포와 밀도가 설정된 체적내에 존재하는지의 여부를 확인하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 금지품 검출 장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 주사 수단은 펄스형 고속 중성자 빔내에서 물체내 원자핵과의 상호작용 시간에 이를때까지 펄스형 고속 중성자 파열의 근사 비행시간을 결정하는 수단을 부가로 포함하며, 상기 상호작용은 상기 감마선의 발생을 초래하고, 상기 비행시간은 감마선이 발생되는 물체내 깊이와 상기 펄스형 고속 중성자빔의 통로를 따라 금지품에서 발견되는 특정 원소가 위치된 깊이 측정을 제공하며, 상기 비행 시간은 특정 원자 원소가 발견되는 물체의 특정체적 원소 또는 복셀을 한정하는 것을 특징으로 하는 금지품 검출 장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 금지품을 나타내는 적어도 하나의 원자 원소의 분포와 밀도를 확인하는 수단은, 물체내 특정 원자 원소들의 근사 위치를 정확히 유도하는 2차원 에너지-시간 스펙트럼을 생성하기 위해, 상기 주사 수단에 의해 결정된 비행시간 정보를 상기 감마선 검출수단으로부터 선택된 정보와 결합시키는 수단을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 금지품 검출 장치.
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