KR101381025B1 - 전자 가속기 기반의 다중-에너지 화물 검사 시스템 - Google Patents

Abstract

다중-에너지 화물 검사 시스템은, 동일 에너지를 갖는 단일 선형 가속기 보다 더 소형이고, 더 효율적이며 덜 비싼 소형 전자 가속기가 이용되는 특징이 있다. 시스템은 숨겨진 폭발성 물질 및 핵분열성 물질들을 검출하는데 이용될 수 있는, 컨테이너의 기본적인 내용물을 인지하는 능력들을 향상시킨다.

화물 검사 시스템, 다중 에너지, 전자 가속기, 선형 가속기

Description

전자 가속기 기반의 다중-에너지 화물 검사 시스템{MULTI-ENERGY CARGO INSPECTION SYSTEM BASED ON AN ELECTRON ACCELERATOR}

본 발명은 화물 검색 시스템에 관한 것이고, 보다 구체적으로는, 화물 컨테이너의 기본적인 내용물을 인지하는 향상된 능력들을 갖는 전자 가속기를 이용하는 화물 검사 시스템에 관한 것이다.

테러리스트 활동들로 인한 증가된 주의(attention)로 인해, 통관시 화물을 검사하고, 밀수품, 구체적으로 폭발성 및 핵분열성 물질을 식별하기 위해 보다 효과적이고 보다 효율적인 시스템들을 제공하는데 관심이 증가되었다. 비행기들을 통해 휴대용 가방들 및 짐 내에 밀수품을 밀수하는 것은 잘 알려진 계속되는 사안이지만, 대형 화물 컨테이너들을 가진 보트를 수단으로 하여 국경을 넘어 밀수품을 밀수하는 것 또한 심각한 위협임은 덜 알려져 있다.

대형 컨테이너 내용물 제어를 위한 시스템들의 개발은 2개의 상이한 방향으로 진행된다.

1. 제1 방향은 제동복사 방사(bremsstrahlung radiation)를 생성하는 높은-에너지(2.5 내지 9Mev)의 무선 주파수 전자 선형 가속기들(RF linac)을 구비한 X선 머신들의 후속(follow-on)이다.

RF 선형 가속기에서, 전자기파는 대전된 입자들을 가속하는데 이용된다. RF 선형 가속기에는 2개의 타입, 진행파 및 정상파가 존재한다. 진행파 선형 가속기는 파의 속도를 가속되는 입자들의 속도로 느리게 하는 다이어프램(diaphragm)들을 가진 원형 도파관이다. 0.5MeV를 초과하는 에너지를 가진 전자들의 속도는 약 빛의 속도이다. 정상파 선형 가속기는 전자기파의 파장의 반에 가까운 각각의 길이를 갖는 연결된 캐비티(coupled cavity)들의 체인이다. 대부분의 전자 RF 선형 가속기들은 10 내지 10.5cm의 파장에서(즉, 2998 내지 2856 MHz의 주파수에서) 동작하고, 이러한 파장 대역은 S-대역으로 불린다. 진행파 선형 가속기에서 10MeV까지 전자 빔을 가속하기 위해, 그 길이는 2.2 내지 2.5m여야 하며, 입자 집속을 위한 도파관 위에 솔레노이드를 설치할 필요가 있다. 동일한 빔 에너지에 대한 정상파 선형 가속기는 약 2배 더 짧고 집속 솔레노이드를 필요로하지 않는다; 그러나, RF 소스는 높은 전력 순환기에 의해, 반사된 파로부터 보호되어야 한다. 선형 가속기들의 양 타입들에서, 가속 필드를 생성하기 위해, 2.5 내지 3MW의 펄스형 RF 전력이 소모되고, 약 1 내지 1.5 MW RF 전력이 빔에 전달될 것이며, 따라서, 화물 검사 선형 가속기를 위해 필요한 전체 RF 전력은 3.5 내지 4.5 MW이다. 예를 들어, C-대역(5.5 내지 25cm)으로 전자기파의 길이를 감소시킴으로써, 가속 필드를 생성하기 위해 요구되는 선형 가속기 길이 및 RF 전력은 각각 약 2 및 1.5배 감소된다.

RF 선형 가속기는 제동복사 방사를 생성한다. 제동복사 (또는 브레이킹(braking) 방사)는 전자들이 소위 제동복사 타겟에 부딪힐 때 생성된다. 최대 수의 광자들을 생성하기 위해, 타겟은 예를 들어, 1.5 내지 2mm의 두께를 갖는 텅 스텐 또는 탄탈륨과 같은, 높은 녹는 온도를 갖는 중원소 물질로 이루어진다. 10MeV에서, 전자 에너지의 8 내지 10%는 X선 방사의 에너지로 변환된다. 생성된 X선 방사의 에너지 스펙트럼은 연속적이고, 전자 에너지와 동등한 종단(end-point) 에너지와 광자들의 수는 에너지의 감소에 따라 증가한다. X선 에너지 스펙트럼은 소위 에너지 필터들-제동복사 타겟 뒤에 설치된 광 소자 흡수체를 이용하여 강화될 수 있다.

제동복사 방사를 생성하는 2.5 내지 9 MeV의 RF 선형 가속기는 컨테이너 영역에 대해 산란 인자 또는 높은 에너지 X선 흡수의 변화를 검출하여, 컨테이너의 내용물들의 이미지를 재현한다. 현재, 이러한 기술에 기초한 백 개 이상의 시스템들이 주로 전세계 항구들에 설치되어 밀수품을 검출하는데 이용된다.

2. 제2 방향은 원자력 프로세스들-느리고 빠른 중성자 포착 및 산란, 높은 에너지 단색성 X선 흡수, 광핵(photonuclear) 반응들 및 지연된 중성자 레지스트레이션(registration)을 포함하는 보다 복잡한 프로세스들에 기초한다. 개발되는 방법들은 컨테이너 내용물의 상세들을 재현하는데 목적이 있는 것이 아니라, 폭발성 또는 핵분열 물질이 컨테이너에 존재한다면 경보 신호를 생성하는 것에 목적이 있다. 느린 중성자 포착에 기초한 초기 설비들이 개발되어 1980년대에 공항들에 설치되었지만, 어떠한 상업적 제품도 현재는 낮은 레벨의 거짓 경보(false alarm)들 및 고 출력으로 동작할 수 없다. 그러한 것에 대한 주요 원인들은, 낮은 레벨들의 응답 신호를 초래하는, 원자력 반응의 저 단면적(low cross-section) (확률); 적정 파라미터들을 구비한 프로빙(probing) 입자 소스들의 부재; 및 입자 검출기들의 제 한된 능력들이다.

(일부 중국 시스템들을 배제한) 전세계에 걸쳐 동작하는 대부분의 화물 검사 시스템들에서, 설비는 Varian Medical Systems에 의해 제조된, 리나트론-M(Linatron-M)으로서 판매되는 머신을 이용하는 상기 설명된 제1 방향에 기초한 시스템이다. 이러한 머신은 초기에 의학 및 디팩토스코피(defectoscopy)용으로 개발되었고 다년간 널리 이용되어 왔다. 그 머신은 1.9, 3, 6 및 9MeV의 상이한 고정 전자 빔 에너지들을 갖는 이형(variant)들로 생성된다. 9MeV 머신에 대한 크기 및 중량 파라미터들은 다음과 같다:

이러한 표의 제1 행으로부터 볼 수 있는 바와 같이, 리나트론-M 가속 헤드(head)에 의해 점유된 부피는 6.4m x 3.0m x 14.2m=273㎥이다. 9MeV 빔을 생성하는 리나트론-M은 약 5MW 클라이스트론(klystron)을 요구한다.

최근에, 제1 방향의 개발은, 선택적으로 동작하는, 2개의 상이한 에너지 전자 선형 가속기들이 컨테이너의 동일 부분을 조명하는 2개의 종단 에너지 제동복사 X선 방사를 생성하도록 제안되어 왔다. 상이한 원소의 에너지에 대한 X선 흡수 또는 산란 단면적의 상이한 의존성은, 예를 들어, 폭발성 물질에서의 질소 또는 핵분열 물질에서의 플루토늄과 같은, 광 또는 중원소들 내용물 이형(anomaly)의 인식에 근거를 둔다.

< 요 약 >

이러한 본 발명은, 선택적으로 동작하는, 2개의 상이한 에너지 전자 선형 가속기들이 컨테이너의 동일 부분을 조명하는 2개 종단 에너지 제동복사 X선 방사를 생성하는데 이용되는 상기 설명된 제1 방향의 추가 개발을 제공한다. 본 발명에 따르면, 전자 가속기에 대한 고유한 설계는 이전에 이용된 2개의 상이한 레벨들을 넘어서 에너지가 변화되도록 한다.

본 발명의 전자 가속기는, 에너지가 약 1000Hz 반복 주파수를 갖는 4 내지 10MeV 내의 4개의 상이한 스텝들로 변화될 수 있는 빔을 생성하는데 이용된다. 따라서, 본 발명은 화물 검사에서 밀수품의 존재를 검출하기 위해 다중-에너지 기술을 이용한다.

본 발명에 따르면, 동일 에너지를 갖는 단일 선형 가속기보다 더 소형이고, 더 효율적이고 덜 비싼 고유한 선형 가속기가 이용된다. 동시에, 본 발명의 선형 가속기는 4개의 선형 가속기들을 대체하여, 가속기에 장착된 X선 소스가 균등한 선형 가속기-기반의 소스보다 약 한 단위 크기 정도 덜 비싸다. 하나 또는 2개 대신 다중 종단 에너지들을 이용하여 원소 인지 능력들을 상당히 향상시킨다.

본 발명의 다중-에너지 화물 검사 시스템은 약 0.5m/s의 속력으로 움직이는 컨테이너의 기본적인 내용물을 인식하는 능력들을 향상시켜 숨겨진 폭발성 물질 및 핵분열성 물질들을 검출하는데 이용될 수 있다.

이러한 장점들 및 다른 장점들은, 10MeV의 최대 전자 에너지를 갖는 레이스-트랙 마이크로트론(race-track microtron)을 포함하는 소형 다중-에너지 전자 가속 기를 포함하는 화물 검사 시스템을 다룬 본 발명에 의해 제공된다.

도 1은 본 발명에 따른 화물 검사 시스템의 개요이다.

도 2는 도 1의 화물 검사 시스템에 이용된 전자 가속기의 개요도이다.

도 3은 N, Fe 및 U에 대한 에너지의 질량 감쇠 계수(mass attenuation coefficient)를 나타내는 그래프이다.

도 4는 4, 6, 8 및 10MeV의 전자 에너지에 대한 제동복사 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.

도 5는 준단색성(quasimonochromatic) 차이 제동복사 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.

도 6은 준단색성 스펙트럼을 이용하는 감쇠 측정을 나타내는 그래프이다.

도 7은 N, Fe 및 U에 대한 에너지의 질량 감쇠 계수를 나타내는 그래프이다.

우선 도 1에 대한 도면들을 보다 구체적으로 참조하면, 본 발명의 화물 검사 시스템(10)이 나타나 있다. 화물 검사 시스템(10)은 텅스텐 또는 탄탈륨과 같은 높은 원자 번호를 갖는 물질의 제동복사 타겟(12)에 부딪히는 전자들의 소스를 제공하는 전자 가속기(11)를 포함하여 제동복사 X선 방사의 빔을 생성한다. 화물 컨테이너와 같은 스캔될 물체(13)가 제동복사 소스(12)와 검출기(14) 사이에서 이동한다. 물체(13)를 통해 투과된 방사는 물체 및 그의 내용물들에 의해 정도를 달리하여 흡수되거나 산란되고, 감쇠는 검출기(14)에 의해 감지된다. 상이한 원소들의 에너지에 대한 X선 흡수/산란 단면적의 상이한 의존성은, 예를 들어, 폭발성 물질에서의 질소 또는 핵분열 물질에서의 플루토늄과 같은, 광 또는 중원소들 내용물 이형(anomaly)의 인식에 기초한다.

도 2에 보다 상세히 개략적으로 나타낸 전자 가속기(11)는 소형 10MeV의 레이스-트랙 마이크로트론(RTM)(15)이다. RTM(15)은 전자 빔을 제공하는 전자 총(16), 빔이 이를 통해 가속되는 선형 가속기(linac)(17) 및 선형 가속기를 통해 빔을 여러번 역으로 편향시키는 한 쌍의 말단 자석들(18 및 19)을 포함한다. RTM은 다수의 빠른 키커(kicker) 자석들(20)도 포함한다.

RTM(15)의 동작시, 전자 총(16)은 10MeV의 최대 에너지를 갖는 전자 빔을 생성한다. 총(16)으로부터의 빔은 그것이 가속되는 전자 선형 가속기(17)에 들어간다. 선형 가속기(17)로부터 나온 후, 빔은 말단 자석(18)에 의해 편향되어, 선형 가속기(17)를 통해 역으로 향하게 된다. 빔은 선형 가속기(17)로부터 나오고, 다른 말단 자석(19)에 의해 다수의 빠른 키커 자석들(20) 중 하나로 편향된다. 빠른 키커 자석(20)으로부터, 빔은 선형 가속기(17)를 통해 그의 경로를 반복하는 말단 자석(18)으로 다시 향해지고, 쌍극자들을 교정하는 말단 자석(19)으로 다시 향해진다. RTM 동작은 적정 RF, 진공, 높은 전압, 냉각 및 제어 시스템들에 의해 제공된다.

RTM의 물리적 및 동작 파라미터들은 다음과 같다:

빔 에너지들 4, 6, 8, 10 MeV

동작 주파수 2856MHz

동기 에너지 이득 2MeV

말단 자석 필드 0.4T

주사(injection) 에너지 40keV

펄스형 RF 전력 1600kW

평균 빔 전류 100㎂까지

반복 레이트 1000Hz까지

RTM 치수들 750x250x140mm

RTM 중량 <60kg

본 발명의 RTM은 선형 가속기들 및 원형 가속기들의 장점들을 결합한다. RTM은 높은 강도, 좁은 스펙트럼, 및 정확하게 고정된 에너지들을 갖는 전자 빔을 생성한다. RTM은 종래 기술의 머신들과 비교하여 보다 소형이고 무게가 덜 나가는 설비로서 전력을 덜 이용한다. 화물 검사 시스템들에서의 응용을 위한 이러한 가속기의 주요 장점은, 각각의 동작 사이클에서의 고정된 스텝으로 추출된 빔 에너지를 변화시키는 능력이며, 이는 1000Hz와 같은 높은 반복 주파수가 뒤따를 수 있으며, 빔 품질을 보존한다.

RTM은, 전자 빔이 동일한 선형 가속기에서 여러 번 가속될 수 있도록 구성된 전자 선형 가속기(17) 및 밴딩(bending) 자석들(18 및 19)의 조합이다. N개 빔이 동일한 에너지를 얻기 위해 선형 가속기를 통과하면, 가속 필드를 생성하는데 필요한 길이 및 RF 전력은 단지 하나의 선형 가속기와 비교할 때 N배 감소된다. 결과로서, RTM은 선형 가속기만과 비교할 때, 보다 소형이고 저가이며 보다 효율적이 다. 높은 평균 전력 빔(수 kW 및 그 이상)을 생성할 때 RTM의 이용이 전류 불안정성에 의해 제한되지만, RTM은, 화물 검사 시스템이 주된 예제인, 낮고 중간 정도의 평균 빔 전력 어플리케이션들에 가장 적당하다.

본 발명의 RTM은 (a) 특별한 주사 및 보상 쌍극자들을 필요로 하지 않아 말단 자석들 사이의 거리를 약 2배 만큼 감소시키는 주사 방법; (b) RTM 광학부들을 단순화하여 20 내지 30%만큼 길이 치수들을 감소시키는, 횡단 평면(transverse plane)들 모두에서의 RF 집속을 갖는 가속 구조; (c) 2 내지 3배 만큼 자석 부피를 감소시키는, REPM(rare earth permanent magnet) 재료로 만들어진 말단 자석들 때문에 소형이다. 본 발명의 RTM은 (a) 패스(pass) 당 2MeV의 에너지 이득만을 생성하여 10MeV의 선형 가속기 가속 구조와 비교할 때 5 내지 6배 가벼운 가속 구조; (b) 10MeV 선형 가속기 보다 3 내지 4배 작고 따라서 RF 소스 및 변조기 중량이 더 낮은 펄스형 RTM RF 전력 공급 RTM(pulsed RTM RF power feeding RTM); 및 (c) 전자석보다 약 50% 가벼운 REPM 재료로 만들어진 말단 자석들 때문에 저 중량이다.

가속기 엔지니어링 설계를 단순화하기 위해, 그 중량 및 치수들을 감소시키면, RTM 소자들은 정확히 가공된 플랫폼 상에 위치되고, 전체 가속기는 터보분자 펌프에 의해 펌프된 약 750mm x 250mm x 140mm의 내부 치수들을 갖는 진공 박스에 놓인다. 주 RTM 소자들 - 말단 자석들, 선형 가속기 및 플랫폼- 의 전체 중량은 60kg을 초과하지 않는다.

각각의 동작 사이클에서의 추출된 빔 에너지 변화는 각각의 궤도에 설치된 빠른 키커 자석들(20)에 의해 이루어지고, 조사(irradiation) 프로그램에 따른 그 들의 여기(excitation)는 RTM RF 시스템 동작과 동기화된다. 제동복사 타겟의 작은 전자 빔 치수들을 유지하기 위해, 펄스형 4극자 (plused quadrupole)가 이용된다.

본 발명의 RTM은 종래 기술에 비해 상당한 크기 및 중량 이점들을 제공한다. (아마도, 제1 성공 사례 실험실 설치들을 제외하고) 현재까지 만들어진 모든 펄스형 RTM들은 50 내지 150MeV의 에너지 범위에서 동작한다. 대략 9 내지 10MeV가 표준 에너지인 원형 마이크로트론들은 본 발명의 RTM과 비교시 크고, 추출된 빔 에너지의 빠른 변화를 허여하지 않는다. 전자 선형 가속기들은 조절된(regulated) 출력 에너지를 이용할 수 있다; 그러나, 이러한 조절은, RF 소스 전력 변화, 정상파 구조들에서 튜닝되지 않은 셀의 연결 또는 빔 로딩 변화, 또는 멀티섹션 선형 가속기들의 경우에, RF 전력/위상 변화에 의해 이루어진다. 어떠한 경우에도, 빔 품질 또는 에너지 스위칭 속도는 본 발명의 RTM과 비교될 수 없다.

가속 헤드에 의해 점유된 부피가 273㎥인 상술한 리나트론-M과 비교하면, 본 발명의 RTM은 약 10배 작은 1.4m x 2.5m x 7.7m = 27㎥의 대응하는 부피를 갖고, 리나트론-M은 약 2½배 무겁다. 9MeV 빔을 생성하는 리나트론-M은 약 5MW 클라이스트론을 요구하지만, 본 발명의 가속기는 1.6MW 클라이스트론만을 필요로 하여, RF, 냉각 시스템들 및 변조기는 따라서 더 작고 더 가볍게 될 것이다.

따라서, 본 발명은 사용에 있어서 현재의 선형 가속기들과 비교하여 보다 소형이고, 약 3배 덜 무거우며 약 3배 더 효율적인, 화물 검사 시스템들에서의 이용을 위한 10MeV의 전자 가속기를 제공한다. 2MeV 및 1000Hz 반복 주파수의 스텝을 갖는 그 빔 에너지는 4 내지 10MeV의 범위에서 변할 수 있고, 이는 검사 물체의 원소 조성에 대해 민감한 화물 검사용 다중-에너지 기술을 수행할 수 있게 한다.

모든 시스템들(RF, 변조기, 냉각, 제어)을 포함하는, 10MeV 빔 에너지를 갖는 현재 이용가능한 선형 가속기들의 비용은 제조자에 따라 $1백만 내지 $3백만의 범위 내에 있다. 그 모든 시스템들을 갖는 본 발명의 RTM의 비용은 상당히 적을 수 있다. RTM은 다중-에너지 기술의 다수, 4개까지의, 선형 가속기들을 대체할 수 있어, 균등한 선형 가속기-기반의 시스템과 비교시 비용 감소는 약 10배일 수 있다.

동작 이론

화물에 숨겨진 밀수품 물질들을 인지하기 위해, 이러한 특정 물질들과 고유하게 관련된 노출 신호에 대한 응답이 획득되어야 한다. 외부 방사에 의해 원자핵들을 프로빙하는 것은 특정 물질들의 "지문"들을 얻기 위한 하나의 방법이다. 그러나, 원자력 방법들의 경우, 컨테이너 내용물은 가시화될 수 없고, 잔존 방사능이 있을 수 있다. 따라서, X선 소스로서의 2 내지 10MeV 전자 가속기들에 기초하여 표준 화물 검사 시스템들의 성능들을 확장하는 것은 매우 바람직하다. 10MeV 보다 적은 에너지를 갖는 전자들에 의해 생성된 X선 스펙트럼의 경우, 에너지 레벨은 대부분의 원자핵들에 대한 광핵 반응들의 임계치 미만이고, 따라서 검출은 특정 물질들의 고유한 라벨로서 원자 프로세스들에 의존해야 한다. 이것은 50 내지 200keV의 에너지 범위에서 이중 에너지 방법을 이용하여 사전에 이루어지며, 보다 최근에 이러한 방법은 4 내지 9MeV의 보다 높은 범위에 적용된다. 상이한 원소들의 에너 지에 대한 X선 흡수 단면적의 상이한 의존성은, 가볍거나 무거운 원소 내용물 이형의 인지에 기초한다. 도 3은 질량 감쇠 계수의 에너지 의존성, μ/ρ을 나타내며, 여기서, μ는 1 내지 20MeV의 에너지 범위에서의 질소, 철 및 우라늄에 대한, 감쇠 계수이고, ρ는 물질 밀도이다. 쌍 생성(pair production) 프로세스는 주로, 대략 1MeV 보다 높은 에너지에 대한 감쇠 계수의 상이한 의존성, 즉, 질소에 대한 에너지를 붕괴시키고 우라늄에 대해서는 성장시키는 역할을 한다.

1 내지 10MeV의 범위에서 높은 반복 주파수로 가변하는 에너지 갖는 단색성 X선 소스가 존재하면, 에너지에 대한 감쇠 계수 의존성만이 각각의 조사된 화물 위치에서 측정될 수 있고, 통계적인 에러들에 의해 정의된 확률을 이용하면 컨테이너에 대한 유효 원자수 분포가 추정될 수 있다. 그러나, 그러한 소스는 이용할 수 없으므로, 검출은, 도 4에 나타낸 바와 같이, 제동복사 타겟에 충돌하는 상이한 전자 에너지들에 대해 연속 스펙트럼을 갖는 제동복사 방사를 이용하여야 한다. 제동복사 스펙트럼의 최대 또는 종단 에너지는 전자 에너지와 균등하다.

연속적인 제동복사 스펙트럼을 이용하여 단면적 에너지 의존성을 얻는 유사한 문제는, 광핵 반응 연구들에서 소정 시간 알려졌고, 그것은 상이한 종단 에너지들에서 측정된 반응 출력(yield)들의 차이를 얻음으로써 해결된다. 본질적으로, 이러한 기술은 도 5에 나타낸 준단색성 X선 스펙트럼의 이용과 균등하다. 준단색성 스펙트럼의 최대는, 감산된 스펙트럼의 종단 에너지와 균등한 유효 에너지에 위치된다.

따라서, 이중-에너지 방법으로 2개의 전자 에너지들만을 이용하는 것이, 하 나의 유효 에너지만에서의 감쇠 계수의 추정과 균등하다는 것은 명백하다. 감쇠 계수와 함께 X선 플럭스 감쇠: I=I₀exp(-μ _eff t _eff )를 정의하는, 물질에 대한 알려지지 않은 유효 두께, t _eff 로 인해, 물질 인지에서의 이중-에너지 기술 능력들이 제한된다.

그러나, 능력들은, 동일 컨테이너 지역을 조명하는 제동복사 방사를 생성하기 위한 여러 전자 에너지들을 이용함으로써 증가된다. 4개의 전자 에너지들에 대해, 그 차이를 고려함으로써, 감쇠 곱 μ _eff t _eff 는 (도 6의) 3개의 유효 X선 에너지들에서 추정될 수 있고, 일정한 유효 두께를 가정하면, 에너지에 대한 μ _eff 의 상대적인 의존성이 획득될 수 있다. 본 발명을 이용하면, GEANT 코드를 갖는 광범위한 컴퓨터 시뮬레이션이, 물질 인지에 대한 다중-에너지 기술의 상세들을 정교하게 하도록 수행되고 미가공 검출기 정보 개발에 대한 높은 생산성의 소프트웨어를 생성하도록 수행된다.

다중-에너지 전자 가속기를 갖춘 화물 검사 시스템에서의 물질 인지를 위해 다중-에너지 기술에 대한 본 발명을 이용함으로써, 유효 물질 감쇠 계수의 에너지 의존성을 얻을 가능성으로 인해 이중-에너지 기술과 비교할 경우 물질 인지 능력에서의 2배 또는 3배의 향상이 달성될 수 있다. 펄스형 빔의 1000Hz 반복 주파수만큼, 본 발명은 화물 검사 시스템의 생산성을 동시에 20 내지 30% 증가시킨다.

본 발명은 화물 컨테이너들과 같은 대형 물체들의 검사에 대해 기술되었지만, 다중-에너지 기술은 작고 중간 크기의 물체들이 검사될 수 있는 낮은 에너 지(50-200KeV)의 에너지 범위에 적용될 수도 있다.

도 7은 질량 감쇠 계수의 에너지 의존성 μ/ρ을 나타내고, 여기서, μ는 1 내지 1000keV의 에너지 범위에서의 질소, 철 및 우라늄에 대한, 감쇠 계수이고, ρ는 물질 밀도이다. 이러한 에너지 범위에서, 광전자 상호작용은 주로 X선 감쇠의 원인으로, 원자 번호 Z에 대한 질량 감쇠 계수의 강한 의존성을 생성한다. Z에 대한 이러한 강한 의존성은, 작고 중간 크기의 물체들에 대한 물질 인지의 이중 에너지 방법의 성공에 기초한다. 감쇠 계수로 나타내고, 특정 원자 쉘(shell)들의 여기와 관련된 흡수 피크들이 특히 중원소들의 정확한 인지에 있어 중요하다. 낮은 에너지들에서의 제동복사 스펙트럼 필터링에 대한 더 많은 가능성들로부터 부가적인 개선이 생기고, 이는 본질적으로 스펙트럼 형상을 수정한다.

따라서, 준단색성 X선 스펙트럼을 이용하는 것이 물질 인지에 대한 향상된 능력들 및 거짓 경보 신호들의 수의 감소를 이끌어 내는 것은 명백하다. 이전에 설명된 동일한 제동복사 차이 스펙트럼 기술은 이러한 에너지 범위에 적용될 수 있다. 그러나, 레이스-트랙 마이크로트론(10)을 이용하여 낮은 에너지, 50 내지 200keV의 전자 빔을 생성하는 것은 경제적으로 기술적으로 정당화되지 않고, 이중 에너지 방법에서와 같이 전자 빔 생성을 위한 동일한 기술이 이용될 수 있다. 선택적으로, 적정한 낮은 에너지 전자 빔은, 상대론적인 전자들에 대한 강한 레이저 빔의 콤프톤 산란에 의해 생성된 준단색성 X선 방사를 이용하여 생성될 수 있다.

본 발명이 첨부되는 특허청구범위들의 범위 내에 있는 모든 실시예들을 포함함하므로, 본원에 설명된 실시예는, 단지 본 발명을 대표하는 것일 뿐, 본 발명을 하나의 특정 실시예로 제한할 의도가 아니라는 것이 이해되어야 한다. 부가적인 이점들 및 수정들이 본 기술분야의 당업자들에게 쉽게 발생할 것이다. 따라서, 보다 넓은 양태들에서의 본 발명은, 본원에 나타내고 설명된 특정 상세들 및 예시적인 예제들로 제한되지 않는다. 따라서, 첨부된 특허청구범위들 및 그들의 균등물들에 의해 정의되는 바와 같이, 일반적인 진보성 있는 개념의 사상 또는 범위에서 벗어남 없이 다양한 수정들이 이루어질 수 있다.

Claims (16)

1. 화물 컨테이너의 내용물을 검출하는 다중-에너지 방법으로서,

   10MeV의 최대 전자 에너지를 갖는 레이스-트랙 마이크로트론(race-track microtron)을 포함하는 소형 다중-에너지 전자 가속기를 이용하여 제1 에너지 레벨의 제1 방사를 상기 컨테이너에 조사(directing)하는 단계;

   상기 전자 가속기를 이용하여 제2 에너지 레벨의 제2 방사를 상기 컨테이너에 교대로(alternately) 조사하는 단계;

   상기 전자 가속기를 이용하여 제3 에너지 레벨의 제3 방사를 상기 컨테이너에 교대로 조사하는 단계;

   각각의 에너지 레벨에서 조사되는 방사에 응답하여 상기 컨테이너로부터의 방사를 검출하는 단계; 및

   상기 검출된 방사를 분석하여 상기 컨테이너의 내용물을 판정하는 단계

   를 포함하는 다중-에너지 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 전자 가속기를 이용하여 제4 에너지 레벨의 제4 방사를 상기 컨테이너에 교대로 조사하는 부가적인 단계를 포함하는 다중-에너지 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1, 제2 및 제3 에너지 레벨들은 각각 10MeV 보다 크지 않은 다중-에너지 방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제1, 제2 및 제3 방사들은 모두, 3개의 상이한 에너지 레벨들의 전자 빔을 생성할 수 있는 단일 전자 가속기를 이용하여 생성되는 다중-에너지 방법.
5. 화물 컨테이너의 내용물을 검출하는 다중-에너지 방법으로서,

   제1 에너지 레벨의 제1 방사를 상기 컨테이너에 조사(directing)하는 단계 - 상기 제1 방사는 전자 빔을 생성하는 전자 총, 상기 빔을 가속화시키는 선형 가속기, 및 상기 선형 가속기를 통해 상기 빔을 여러 번 역으로 편향시키는 한 쌍의 말단 자석들을 포함하는 마이크로트론에 의해 생성됨 -;

   제2 에너지 레벨의 제2 방사를 상기 컨테이너에 교대로 조사하는 단계 - 상기 제2 방사는 상기 마이크로트론에 의해 생성됨 -;

   제3 에너지 레벨의 제3 방사를 상기 컨테이너에 교대로 조사하는 단계 - 상기 제3 방사는 상기 마이크로트론에 의해 생성됨 -;

   각각의 에너지 레벨에서 조사되는 방사에 응답하여 상기 컨테이너로부터의 방사를 검출하는 단계; 및

   상기 검출된 방사를 분석하여 상기 컨테이너의 내용물을 판정하는 단계

   를 포함하는 다중-에너지 방법.
6. 제5항에 있어서,

   제4 에너지 레벨의 제4 방사를 상기 컨테이너에 교대로 조사하는 부가적인 단계를 포함하고, 상기 제4 방사는 상기 마이크로트론에 의해 생성되는 다중-에너지 방법.
7. 제5항에 있어서,

   상기 제1, 제2 및 제3 에너지 레벨들은 각각 10MeV 보다 크지 않은 다중-에너지 방법.
8. 제5항에 있어서,

   상기 제1, 제2 및 제3 방사들은 모두, 3개의 상이한 에너지 레벨들의 전자 빔을 생성할 수 있는 단일 전자 가속기를 이용하여 생성되는 다중-에너지 방법.
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