TW201518757A - 用於車輛內炸彈之減速路脊型炸彈偵測器 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種用於偵測一車輛之行李箱或後區域中之炸彈之存在之方法及設備，其係使用該車輛區域之中子侵入及由藉由該等中子通常快中子與燃料之相互作用增強之該等中子與其中之炸彈之反應導致之所得伽馬射線感測而進行偵測，該中子產生及伽馬射線感測係在位於減速路脊中或內凹至路面下方之設備中進行。

Description

用於車輛內炸彈之減速路脊型炸彈偵測器

本申請案依據35 U.S.C.§119(e)主張2013年7月23日申請之美國臨時專利申請案第61/857,641號之權利，其揭示內容以引用的方式併入本文中。

本發明係關於隱藏在汽車中之炸彈之非侵入式偵測。

隱藏在車輛中之炸彈(也稱作汽車炸彈)之偵測係反恐戰爭中的最高國家安全優先級問題。汽車炸彈係現存的危險且越來越多地威脅歐洲、中東及亞洲的和平及穩定。50至1000lbs的大型炸彈總成98%被放置在汽車行李箱中並且在經過建築及設施前方時由自殺的司機遠程引爆(伊拉克、阿富汗、印度尼西亞)。在另一作案方法中，汽車炸彈被放置在停放的無人汽車中並且在目標車輛或個人經過時藉由行動電話遠程觸發(西班牙、黎巴嫩、以色列、俄羅斯、沙特阿拉伯)。炸彈的偵測係2步驟過程：(1)一次或異常偵測，即，「可能」炸彈的偵測及(2)二次或確認偵測，其藉由仔細檢驗(目前為止總是手動)決定性地判定異常物體含有炸彈或係「錯誤警報」。

如今，汽車炸彈之對策係在入口檢查點上對停止車輛(無乘客)之非侵入式檢測與侵入式檢測之組合。非侵入式檢查點方法係在底盤之車輛成像器下方，尋找異常形狀，結合穿過車窗之汽車之目視檢測。

此後係侵入式手動檢測及車輛及行李箱內部之警犬嗅探。在一些設施中，執行X射線檢測。所有當前使用之基於X射線之炸彈偵測系統(EDS)在化學上係行不通的。其等可使隱藏物體的位置、形狀及密度成像，但是無化學判定其等是否係炸彈之能力且因此要求手動檢測。在無X射線檢測的情況下，每一車輛之最小平均檢測時間係3分鐘，因此導致20輛車/小時之處理量。安全機構之要求係大十倍，即至少100輛車/小時。先前系統採用如附錄A中所示之元素粒子化學計量(Atometry)原理。

本發明之方法及設備計劃將處理速率增大至440輛車/小時。

具體言之，本專利申請案係關於藉由下列項對SCI過程之主要改良：(1)將偵測器系統隱藏在減速路脊下方，(2)具有在永久及臨時檢查點上容易組裝及拆卸特徵之系統之可攜性及(3)與SCI相比，極大縮短車輛檢測時間，導致(4)顯著增大的車輛處理量；後者(3至4)藉由使用快中子元素粒子化學計量之根本改良方法及技術達成，該方法及技術發表於上述B.Maglich之「Birth of Atometry」中。

此藉由(a)作為一次偵測器之差異中子元素及(b)作為確認感測器之雙重中子元素粒子化學計量之組合行動完成。後者係藉由使快速中子通過油箱之對行李箱中之物體之同時2光束(熱中子及快中子)照射。

12‧‧‧公文包/手提箱

20‧‧‧源

22‧‧‧粒子加速器

24‧‧‧鍺伽馬射線偵測器

26‧‧‧低溫冷卻器/低溫恆溫器

28‧‧‧電子裝置

30‧‧‧顯示終端

32‧‧‧按鈕

34‧‧‧面板

36‧‧‧顯示器

37‧‧‧窗

38‧‧‧顯示器

42‧‧‧顯示器

44‧‧‧顯示器

48‧‧‧減速路脊

48a‧‧‧區段

48b‧‧‧區段

48c‧‧‧區段

48d‧‧‧區段

50‧‧‧中子產生器

52‧‧‧鍺伽馬偵測器

53‧‧‧引道坡

54‧‧‧屏蔽體

55‧‧‧坡

56‧‧‧電源供應器

57‧‧‧路面

58‧‧‧操作者控制台

60‧‧‧減速路脊

62‧‧‧減速路脊

66‧‧‧主動區段/後區段

68‧‧‧車輪

70‧‧‧快中子

72‧‧‧被探測物體

74‧‧‧行李箱

76‧‧‧伽馬射線

78‧‧‧備用輪胎

80‧‧‧燃料箱

82‧‧‧熱中子

90‧‧‧偵測系統/偵測裝置

92‧‧‧盒子

94‧‧‧路面

96‧‧‧路緣

98‧‧‧金屬導軌

100‧‧‧鋁板

102‧‧‧中子產生器

104‧‧‧容器

106‧‧‧伽馬射線偵測器

108‧‧‧屏蔽構件

110‧‧‧減速路脊

116‧‧‧障礙物

118‧‧‧控制器

120‧‧‧車輛

122‧‧‧後車輪

124‧‧‧風扇

130‧‧‧排水開口

132‧‧‧砂礫區域

134‧‧‧水溝

圖1繪示機器人執行以針對炸彈探測公文包的所使用之SIEGMA 3E3元素粒子化學計量儀(atometer)。

圖2係比較脈衝中子對低解析度伽馬偵測器之快中子炸彈系統ANCORE之伽馬射線頻譜與藉由非脈衝、固態伽馬偵測器元素粒子化學計量儀之量測之曲線圖； 圖3展示圖2之公文包中所容納之元素粒子化學計量儀且展示掩蔽在行李箱中之元素粒子化學計量儀之組件，其包括一加速度計(中子產生器)、鍺偵測器及處理電子裝置；圖4展示供操作者觀看使用中之元素粒子化學計量儀之結果之一螢幕顯示器；圖5圖示繪示適用於根據本發明之一減速路脊中之元素粒子化學計量儀裝置之使用；圖6示意繪示如用於一減速路脊偵測器中之來自手提箱之元素粒子化學計量儀之組件。

圖7係繪示一減速路脊中之本發明之元素粒子化學計量儀之組件之一側視圖；圖8示意繪示如用在根據本發明之一減速路脊中之來自手提箱之元素粒子化學計量儀之組件；圖9A繪示靠近一對減速路脊之一車輛，該對減速路脊包含根據本發明之元素粒子化學計量儀；圖9B繪示開始越過減速路脊之車輛；圖10圖示繪示根據本發明之一可攜式滾動減速路脊，允許其定位在車輛行李箱下方以偵測車輛行李箱內之炸彈；圖11係展示用於偵測兩個減速路脊之間之車輛之行李箱中之炸彈之輻射路徑。

圖12繪示用於顯示炸彈勘測之結果之一可攜式裝置。

圖13繪示本發明之一實施例，其中炸彈偵測設備被安裝在一路面下方；圖14繪示將圖13之實施例用於越過其上方之一車輛；圖15以截面繪示安裝在一路面下方之本發明之偵測裝置。

由於98%汽車炸彈隱藏在行李箱中，故針對有關汽車之行李箱中之通常100lbs或更大之一炸彈之偵測之汽車炸彈偵測之一實施例描述本發明。其被粗略描繪於圖5至圖11中。

元素粒子化學計量係藉由中子之化學計量。其係非侵入式診斷過程，其藉由用飛米(10^-15m)波長之快中子輻射未知物質而提供其等之化學計量。技術即時破譯未知物體之實驗化學式C_aN_bO_c，其中a、b及c係碳、氮及氧之原子比例，具有97.5%(2σ)之統計概率。

軍用炸彈由4種元素組成：H、C、N及O。例如，TNT之化學計量係C₇N₃O₆H₅。對於塑膠炸彈中所使用之RDX，其係C₆N₆O₆H₆。非軍用炸彈，例如，自製恐怖分子炸彈亦可藉由元素粒子化學計量偵測，但是其等含有其他元素，主要係氯。通常被錯誤地稱作「炸彈特徵」之氮之存在僅係一「可能的炸彈指示符」。1m³之空氣含大致一公斤N₂。僅定性偵測炸彈之一或多個元素之存在不構成一炸彈偵測器。

由於第一中子數激發H，故元素粒子化學計量之任務係在儘可能最短的時間內以足以區分炸彈與亦含C、N及O之1000多種無害物質之準確度獲得3個元素(即，C_aN_bO_c中之下標a、b、c)之量化原子比。元素粒子化學計量演算法計算C、N及O原子之相對數量並且將其等繪製至三維圖上，其中各C：N：O比率由一點表示。

元素粒子化學計量藉由從快中子之非彈性散射發射之高解析度γ頻譜之量化量測達成。E=5-50 MeV之中子具有飛米之量級之德布羅意(DeBroglie)波長且因此直接與C、N及O之原子核撞擊，不受其等之化學鍵或聚集態的影響。其等從3種元素之各者產生特徵γ，γ能量分別係4.4、5.1及6.1 MeV。

中子藉由反應中之氘核之DC(非脈衝)束產生：d+t→α+n+17.8 MeV(1)。接下來，其等與元素X之原子核相互作用：n+X→X*→X+γ+n'(2)，其中γ藉由X之能階之間之過渡發射，其等之 能譜係元素特定的。

輻射時間在各情況中由演算法決定直至有關原子比例(a、b、c)之統計錯誤達到2σ，其對應於95%置信級。取決於目標質量，此花費從5秒至5分鐘之內之時間。若95%置信級未在5分鐘內達到，則結果係不確定的，且由操作者嘗試新條件之再量測(距離、強度等)。

本發明使已知技術適於用在供汽車越過之減速路脊中，而技術應用於在車輛在路脊上方移動的同時產生行李箱內容物之中子勘測。

圖1繪示含如下文描述且在無人類干涉的情況下安全攜載在一行動機器人14上以感測一公文包16之內容物之勘測及感測電子裝置之一手提箱12。在此環境中之公文包12使用如下文描述之SIEGMA 3E3感測設備以使中子通過至公文包16中且感測伽馬射線，可使用已知技術從伽馬射線判定炸彈之存在。

本發明使用與諸如ANCORE系統之其他系統不同之已知元素粒子化學計量儀伽馬射線偵測器系統。後者使用脈衝中子而前者係非脈衝的。後一系統回應以圖2之稍微彎曲線繪示，而元素粒子化學計量儀輸出以急劇雜湊線繪示。炸彈之相關化學物之偵測由相關炸彈化學物中之尖銳峰值繪示，其圖示繪示用於本發明之技術中之炸彈偵測之高靈敏度。

上文描述之已知技術繪示在如圖3之圖中打開之手提箱12之內容物中。中子從由一粒子加速器22加速之粒子導致之一源20發射。炸彈之回應由鍺伽馬射線偵測器24感測，鍺伽馬射線偵測器24由低溫冷卻器26可操作地致冷。為了導致圖3之手提箱圖中右側之上述元件操作，已知電子裝置28被提供在圖3之手提箱之左部分中。電子裝置28藉由電纜或無線構件提供輸出至4中所示之一已知顯示終端30，顯示終端30可為固定的或在平板或手機裝置80(圖12)中。

圖4繪示如本技術中已知結合上述元素粒子化學計量儀手提箱使 用之顯示面板。系統藉由一按鈕32啟動，按鈕32可在啟動時針對連續操作的手提箱之內容物實現任意所偵測伽馬射線之感測或可同時開始手提箱內容物之啟動及操作。在任一情況中，感測持續一時間週期，通常如一面板34上顯示之30秒。已知感測電子裝置在一顯示器36中且在標註之窗37中提供從伽馬射線輻射感測到的基本化學物之數量，尤其碳、氮及氧。一進一步顯示器38可提供所感測之所有化學物之清單及濃度百分比。圖4之已知感測電子裝置亦可在顯示器42中提供炸彈之重量之估計，連同在顯示器44中炸彈之存在之通行/禁止通行或是/否估計。

本發明之減速路脊汽車炸彈偵測器之較佳實施例(被稱作高級炸彈標識器及識別器AXIOR-700系列)展示在圖5及圖6中。由複合材料製成之商業生產標準減速路脊(48)(由四個區段(48a、48b、48c及48d)組成)容納由Thermo Fischer Scientific製造、型號為MP 320之商業生產之中子產生器(50)(其發射具有5x10⁷之通量之中子)及2個鍺伽馬偵測器(52)，即由ORTEC製造之高解析度HPGD(高純度鍺偵測器)型號GMX50P4-83n型(其具有0.2%之伽馬能量解析度)。一屏蔽體54將發射器及感測器分離以防止錯誤信號。

圖7及圖8分別展示具有本發明之系統之減速路脊之正視圖及俯視圖。

圖7以正視圖及截面圖展示具有一引道坡53及坡55上之一出口之本發明之減速路脊。對應於先前展示之電子裝置28之電源供應器56通常在引道坡53下方。對應於先前描述之產生器26之中子產生器50位於引道坡53正後方，藉由屏蔽體54與對應於先前討論之偵測器24之偵測器52分離。減速路脊48座落在一路面57上。

圖8示意繪示圖7之減速路脊中所使用之本發明之電子裝置及產生器及偵測器之元件。電子裝置56控制低溫恆溫器26，啟動中子產生 器50(20)且接收來自偵測器52(24)之信號。電子裝置50供應信號至圖4中所示之操作者控制台58。

通常，多達100次之試運轉將針對將校準之電子裝置56按順序結合具有及無各種重量之炸彈內容物之車輛進行，使得三種主要化學物H、C及O之偵測可與炸彈之存在或不存在及炸彈裝置之大小之估計值相關。

圖9A、圖9B及圖11按3個次序繪示炸彈檢測程序。在圖9A中開始，當汽車靠近一組兩個減速路脊60及62時，前輪橫越圖9B中的兩個路脊60及62。當汽車停在圖11中之兩個減速路脊結構之間之轂中時，後者係主動的且前者空轉，進行量測。

在經設計以檢查暫停或停放車輛(有人或無人)之圖10之一替代實施例中，減速路脊之主動(後)區段66在無空轉區段的情況下被單獨使用，且其被安裝在車輪68上使得其可在汽車行李箱下方滑動。

下文中兩個實施例的行李箱及車身檢查程序係相同的。

圖11展示炸彈偵測程序。從產生器50發射之快中子70進入行李箱74中之被探測物體72且產生伽馬射線76，伽馬射線76在高純度鍺偵測器(HPGD)52中偵測。一些快中子70穿過備用輪胎78且進入燃料箱80，其中其等被轉換為熱中子82。熱中子被捕獲在被探測物體72之氮原子核中且發射伽馬射線76'，伽馬射線76'亦由HPGD 52偵測。

為了縮短處理時間，本發明引入如下兩步驟汽車炸彈檢測過程。

步驟1：差異元素。車輛一在圖11中之位置停下，中子產生器50即用快中子照射車輛之整個後端。電子裝置56及58在平均正常車輛化學內容物與被檢查之車輛化學內容物之間之伽馬射線頻譜之一化學元素差異。本發明利用炸彈具有比常見物質多的氮(N)之炸彈性質。因此，大於正常N內容物之偵測係炸彈之預特徵。在本發明中，電子裝 置56及58中之處理首先搜尋高於背景N數之異常高的N數，其在無炸彈車輛之100個其他樣本內平均，但統計上不顯著超過達1σ。此被稱作「差異元素」且異常N數係導致車輛停止或由駕駛人停下之預警報。差異元素過程持續7秒。

步驟2：雙快中子及熱中子元素粒子化學計量。僅當預警報在上述處理中發生時，演算法繼續完整的3元素元素粒子化學計量過程以進一步根據上文技術解碼伽馬射線以判定其是否為炸彈。僅使用快中子，此過程花費16秒。為了進一步縮短分析時間，本發明增大達33%之「有用」中子之數量。此藉由使快中子通過行李箱上之燃料箱而完成，其導致大約33%中子之熱能化。熱中子被存在的任意爆炸物中之氮(N)捕獲，其繼而發射10.8 MeV之伽馬射線。凈結果係多大約30%之中子產生基於氮之伽馬射線，其等接著將元素粒子化學計量時間從16秒縮短至11秒。

組合步驟1及步驟2，將存在僅需要暴露7秒之時間及需要暴露18(7+11)秒之時間。後者係具有預警報之時間。假設10輛車中1輛觸發預警報並且須經歷完整元素粒子化學計量檢查之最壞情況案例，則本發明平均獲得每輛車8.2秒，其對應於440輛車/小時之處理量。

在圖13中所示之本發明之進一步實施例中，本發明之偵測裝置90被安裝在路緣96限定之一路面94下方之一盒子92中，車輛將穿過該偵測裝置針對炸彈之存在進行行李箱檢測。通常金屬導軌98稍微突出於路面94上方以確保越過偵測系統90之車輛將使行李箱適當定位。

盒子92及內容物完全定位在路面正下方且其等上方具有一鋁板100，鋁板100具有或不具有允許中子及伽馬射線穿過之孔隙。盒子92在容器104內含有一中子產生器102。圍繞中子產生器102的係六個伽馬射線偵測器106，其等圍繞產生器102且按最小距離(通常大約15英寸)六邊形配置進行干擾避免。可根據需要提供屏蔽構件108。

圖14繪示盒子92中之本發明之地下偵測裝置90，其具有位於路面94下方之中子發射器102及伽馬射線偵測器106。為了定位車輛120用於藉由裝置90進行適當行李箱檢測，一減速路脊110可被提供以使後車輪122適當停止。或者，可提供由一控制器118操作之一障礙物116以導致障礙物116抬高或降低至使車輛停止前行之位置達藉由裝置90進行行李箱檢測所需之時間週期。

圖15更詳細繪示本發明之裝置90之截面圖及正視圖，其展示盒子92內之偵測裝置之內容物。風扇124通常被提供用於在操作中冷卻盒子92之內容物。在鋁蓋100被穿孔的情況下，空氣可容易地流通用於冷卻目的。盒子92具有一下部分，其在低點具有在其中居中之一排水開口130，排水開口130進入水溝134內之砂礫區域132用於支撐偵測系統。

附錄A

元素粒子化學計量係如下列文章中描述之炸彈檢查過程：B.Maglich等人(1999年)，Proc.ONDCP International Technology Symposium，第9頁至第37頁，「Demo of Chemically-Specific Non-Intrusive Detection of Cocaine Simulant by Fast Neutron Atometry.」，Session A3b-Nonintrusive Inspection Test and Evaluation(Office of National Drug Policy)Counterdrug Technology Assessment Center，Gov.Doc.NCJ-176972[www.whitehousedrugpolicy.gov]。http：//www.calseco.com/_docs/_released-docs/Demo_detection_of_cocaine_stimulant_by_fast_neutron.pdf；B.C.Maglich、T.-F.Chuang、M.Y.Lee、C.W.Kamin及C.Drucy(2003年)，「SuperS enzor' for Non-invasive Humanitarian Demining」，Session 8-Bulk Explosives Detection,Paper 262，http：//www.eudem.vub.ac.be/eudem2-scot/ B.C.Maglich、T.-F.Chuang、M.Y.Lee、C.Druey及G.Kamirn(2003年)，「MiniSenzor' for Humanitarian Noninvasive Chemical Identification of UXO Fillers」,Session 8-Bulk Explosive Detection，Paper 255(website for both 2 and 3)：http：//www.eudem.yub.ac.be/eudem2-scot/B.C.Maglich(2005年)，「Birth of 'Atometry'-Particle Physics Applied To Saving Human Lives」，American Institute of Physics Conf.Proc.，2005年10月26日，第796卷，第431頁至第438頁；LOW ENERGY ANTIPROTON PHYSICS：Eighth International Conference on Low Energy Antiproton Physics(LEAP '05)：DO1：10.1063/1.2130207http：//www.fz-juelich.de/leap05/en/http：//link.aip.org/link/？APCPCS/796/431/1

48‧‧‧減速路脊

50‧‧‧中子產生器

52‧‧‧鍺伽馬偵測器

54‧‧‧屏蔽體

60‧‧‧減速路脊

62‧‧‧減速路脊

70‧‧‧快中子

72‧‧‧被探測物體

74‧‧‧行李箱

76‧‧‧伽馬射線

78‧‧‧備用輪胎

80‧‧‧燃料箱

82‧‧‧熱中子

Claims (27)

1. 一種用於偵測一車輛中之炸彈之方法，其包括：將一車輛行李箱定位在一炸彈偵測系統上方；從該偵測系統發射中子至該車輛之該行李箱中，從該等中子進入該行李箱之一位置至其任意內容物；偵測由該行李箱之任意內容物發射之伽馬射線；分析該等所偵測之伽馬射線用於該等內容物中之炸彈之一指示。
2. 如請求項1之方法，其中該分析提供該等內容物中之氮量之一指示。
3. 如請求項1或2之方法，其中該分析提供該等內容物中之氮、碳及氧量之一指示。
4. 如請求項1或2之方法，其中該分析提供該等內容物中之炸彈之一可能性之一初始判定。
5. 如請求項4之方法，其中該分析回應於炸彈之一可能性之該初始判定提供該等伽馬射線之一更詳細評估以提供炸彈之該存在之一更高可靠性判定。
6. 如請求項5之方法，其中該初始判定僅基於氮之存在，而該更詳細評估搜尋氮、碳及氧之存在。
7. 如請求項1或2之方法，其中該等中子係快中子。
8. 如請求項1或2之方法，其中該等中子經引導以穿透該行李箱中之一燃料箱，藉此熱中子產生且分佈遍及該行李箱，其中其等變得被該等內容物中之任意氮之原子核吸收，導致所偵測之伽馬射線產生。
9. 如請求項1或2之方法，其中該分析之結果被顯示為指示具有或 不具有碳及氧之氮量之一形式以供操作者觀看。
10. 如請求項9之方法，其中該分析之結果提供該等內容物中一炸彈之一存在之可能性之一通行/禁止通行指示。
11. 如請求項1或2之方法，其進一步包含在該偵測步驟中感測伽馬射線發射速率。
12. 如請求項1之方法，其進一步包含應用一兩步驟偵測過程，其包括：分析伽馬射線用於該等內容物中氮之存在之一指示及提供該等內容物中之一炸彈之可能性之一指示；若該可能性之該指示超過一預定值，則除氮外針對碳及氧之存在分析該等伽馬射線以提供一炸彈之存在之一高度可靠判定。
13. 如請求項12之方法，其中該高度可靠判定平均在百分之幾以內為正確。
14. 一種用於執行如先前請求項中任一項之方法之設備，其包括：一中子發射器，較佳為快中子發射器；複數個伽馬射線偵測器；用於屏蔽該發射器及該等偵測器之構件。
15. 如請求項14之設備，其進一步包含具有一隔室之一減速路脊，該減速路脊包含：該發射器；該複數個偵測器；及用於該發射器與該等偵測器之間之該屏蔽構件之空間。
16. 如請求項14或15之設備，其包含用於啟動該發射器及用於提供代表所偵測之伽馬射線之位準之信號之電子。
17. 如請求項14或15之設備，其進一步包含用於顯示所偵測之伽馬 射線所代表之氮之存在及位準之構件。
18. 如請求項14或15之設備，其進一步包含用於顯示該等所偵測之伽馬射線所代表之碳及氧之該存在及該位準之構件。
19. 如請求項14或15之設備，其進一步包含用於基於該等所偵測伽馬射線中之資訊產生一警報之構件，該構件使該車輛保持在適當位置中以進行進一步伽馬射線偵測。
20. 如請求項19之設備，其中該警報基於氮之一位準之該偵測產生。
21. 一種可放置在一可駕駛地面上用於感測一車輛之行李箱中之炸彈之設備，其包括：一第一腔室，其具有一中子發射器；一第二腔室，其具有用於感測由該等所發射中子與該行李箱之內容物之一相互作用形成之伽馬射線之複數個構件；用於在該第一腔室與該第二腔室之間之一位置中將來自該發射器之中子與該感測構件屏蔽之構件。
22. 如請求項21之設備，其為一減速路脊之形式。
23. 如請求項21或22之設備，其進一步包括促進該車輛行李箱保持在該感測設備上方達足以感測該行李箱上之炸彈之存在之一時間週期之構件。
24. 如請求項23之設備，其包括在剛好超過該感測設備之一位置上位於該可駕駛地面上之一進一步減速路脊，其足以將該行李箱穩定定位在該感測設備上方。
25. 如請求項21之設備，其包括用於允許該感測設備在該地面上方行動之構件。
26. 如請求項1或2之方法，其中該定位步驟進一步包含藉由一減速路脊及可移動障礙物之一者或兩者使該車輛暫停之步驟。
27. 如請求項14或21之設備，其進一步包含用於藉由一減速路脊及可移動障礙物之一者或兩者使該車輛暫停之構件。