KR20090046805A - 펄스화된 에너지 입자들에 기초한 검출 시스템 및 검출 방법 - Google Patents
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Abstract
검출 시스템은 중성자들 및 감마 포톤들을 포함한 에너지 입자들의 펄스화된 플럭스를 발생시키고, 분석될 아이템(600)을 향해 상기 플럭스(140)를 지향하는 입자 소스(500)- 상기 입자들은 상기 아이템 내의 물질(들)의 핵들과 반응하도록 의도됨 -; 상기 에너지 입자들의 플럭스에 응답하여 상기 아이템으로부터 발생하고 검출기 조립체들 상에 입사하는 각각의 에너지 범위들 내의 중성자들 및 감마 포톤들에 응답하고, 대응하는 시간 신호들을 전달할 수 있는 3 이상의 검출기 조립체들을 포함한 검출 유닛(400); 및 상기 아이템에 대한 상기 펄스화된 플럭스의 적용에 이어 상기 신호들로부터 서명을 발생시킬 수 있고- 시간-관련 신호 특징들을 포함함 -, 상기 서명을 저장된 기준 서명들과 비교하는 상기 검출기들의 출력부들에 연결된 데이터 처리 유닛(800)을 포함한다. 또한, 본 발명은 대응하는 검출 방법 및 특히 공항 수화물 보안 검색, 지뢰 검출 등의 적용예를 제공한다.
Description
본 발명은 활성 중성자 조사(active neutron interrogation) 기술에 관한 것으로, 특히 아이템들 내의 물질들 또는 화합물들을 조사하고 검출하기 위해 중성자 및 감마 포톤(gamma photon)을 사용하는 검출 시스템에 관한 것이다.
소위 '중성자의 조사'는 차폐되고 밀폐된 아이템으로부터 아이템 내에 포함된 화학적 요소들 또는 화합물들에 관한 서명(signature)을 추출하게 하는 데이터에 대해 알려진 오직 비침습적(only non-invasive)인 기술이다.
그러므로, 이러한 기술은 물질의 그 형상 및 밀도에 의해서만 아이템들을 분간하게 하고, 다양한 적용예들 예를 들어 아이템 또는 빌딩 내에서의 폭발물, 핵 물질 또는 마약과 같은 밀수품의 검출에 사용되는 X-레이 기계 등에 걸쳐 상당한 진보를 가져온다.
다수의 중성자-기반 검출 기술들은 입자 응용에 따라 개발되었다.
예를 들어, 공항에서 체크된 수하물의 검사를 위해 TNA(Thermal Neutron Analysis)가 시도되었다. 특히, 저-에너지 중성자는 소정 폭발물 내에 포함된 질소가 감마 레이를 방출하게 하고, 핵분열성 물질이 그 자신의 중성자들을 방산하게 한다. 하지만, 제 1 세대 TNA 스크리너들은 전형적인 수하물 내에 포함된 많은 질소 함유 입자(nitrogen-bearing particle)로 인해 허용할 수 없는 비율의 허위 경보를 발생시켰다. 또한, TNA는 소스로부터 열중성자로 고속 중성자들을 늦추는 감속재들을 필요로 한다.
또한, 폭발물 및 마약과 같은 밀수품에 대한 수하물의 PFTNA(Pulsed Fast Thermal Neutron Analysis)가 제안되었다. 이는 단일 시스템 내에서의 수 개의 상이한 중성자 상호작용들로부터 감마 레이 방사의 검출을 조합하고, FNA(Fast Neutron Analysis) 조사를 수행하기 위해 단펄스(short pulse) 고-에너지 중성자를 사용한다. 이는 FNA 및 TNA 조사들을 시간 내에 분리시킬 수 있고, 측정된 감마 서명들의 품질 및 통계를 개선시킨다.
전형적으로, 14 MeV 중성자들의 단펄스(수 ㎲)를 생성하기 위해 듀테륨-트리튬 반응에 기초한 단일의 반복 펄스화 중성자 발생기(repetitively pulsed neutron generator)가 사용된다. 이 펄스 동안, 상호작용은 주로 조사되는 대상물 내의 고에너지 중성자들의 비탄성 산란으로 인한 것이다. 감마 레이 방사는 주로 (n. n'y) 및 (n. py) 반응들로부터의 즉발(prompt) 감마 포톤들로 구성된다. 펄스는 10 kHz의 주파수로 반복되고, 종래의 단일 포톤 카운팅 감마 분광학 기술을 이용하여 고에너지 중성자 상호작용으로부터 즉발 감마 포톤들의 스펙트럼들이 수집된다. 이 스펙트럼들로부터, C 및 O와 같은 요소들로부터 감마 서명들이 추출될 수 있다. WO-99/53344A 및 Vourvopoulos G. 등의 "A Pulsed Fast-Thermal Neutron System for the Detection of Hidden Explosives"(Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, Elsevier, Amsterdam, NL, vol.B79, n°¼, 1993 년 6 월 2일, pp.585-588, XP000381502)에서 이 종류의 검출 시스템을 개시하고 있다.
이러한 시스템에서는, 중성자 펄스들 사이에서 고속 중성자들의 일부가 바탕 물질(background material), 특히 광 요소들과 계속하여 충돌하고, 열에너지로의 진행을 늦춘다.
중성자가 1 eV 이하의 에너지를 갖는 경우, 이는 H, N 또는 Fe와 같은 요소들에 의해 쉽게 캡처되어 이러한 (n. y) 캡처 반응들로부터 즉발 감마 포톤들을 생성할 수 있다. 이 주기 동안 검출된 감마 방사로부터 별도의 열중성자 반응 스펙트럼이 구성된다. 문서 DE 10323093 A1이 이러한 접근법을 개시하고 있다.
사전설정된 수의 펄스들 이후에, 활성화된 O, Al 및 Si와 같은 요소들로부터 방사된 감마 포톤들의 검출을 허용하는 긴 휴지(pause)가 존재하며, 지연된 감마 반응과 함께 쇠퇴한다(decay).
이 3 단계들을 순환함으로써, 3 개의 별도의 스펙트럼들이 생성되어 고속 중성자 상호작용, 열중성자 상호작용 및 지연된 활성화 상호작용을 나타낸다. 이 3 개의 스펙트럼들은, 특히 강한 폭발물 내에서 4 개의 기본 요소들을 모두 분명히 결정하게 한다.
실제로, 문서 US-5200626A에 개시된 바와 같이 원자 비, 예를 들어 탄소 원자 대 산소 원자(C/O)의 비를 검토함으로써 PFTNA에서의 물질의 식별이 수행된다. 이는 탄소 및 산소 감마 레이들에 대한 세기들의 비를 취한 후, 이 요소들의 반응 들을 유도한 감마에 대한 단면들의 비를 적용함으로써 수행된다.
TNA 프로세스로부터의 본질적으로 혼합된 감마 신호들을 갖는 FNA 프로세서와 다르게, PFTNA 프로세스는 FNA 및 TNA 프로세스들로 인한 스펙트럼들을 명확하게 분리시키며, 이는 폭발물 검출에 해당하는 요소들의 식별을 개선시킨다.
FNA로부터의 감마 레이들이 방사되고 수집되는 짧고 특정한 시간은 종래의 FNA 기술에 비해 C 및 O로부터의 감마 서명들의 신호 대 바탕 잡음 비를 개선시킨다.
하지만, 이 개선은 FNA 프로세서의 시간 동안 극히 적은 열중성자 캡처 반응들이 존재하는 경우에만 주목할 만하다. 하지만, 감춰진 폭발물의 맥락에서는 흔히 폭발물에 의해 차지된 작은 구역 외에 큰 구역이 존재하며, 이때 열중성자 캡처 반응들로부터의 신호가 방사될 것이다. 이는 신호 대 잡음 비를 상당히 악화시킬 것이며, 이는 차례로 유용한 통계치들을 얻기 위해 긴 조사 시간이 다시 필요하다는 것을 의미한다.
또한, 수화물 검사의 맥락에서, 외부 케이싱에서 내용물까지 많은 양의 플라스틱 재료의 존재가 C/O 또는 N/O 비의 측정으로부터 수행되는 폭발물의 식별에 크게 영향을 미칠 것이다.
알려진 또 다른 조사 기술은 PFNA(Pulsed Fast Neutron Analysis)이며, 고속 중성자의 속도/에너지 관계에 기초하고, 이로 인해 수 나노초(nanoseconds) 기간의 매우 짧은 고에너지 중성자 펄스가 조사를 받는 대상물을 통한 중성자의 TOF(time of flight)로부터 중성자 상호작용의 공간 구역을 기록할 기회를 제공할 수 있다.
TOF 정보를 수집하기 위해, 단색 에너지(mono-energetic) 고속 중성자 펄스가 사용되어, 여하한의 주어진 시간에 중성자의 공간 위치가 계산될 수 있다. 고속 중성자가 조사를 받는 대상물 내의 에너지와 감마 방사 충돌을 이루는 경우, 상기 대상물 내의 주어진 위치와 이 감마 포톤의 검출(및 이에 따라 방사) 시간이 관련될 수 있다. 이러한 매우 짧은 기간의 반복 펄스화 중성자 소스를 이용하고, 중성자 펄스뿐만 아니라 감마 방사의 에너지의 발사 시간(launch time)에 대한 발생 시간을 측정함으로써, 고속 중성자의 경로를 따라 벌크 재료 내부의 요소들의 범위의 기본 밀도가 결정될 수 있다.
명확하게는, 고속 중성자들로부터의 즉발 감마 반응들을 이용하여 주어진 공간 큐브, 소위 복셀(voxel) 내에서 요소들 C, N, O의 상대 농도가 결정될 수 있다. 강한 폭발물들 내에서 이 3 개의 요소들의 특정한 비들을 이용하여, 폭발물의 존재 및 위치가 식별될 수 있다.
특히, 적절한 감마 검출기 어레이들을 이용하고, 2 개의 축선들을 따라 중성자 빔 펄스를 스캐닝함으로써, 기본적으로 상이한 복셀들 내의 요소 농도의 3D 맵이 구성될 수 있다.
비교적 낮은 평균 밀도의 큰 대상물 내에 숨겨진 작은 양의 폭발물들을 검토하는 데에는 PFNA 기술이 특히 적절하다.
하지만, 적당한 공간 분해능이 달성되는 경우에는 매우 짧은 단색 에너지 중성자 펄스가 요구된다. 전형적으로, 이러한 중성자 소스는 선형 가속기로부터 생성된다. PFNA 시스템들에 기초한 이러한 가속기는 우수한 결과들을 갖는 화물 컨 테이너 및 항공 보안 적용들을 위해 개발되었지만, 선형 가속기와 연계된 큰 크기의 실질적인 차폐 요건은 시스템이 이동할 수 없음을 의미하므로, 상기 기술은 지뢰 제거(demining) 또는 공항 적용들에 적절하지 않다.
또한, 모든 기존 중성자-기반 검출 기술들은 샘플의 화학적 내용물들을 분석하는 것에 관하여는 정확하지만, 느리다(이는 전형적으로 단일 검출을 수행하는데 수 분이 걸림).
이 어려움은, 감마 스펙트럼 빌드업(build-up)을 생성하고, 이에 따라 샘플 내의 화학적 요소들이 검출되게 하는데 필요한 표준 포톤 카운팅 기술의 결과이다.
이는, 검출기가 한번에 단 하나의 포톤만을 수용할 수 있고, 다음 포톤이 도착할 수 있기 전에 포톤의 에너지를 분석하기 위해 검출 시간 윈도우를 기다려야 하기 때문이다.
매우 높은 세기의 중성자 펄스를 이용하면, 펄스 파일링-업(piling-up)의 현상이 일어날 것이므로 각각의 활성화 감마 포톤 또는 후방산란된 중성자를 개별적으로 기록할 수 없다. 정말로, 주어진 측정 시간 윈도우 내에 1 이상의 중성자가 생성되는 경우에는, 포톤들이 "함께" 도착하는 것으로 간주되므로 서로 분간되지 않는다.
그러므로, 단일 포톤 검출 및 분석의 최대 비율은 단일 펄스에서 이용가능한 최대 중성자 플루언시(neutron fluency)를 제한한다.
이는 앞서 언급된 바와 같이 명확한 검출을 위한 상당히 높은 신호 대 잡음 비를 갖는 유용한 스펙트럼을 구성하기 위해 수 분의 검출 시간을 초래한다. 이 는, 우수한 품질의 스펙트럼을 형성하기 위해 106 이상의 측정들- 전형적으로, 각각 1 마이크로초 이상을 필요로 함 -이 요구되기 때문이다.
또한, 알려진 이러한 시스템에서 사용되는 중성자 소스는 방사성 요소 또는 방사성(radioactive) 타겟들을 이용하는 발전기를 수반하며, 이는 특히 도시 환경에 매우 바람직하지 않다.
본 발명은 아이템들을 검사하는 종래의 중성자-기반 검출 기술들의 이 단점들을 극복하기 위한 것이다.
특히, 비용-효율성 및 만족스러운 발자취(footprint)의 자명한 고려사항들뿐 아니라, 신뢰성 및 매우 빠른 검출 시간을 제공하는 시스템이 매우 바람직할 것이다.
본 발명의 목적은, 대상물로부터 활성화되고 후방산란되는 포톤 및 중성자들을 특성화하기 위해 종래의 단일 포톤 카운팅 방법을 회피하는 임펄스 중성자 조사 방법론에 기초한 신규 물질 검출 기술을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 단일 측정으로 시간 내의 방출(evolution)을 포함하여 폭넓은 범위의 에너지들을 다루는 다목적 검출 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 허위 경보 비율을 상당히 감소하게 하고, 작동자 결정을 위해 개선된 데이터 출력을 제공하게 하는 식별 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 종래의 X-레이 검사 시스템들에 불투명한 금속 컨테이너에 숨겨질 수 있는 마약 및 소정 핵 물질과 같은 종래의 밀수품을 검출할 수 있는 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 펄스 파일링-업으로 인한 한계를 극복하는 검출 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 높은 세기의 단일 중성자 펄스 및 짧은 응답 시간을 이용하여, 공항 수화물에서의 대량 폭발물의 존재 또는 지뢰 제거에 있어서 지뢰의 존재를 검출하게 하는 검출 시스템을 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명은:
- 중성자 및 감마 포톤을 포함한 에너지 입자들의 펄스화된 플럭스(flux)를 발생시키고, 분석될 아이템을 향해 상기 플럭스를 지향하는 입자 소스- 상기 입자들은 상기 아이템 내의 물질(들)의 핵(nucleus)들과 반응하도록 의도됨 -;
- 에너지 입자들의 상기 플럭스에 응답하여 상기 아이템으로부터 발생하고 검출기 조립체들 상에 입사(impinge)하는 각각의 에너지 범위들 내의 중성자 및 감마 포톤에 응답하는 3 이상의 검출기 조립체들을 포함한 검출 유닛- 상기 검출기 조립체들은 시간에 따라 입사하는 감마 포톤 및 중성자를 나타내는 전류 신호들을 전달하는 전류 검출 모드에서 작동하도록 배치됨 -; 및
- 상기 아이템에 대한 상기 펄스화된 플럭스의 적용에 이어 상기 신호들로부터 서명을 발생시킬 수 있고- 시간-관련 신호 특징들을 포함함 -, 상기 서명을 저장된 기준 서명과 비교하는 상기 검출기들의 출력부에 연결된 데이터 처리 유닛을 포함하는 검출 시스템을 제공한다.
이 시스템의 바람직하면서 비-제한적인 실시형태들은 다음과 같다:
* 각각의 검출기 조립체는 각각의 에너지 대역-통과 필터를 포함한다.
* 각각의 검출기 조립체는 일 세트의 유연한 광섬유 케이블(flexible fiber optics cable)에 의해 광전자증배관(photomultiplier)에 커플링된 신틸레이터(scintillator)를 포함한다.
* 상기 중성자 및 감마 포톤 소스는:
- 제 1 및 제 2 전극;
- 제 1 전극에서의 플라즈마 이온 소스;
- 중양성자를 포함한 이온 플라즈마가 제 2 전극을 향해 진행되게 하는 플라즈마 이온 소스 드라이버(plasma ion source driver); 및
- 상기 제 2 전극을 향해 상기 중양성자들을 가속하는 한편 종래의 진공 다이오드(vacuum diode)의 공간 충전 전류(space charge current) 한계를 극복하기 위해, 상기 이온 플라즈마가 상기 제 2 전극으로부터 떨어져서 중양성자들의 공간 분포를 갖는 전이 상태(transitional state)인 상기 전극들 사이에 한번에 짧은 고전압 펄스를 적용하는 수단을 포함하고,
- 상기 제 2 전극은 중양성자/리튬 상호작용에 의해 상기 제 2 전극에서 상기 중성자들을 발생시키기 위해 리튬 함유 타겟을 형성하며, 중성자들은 감마 포톤들을 생성하도록 상기 타겟과 상호작용한다.
* 상기 중성자들은 3 MeV 이상의 에너지를 가지며, 이는 핵 물질들의 검출에 적절하다.
* 상기 중성자들은 5 MeV 이상의 에너지를 가지며, 이는 탄소-기반 물질들의 검출에 적절한 한편, 가능한 주위 요소들과 상호작용하지 않는다.
* 상기 중성자들은 8 MeV 이상의 에너지를 가지며, 이는 대부분의 폭발물들에 공통인 4 개의 요소(H, C, N, O) 모두와 상호작용하므로 폭발물들의 검출에 적절하다.
* 검출기 조립체들에 의해 전달된 신호들은 상기 소스로부터의 중성자들 및 감마 포톤들을 조합한 입자들의 하나의 단일 펄스에 대응한다.
제 2 실시형태에 따르면, 본 발명은 아이템들 내에 포함된 재료, 물질 또는 화합물의 입자들을 검출하는 방법을 제공하고, 이는:
- 중성자들 및 감마 포톤들을 포함한 에너지 입자들의 펄스화된 플럭스를 분석될 아이템에 적용하는 단계- 상기 입자들은 상기 아이템 내의 물질(들)의 핵들과 반응하도록 의도됨 -;
- 시간에 따라 입사하는 감마 포톤들 및 중성자들을 나타내는 전류 신호들을 전달하기 위해 전류 검출 모드에서, 또한 2 이상의 상이한 에너지 범위에서 상기 적용에 응답하여 상기 아이템으로부터 발생한 중성자들 및 감마 포톤들을 검출하는 단계;
- 이에 따라 검출된 중성자들 및 감마 포톤들을 나타내는 시간-관련 전류 신호들을 전달하는 단계;
- 상기 신호들의 시간-관련 특징들로부터 서명을 발생시키는 단계; 및
- 상기 서명을 저장된 기준 서명들과 비교하는 단계를 포함한다.
본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여, 바람직한 실시예의 다음 예시적인 설명으로부터 더 잘 이해될 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 식별 시스템의 블록도;
도 2는 도 1의 시스템 내에 구성된 검출 유닛을 더 상세하게 예시하는 도면; 및
도 3은 펄스 방사 및 분석될 아이템으로의 그 도착에 관하여 전형적인 신호 수집을 예시하는 동작 시간 도표(time chart)이다.
이제 도면들을 참조하면, 본 발명에 따른 식별 시스템(700)이 도 1에 도시되고, 이는:
- 검사될 아이템들(600)에 대한 컨베이어 시스템(conveyor system: 650);
- 에너지 입자 소스(500);
- 검출 유닛(400); 및
- 데이터 처리 유닛(800)을 포함한다.
상기 소스(500)는 체크될 아이템(600)을 향해 지향되는 중성자들 및 감마 포톤들을 포함한 높은 플럭스 및 높은 세기의 단펄스 에너지 입자들을 발생시킨다.
상기 소스는 제어 유닛(300)에 의해 제어되는 펄스화된 파워 유닛(200)에 응답하여 에너지 입자들의 플럭스를 발생시키는 입자 발생기(100)를 포함한다.
작동시, 높은 세기 및 높은 플럭스의 에너지 입자들의 단펄스가 발생되고, 빔 시준기(130)가 지향되는 검사 구역 내에 배치된 아이템(600)을 향해 지향된다.
컨베이어 시스템(650)은 종래의 시스템일 수 있으며, 검사 구역을 통해 적절한 증분에 의해 수화물들과 같은 아이템들(600)을 이동시키는데 사용된다.
상기 소스(500)는, 에너지 입자들의 침투 소스(penetrating source)와 상호작용하여 검사된 아이템(600) 내에 포함된 물질들을 나타내는 감마 포톤 및 중성자 신호를 검출하기 위해 검출 유닛(400)과 조합하여 사용된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 검출 유닛(400)은 폭넓은 세트의 에너지 응답들을 갖는 검출기들의 어레이(410)를 포함하며, 소스(500)에 노출되는 경우에 아이템(600)으로부터 후방산란되는 감마 포톤들 및 중성자들을 검출할 수 있다. 각각의 검출기(410)는 대상물로부터 후방산란된 감마 포톤들 및 중성자들에 대하여 주어진 범위의 에너지에 민감하다.
검출기들은 찾게 될 특정한 화학 또는 핵 물질들 또는 화합물들에 대해 유일한 서명을 제공하기 위해 유닛(800)에서 처리될 수 있는 데이터를 함께 제공한다.
상관적으로, 본 발명에 따른 검출은 에너지 입자들의 단일 펄스 동안(하지만, 다수 펄스 검출도 가능함) 획득될 수 있는 특성 감마 서명 인식에 기초하며, WO-99/53344-A 및 DE-10323093-A1에 개시된 바와 같은 종래 시스템들과 다르게 상세한 에너지-분해 분광광도법(energy-resolved spectrometry)을 필요로 하지 않는다.
데이터 처리 유닛(800)은 아이템(600)의 감마 서명을 발생시키기 위해 검출기 어레이에 의해 제공된 신호들을 분석한다. 그 후, 상기 아이템 내에서 소정 물 질들 또는 화합물들의 존재 또는 부재를 결정하기 위해 기준 서명들의 데이터베이스와 계산된 서명의 통계 비교가 사용된다.
이제, 시스템의 다양한 구성요소들이 더 상세히 설명될 것이다.
입자 소스(500)
입자 발생기(100)는 에너지 입자들의 단펄스들(140)을 발생시키기 위해 펄스화된 파워 공급 유닛(200)에 의해 구동된다.
이 펄스들(140)은 제어 유닛(300)에 의해 전달되는 제어 트리거 시, 요구에 따라 발생된다. 다른 모든 시간들에는 전체 시스템(500)이 "오프" 조건 내에 있다.
입자 발생기(100)는 이격된 전극들의 쌍, 즉 방사 전극(110) 및 타겟 전극(120)을 포함한 진공 챔버(150) 내에 포함된다.
전형적으로, 2 개의 전극(110 및 120) 간의 거리는 수 센티미터이고, 압력은 0.1 내지 10 Pa이다.
방사 전극(110)에 대한 고전압 드라이버(220)는 파워 공급 유닛(200) 내에 제공되며, 상기 전극에 속하고 플라즈마 방전 이온 소스를 형성하는 한 쌍의 전극 부재들(도시되지 않음) 사이에 적절한 전압 펄스(225)를 인가함으로써 상기 전극에 전력을 공급하는데 사용된다.
따라서, 전극(110) 부근에 플라즈마 밀도가 약 1013 입자/㎤ 이상의 크기인 저압 플라즈마가 생성된 후, 챔버(150) 내에 하전 입자(charged particle)들의 공간 분포를 발생시킨다. 사전설정된 시간 지연(dt) 이후, 제 2 전극(120)을 향해 플라즈마 내에 포함된 사전설정된 충전 표시(sign)를 갖는 입자들을 가속하기 위해, 파워 공급 유닛(200) 내에 제공된 펄스 발생기(210)에서 발생된 고전압 펄스(215)가 전극들(110 및 120) 사이에 적용된다.
시간 지연(dt)은 플라즈마 트리거링 펄스(225), 가속 전압 펄스(215), 2 개의 전극(110 및 120)에 의해 형성된 다이오드의 지오메트리 및 챔버(150) 내의 압력의 전압 레벨의 함수로서 선택된다.
제어 유닛(300)은 드라이버(220)를 트리거링한 후, 앞선 시간 지연에 따라 발생기(210)를 트리거링할 수 있다.
동기 명령(synchronised command)은 시간 지연(dt) 이후에 두 전극들(110 및 120) 사이에 적절한 펄스 전압(215)의 인가를 시작하여 플라즈마로부터 하전 입자 빔이 추출되도록 고전압 펄스 공급기(210)를 제어한다.
본 발명의 일 실시예에서, 고전압 펄스 발생기(210)는 그 자체로 알려진 방식으로 전압 곱셈 회로에 뒤이어 펄스 압축 회로(도시되지 않음)를 포함한다.
특히, 220 V, 50 Hz와 같은 주 전압 소스는 우선 종래의 전자 인버터 유닛을 이용하여 30 kV로 증가된다. 이 전압은 120 kV의 전압 펄스를 생성하기 위해 트리거 제어에 응답하는 4 단계 막스 회로(Marx circuit)에 공급하는데 사용된다. 그 후, 이 전압은 120 kV의 5 ns 펄스를 생성하기 위해 펄스 형성 회로를 충전하는데 사용된다. 이 펄스 형성 회로의 출력은 펄스 변성기에 커플링되어, 720 kV의 최종 5 ns 전압 펄스(215)를 제공한다.
펄스(215)의 적용 시, 500 keV 이상에 도달할 수 있는 에너지를 갖는 타겟 전극으로서 쓰이는 전극(120) 상에 입사하는 높은 전류(전형적으로, 1 kA 이상)를 갖는 하전 빔을 형성하기 위해 플라즈마에 포함되는 하전 입자들이 가속되며, 이로 인해 하전 입자-유도 핵 반응의 결과로서 강한 에너지 입자들의 플럭스를 생성한다.
본 명세서에서, 이온 플라즈마가 전이 상태에 있는 전극들에 고전압 초-단펄스(215)를 직접 적용함으로써 하전 입자들의 고-에너지 플럭스가 생성되는 소스(500)의 작동 원리는 종래의 진공 다이오드의 공간 충전 전류 한계를 극복하게 한다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 단펄스(< 10 ns), 고전류(> kA), 고-에너지(> 700 keV) 하전 입자 빔이 발생될 수 있다.
앞서 설명된 입자 소스를 이용하면, 에너지 입자들(140)의 플럭스(140)가 등방성 방식으로 방사된다. 분석될 아이템(600)을 향해 지향되는 빔을 발생시키기 위해, 적절한 시준기(130)가 제공된다.
최종적으로, 제어 유닛(300)은 모니터링 유닛의 역할을 하여 소스(500)의 모든 모듈들에 대한 제어 및 상태 정보를 제공할 수도 있다는 것을 유의할 것이다. 이를 위해, 유닛(300)은 소스(500)의 안전 인터록(safety interlock) 및 적절한 작동을 보장하기 위해 일 세트의 안전 센서(safety sensor)들 및/또는 검출기들에 커플링된다.
고속 스크리닝 작동들에 대해, 상기 소스(500)는 반복적으로, 예를 들어 초 당 여러 번 활성화될 수 있다.
상기 소스(500)는 다양한 형태의 에너지 입자 빔들을 발생시키는데 사용될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 이러한 입자들은 중성자들 및 감마 포톤들이며, 이는 리튬 합금 타겟 전극(120) 상에서 kA의 크기 차수를 갖는 전류 값에서의 약 10 ns 기간의 에너지 하전 중양성자 입자 빔의 영향에 의해 발생되어, 108 이상의 중성자들의 10 ns 펄스(140)를 생성하며, 이에 따라 14 MeV까지의 넓은 에너지 분포를 갖는 1016 중성자/초의 높은 플루언시 등가율(high equivalent fluency rate)을 제공한다.
앞서 설명된 바와 같은 소스(500)는 매우 짧은 기간에 걸쳐 아이템에 의해 후방산란된 감마 포톤들 및 중성자들을 실질적으로 모두 검출하게 한다.
비교하면, 예를 들어 문서 US-5200626-A에서 설명된 종래의 밀폐된 중성자 튜브는 전형적으로 108 n/s의 플루언시 등가율을 얻기 위해 1 kHz 이상의 주파수로 반복되어야 하는 10 마이크로초 구간(burst) 내의 소량의 중성자들을 제공하며, 분석을 위해 충분한 감마 포톤 데이터를 제공하기 위해 수 분의 작동이 요구된다. 이는 본 발명을 이용하는 것보다 적어도 2 크기 차수 이상 더 높은 방사선 도즈 비율을 초래한다.
비제한적인 예시에서는, 3 m의 간격을 두고, 10 ㎠의 노출된 영역을 갖는 아이템(600)이 본 발명의 소스(500)를 이용하여 얻어진 단일 펄스로부터 1011 n/s의 등가율의 중성자 플럭스를 수용할 것이다.
검출 유닛(400)
도 2에 도시된 바와 같이, 검출 유닛(400)은 검출기들(411, 412, 413)(본 발명의 예시에서는 3 개)의 어레이를 포함한 감마 포톤 검출부(410)를 포함한다.
각각의 검출기는 유연한 광섬유 케이블(421, 422, 423)의 각 세트에 의해 광전자증배관(431, 432, 433)에 연결된다.
각각의 검출기는 감마 포톤들 및 중성자들에 민감하게 선택된 적절한 표면적의 (예를 들어, 잘 알려진 NE102A 타입의) 종래 플라스틱 신틸레이터를 포함하는 것이 바람직하며, 소스(500)에 의해 발생된 빔(140)에 노출되는 경우에 아이템(600)으로부터 후방산란되는 감마 포톤들 및 중성자들을 나타내는 신호를 출력한다.
각각의 신틸레이터의 크기는, 예를 들어 180 mm x 180 mm x 25 mm이다. 특히, 큰 크기의 신틸레이터들은 실질적으로 신호/잡음 비를 개선하게 한다.
각각의 검출기(411, 412 및 413)는 특정한 에너지 스펙트럼 내에서 응답을 가지며, 이는 바람직하게는 아이템(600)으로부터 각각의 검출기로의 중성자들 및 감마 포톤들의 이동 경로 상에 물질들(도시되지 않음)을 배치시킴으로써 얻어지고, 이 물질들은 각각의 검출기(411, 412 및 413)에 대해 상이한 에너지 범위들에서의 에너지 대역-통과 필터들로서 작용한다.
그러므로, 각각의 검출기의 출력 진폭은 그 범위 내의 스펙트럼 내용에 관한 것이며, 검출기들(411, 412 및 413)은 수용된 방사선/입자들의 양을 나타내는 각각의 신호들(A, B 및 C)을 제공한다.
적절한 길이의 유연한 광섬유 케이블들을 통해 광전자증배관들에 신틸레이터들을 연결시킴으로써, 광전자증배관들이 방사선의 소스로부터 떨어져서 배치될 수 있고, 상기 광전자증배관들 내에 잡음을 발생시키는 전자기 방사선 및 에너지 입자들의 효과로부터 보호될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
바람직하게는, 광전자증배관들(431, 432 및 433)은 각각의 신틸레이터들 상에 입사하는 포톤들/입자들의 방출의 실시간 측정을 허용하기 위해 전류 검출 모드로 작동한다.
이 점에 있어서는, 개별적인 감마 포톤들 또는 중성자들의 에너지를 측정하는 대신에, 주어진 검출기(411, 412 또는 413)에 도착한 입자들 및 포톤들의 수집에 의해 생성된 전류 신호가 시간의 함수로서 기록된다.
그러므로, 입자들이 매우 짧은 시간 구간 내에 신틸레이터 상에 입사하여 카운팅 오차들을 발생시키는 종래의 펄스 파일링-업 문제가 회피된다.
광전자증배관(431, 432 및 433)으로부터의 신호 출력들은, 상이한 에너지 대역들에서의 시간의 함수로서 조사된 아이템(600)으로부터 수용된 포톤들/입자들을 나타내는 대응하는 디지털 데이터 스트림을 제공하기 위해, 세계적으로 기준된 아날로그-대-디지털 컨버터(440)들로 공급된다.
일 예시로서, 2.5 GS/s의 최대 샘플링률 및 10 k 샘플들의 최대 데이터 메모리 깊이(memory depth)를 갖는 4-채널 Tektronix TDS3034 과도 디지타이 저(transient digitizer)가 사용될 수 있다.
바람직하게는, 디지타이저의 메모리 깊이 내에 유지되기 위해 기껏해야 2 ns의 샘플링률로, 각각의 입자 펄스(140)가 아이템에 적용된 이후에, 예를 들어 20 ㎲ 동안 디지털화된 데이터가 기록된다.
검출 유닛(400)에 의해 제공된 신호들은, 단일 고에너지 초-단펄스(140)에 응답하여 일어나고 감마 포톤들 또는 중성자들의 방사를 초래하는 탄성, 비탄성 및 캡처된 반응들을 포함한 아이템(600)의 물질들에서의 여하한의 중성자 상호작용 모드들로부터 결과들을 조합한다.
특히, 검출 유닛(400)은 단일의 짧은 중성자 펄스가 트리거링된 이후에 상이한 주기들 동안 고속 및 열중성자들로부터 발생된 즉발 및 지연된 감마 포톤들뿐만 아니라, 샘플로부터 후방산란 또는 방사된 중성자들을 검출한다.
중성자 펄스 발생에 관한 신호 검출의 통상적인 타이밍의 일 예시는 도 3에 주어진다.
이 예시에서는, 10 ns의 기간을 갖는 약 108 중성자들의 단일 펄스(P1)가 4π 입체각으로 방사된다. 또한, 감마 포톤들의 2 차 펄스(P2)가 약간의 시간 시프트와 약간 더 긴 기간으로 방사된다. 이 감마 펄스(P2)는 중성자-발생 타겟의 바로 주위와 중성자 펄스(P1)뿐만 아니라, 타겟 자체 내에서의 상호작용의 결과로서 발생된다.
블록들(A1 및 A2)은 소스로부터 1 미터 떨어져 위치된 타겟에 도착하는 펄 스(P1)의 중성자들 및 상기 타겟에 도착하는 펄스(P2)의 감마 포톤들에 각각 대응한다.
도 3의 저부에 도시된 검출 신호들은 다음과 같다:
- 초기에, 수집된 신호들(S1)은 검출기들에 바로 도착한 감마 펄스(P2)의 일부로 인한 것이다;
- 이 뒤에 바짝 아이템(600)으로부터 후방산란되는 소정량의 감마 펄스(P2)로부터 기인하는 신호들(S2)이 따른다;
- 수십 나노초 이후, 수신된 신호들(S3)은 고에너지 중성자들이 아이템(600)을 직접 통하여 이동하는 경우에 생성된 고-에너지 감마 포톤들로 구성되며, 아이템 물질(들)의 핵들과 비-탄성 충돌한다; 매우 짧은 중성자 펄스(P) 및 비교적 느린 이동 속력(10 MeV 중성자는 일 나노초에 약 4.4 cm를 이동함)은 우수한 공간 분간을 허용한다; 또한, 높은 세기의 중성자 플럭스는 검출기들로부터 양호한 신호 대 잡음 비를 초래한다;
- 신호들(S3)의 후반부들은 소스에서 시준되지 않은 중성자들의 산란으로부터 발생한 다량의 지연된 중성자들의 아이템(600)과의 상호작용으로부터 발생된 감마 포톤들이다;
- 이 신호들에 뒤이어 아이템으로부터 후방산란된 중성자들에 대응하는 신호들(S4)이 따른다(마이크로초의 차수의 시간 스케일);
- 마지막 검출된 신호들(10 마이크로초 이상은 이후 도시되지 않음)은 소스 시준기에서 "열중성자화된(thermalized)" 중성자들뿐만 아니라, 샘플 및 그 주위로 부터 생성되는 캡처된 감마 포톤들로부터 발생한다. 이 열중성자들은 아이템 물질(들)의 핵들에 의해 캡처되어 감마 포톤들을 발생시킬 수 있다.
이 상호작용들 중 다수는 매우 다양한 요소들/화합물들에 적용가능하다. 그러므로, 중성자 펄스(140)가 시작한 이후 긴 시간 주기(전형적으로, 수십 마이크로초)에 걸쳐 검출된 신호들을 기록함으로써, 특히 시간에 걸친 방출을 고려하는 경우에 매우 의미있는 신호들이 얻어진다.
바람직하게는, 신틸레이터 및 광섬유 간의 커플링 효율성의 변동들을 보상하기 위해 각각의 검출기 조립체들(신틸레이터 + 광섬유 + 광전자증배관)로 이득 조정 회로가 통합된다.
또한, 검출기 조립체들은 검출기들 앞에 에너지 필터들 없이 일 세트의 측정들을 수행한 후, 모든 검출기들 상의 동일한 에너지 필터들로 일 세트의 측정들을 수행함으로써 유리하게 크로스-캘리브레이션(cross-calibrate)된다.
모든 검출 유닛들은 동일한 방식으로 캘리브레이션되며, 각각의 유닛의 이득은 조정되어 모든 유닛들 간의 신호 출력 변동이 주어진 범위(예를 들어, 기껏해야 2 배) 내에 있게 된다.
캘리브레이션은 각각의 광전자증배관에 각각 커플링된 복수의 광섬유들에 커플링된 기준 펄스화된 광 소스로 수행될 수 있다. 이 방식으로, 각각의 광전자증배관이 동일한 광섬유 커플링을 통하여 동일한 캘리브레이션 광 소스에 의해 조명될 것이다.
또한, 자동 캘리브레이션 프로세스가 잘 정의된 물질들, 예를 들어 멜라 민(Melamine) 및 폴리에틸렌(Polythene)과 같은 유기물의 한 개 또는 수 개의 샘플들로 수행될 수 있다. 이러한 프로세스는 검출기들의 감도 내의 가능한 드리프트들을 보상하게 한다.
데이터 처리 유닛(800)
데이터 처리 유닛(800)은 검출 유닛(400)으로부터 수용된 복수의 신호들(A, B 및 C)에 대해 적절한 신호 처리력을 포함한다.
바람직하게는, 이러한 처리는 분석되는 각각의 아이템(600)과 연계된 서명을 발생시키기 위해, 시간에 걸친 방출을 포함하여 상기 신호들에 사전설정된 세트의 알고리즘들을 적용하는 단계를 수반한다.
일단 아이템이 분석되면, 그 서명은 알려진 상이한 재료들 또는 화합물들 또는 물질들에 대응하는 일 세트의 기준 서명들과의 비교를 위해 데이터베이스에 적용되어, 이러한 여하한의 물질들 또는 화합물들 또는 재료들의 존재가 신속하게 식별되고, 가능하게는 정량화된다.
바람직하게는, 매우 짧은 응답 시간(통상적인 처리 시간들은 종래 처리 능력의 상태에서 수 분의 초에서부터 수 초일 것이다) 내에 작동자에게 상이한 형태들의 물질들 또는 화합물들 또는 재료들에 대해 간단한 예/아니오 대답들을 제공하도록 유닛(800)이 프로그래밍된다.
본 발명은 예시적인 실시예들에 대하여 설명되었지만, 당업자라면 많은 변형예 및 수정예들이 수행될 수도 있다는 것을 이해할 것이다.
앞서 나타낸 바와 같이, 본 발명의 통상적인 적용예들은 공항 수화물에 대한 보안 체크들 및 지뢰와 대인 지뢰와 같은 매장된 대상물들의 검출이지만, 본 발명은 여러 다른 적용예들을 가질 수 있다.
Claims (12)
- 검출 시스템에 있어서:- 중성자들 및 감마 포톤(gamma photon)들을 포함한 에너지 입자(energetic paricle)들의 펄스화된 플럭스(pulsed flux: 140)를 발생시키고, 분석될 아이템(600)을 향해 상기 플럭스를 지향하는 입자 소스(500)- 상기 입자들은 상기 아이템 내의 물질(들)의 핵(nucleus)들과 반응하도록 의도됨 -;- 상기 에너지 입자들의 플럭스에 응답하여 상기 아이템으로부터 발생하고 검출기 조립체들 상에 입사(impinge)하는 각각의 에너지 범위들 내의 중성자들 및 감마 포톤들에 응답하는 3 이상의 검출기 조립체들(411, 421, 431; 412, 422, 432; 413, 423, 433)을 포함한 검출 유닛(400)- 상기 검출기 조립체들은 시간에 따라 입사하는 감마 포톤들 및 중성자들을 나타내는 전류 신호들을 전달하는 전류 검출 모드에서 작동하도록 배치됨 -; 및- 상기 아이템에 대한 상기 펄스화된 플럭스의 적용에 이어 상기 신호들로부터 서명(signature)을 발생시킬 수 있고- 시간-관련 신호 특징들을 포함함 -, 상기 서명을 저장된 기준 서명들과 비교하는 상기 검출기들의 출력부들에 연결된 데이터 처리 유닛(800)을 포함하는 검출 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 검출기 조립체 각각은 각각의 에너지 대역-통과 필터를 포함하는 검출 시스템.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 검출기 조립체 각각은 일 세트의 유연한 광섬유 케이블(flexible fiber optics cable: 421; 422; 423)에 의해 광전자증배관(photomultiplier: 431; 432; 433)에 커플링된 신틸레이터(scintillator: 411; 412; 413)를 포함하는 검출 시스템.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 중성자들 및 감마 포톤들 소스는:- 제 1 및 제 2 전극들(110, 120);- 상기 제 1 전극에서의 플라즈마 이온 소스;- 중양성자(deuteron)들을 포함한 이온 플라즈마가 상기 제 2 전극을 향해 진행되게 하는 플라즈마 이온 소스 드라이버(plasma ion source driver: 220); 및- 상기 제 2 전극을 향해 상기 중양성자들을 가속하는 한편 종래의 진공 다이오드(vacuum diode)의 공간 충전 전류(space charge current) 한계를 극복하기 위해, 상기 이온 플라즈마가 상기 제 2 전극으로부터 떨어져서 중양성자들의 공간 분포를 갖는 전이 상태(transitional state)에 있는 상기 전극들 사이에 한번에 짧은 고전압 펄스를 적용하는 수단(210)을 포함하며,상기 제 2 전극(120)은 중양성자/리튬 상호작용에 의해 상기 제 2 전극에서 상기 중성자들을 발생시키기 위해 리튬 함유 타겟(lithium-bearing target)을 형성하고, 중성자들은 감마 포톤들을 생성하도록 상기 타겟과 상호작용하는 검출 시스템.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 중성자들은 3 MeV 이상의 에너지를 갖는 검출 시스템.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 중성자들은 5 MeV 이상의 에너지를 갖는 검출 시스템.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 중성자들은 8 MeV 이상의 에너지를 갖는 검출 시스템.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 검출기 조립체들에 의해 전달된 상기 신호들은 상기 소스로부터의 중성자들 및 감마 포톤들의 하나의 단일 펄스에 대응하는 검출 시스템.
- 아이템들 내에 포함된 재료, 물질 또는 화합물의 입자들을 검출하는 방법에 있어서:- 중성자들 및 감마 포톤들을 포함한 에너지 입자들의 펄스화된 플럭스를 분 석될 아이템에 적용하는 단계- 상기 입자들은 상기 아이템 내의 물질(들)의 핵들과 반응하도록 의도됨 -;- 시간에 따라 입사하는 감마 포톤들 및 중성자들을 나타내는 전류 신호들을 전달하기 위해 전류 검출 모드에서, 또한 2 이상의 상이한 에너지 범위에서 상기 적용에 응답하여 상기 아이템으로부터 발생한 중성자들 및 감마 포톤들을 검출하는 단계;- 이에 따라 검출된 중성자들 및 감마 포톤들을 나타내는 시간-관련 전류 신호들을 전달하는 단계;- 상기 신호들의 시간-관련 특징들로부터 서명을 발생시키는 단계; 및- 상기 서명을 저장된 기준 서명들과 비교하는 단계를 포함하는 검출 방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 중성자들은 3 MeV 이상의 에너지를 갖는 검출 방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 중성자들은 5 MeV 이상의 에너지를 갖는 검출 방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 중성자들은 8 MeV 이상의 에너지를 갖는 검출 방법.
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application |