CN101606083A - 在安全和入口监测方面的粒子检测及其应用 - Google Patents

Abstract

一种用于检测粒子例如μ介子的技术、设备和系统。在一个实施例中，一种监测系统具有带多个漂移单元的宇宙射线产生的带电粒子跟踪器。漂移单元可以是例如铝漂移管，至少可以布置在待扫描的体积的上面和下面以从而跟踪入射和出射的带电粒子例如宇宙射线产生的μ介子，尽管也可检测γ射线。该系统可以选择性地从通过所述体积的带电粒子的多次散射检测占据体积的装置或者材料，例如铁、铅、金和/或钨，并可以从由那里发出的γ射线检测占据体积的任何放射源。如有必要，漂移管可以被密封以去除对气体处理系统的需要。该系统可以被采用来检测在越境处的有载车辆的核威胁物质。

Description

在安全和入口监测方面的粒子检测及其应用

临时申请的交叉引用

本PCT申请要求(1)于2006年10月27日提交的名称为“SYSTEMS，METHODS AND APPARATUS FOR PARTICLE DETECTION ANDANALYSIS AND FIELD DEPLOYMENT OF THE SAME”的美国临时申请No.60/855,064和(2)于2007年6月29日提交的名称为“RADIATIONPORTAL MONITOR SYSTEM AND METHOD”的美国专利申请No.11/771,169的优先权。

上面两个申请公开的内容在此引用作为参考。

关于共有权利的声明

本发明是在由美国能源部授予的合同号DE-AC52-06NA25396下由政府支持的。政府在本发明中具有某些权利。

技术领域

实施例涉及粒子检测、分析和控制领域，更具体地但非排他地，涉及安全和入口监测系统和方法。

背景技术

在主要的美国城市中的核装置爆炸的威胁已经促使针对提供对走私核物质的更稳健的边界监视的研究。

美国的CA93108的Santa Barbara的Suitel的1187Coast Village Road的PMB121的NuclearAge Peace Foundation文档中以Gene R.Kelley的名义的2001年11月的标题为“A Terrorist Threat-The movement of Black MarketNuclear Materials into the United States”的文章概述了专用核物质的偷运问题。Kelly指出运输该这一类型的材料的一些可能性，如下所述：

1)在已形成的毒品和违禁品路线上运输小的良好屏蔽的包裹货物。

2)通过广泛分布的处理者的秘密网络运输以传统方式处于良好屏蔽的小容器中的材料。

3)人员携带少量多次通过美国的漏洞最多的边界。

4)通过设置多个分段点并且在每个点改变外装容器的特征而使用各种分配技术(路线和运输)。

5)将货物与常规递送的合法产品混合。

Kelley总结出检查和识别良好包装的可裂变材料的任务本质上是可怕的，这使得少量情况下进行检测的可能性高度受质疑。

在越境点处的入口监测器的使用对于检测走私核物质来说属于常规方法。在很多情形下，可使用屏蔽来屏蔽核特征。传统的核物质检测器使用高分辨率的γ或者X射线检测器。

未屏蔽的千克量的高浓缩铀可以通过检测来自238U杂质的γ射线以1分钟的计数次数高可靠性地检测出。附图中的图1示出来自用于检测武器级铀(WGU)的高分辨率γ射线检测器的示例性计数数据：分别为未屏蔽的10％的238U和90％的235U，5厘米和2.5厘米的铅屏蔽。图1表明核物质的自我屏蔽如何降低计数率。为了屏蔽威胁商品，需要大约5厘米厚的铅、金、钨或者其它的屏蔽材料。

如图1以及另外的图2和3所表明的，其示出通过利用8MV电子辐射源产生的扇形X射线束模拟汽车差速器中的20千克的铀的X射线照相。这些模拟表明X射线照相可以可视化物体，即使在一些紧密的杂乱的货物中，但是高z物体的肯定性特征会被散落的背景(background)混淆，对于许多货物的穿透不足。

已经注意到前面的情况，构建核装置需要的物质的量较少以及中子和γ射线特征容易被屏蔽而变模糊，使得难于走私核物质建立稳健的边境监测。

发明内容

下面提供对本发明的总结以有利于对用于检测粒子例如μ介子的技术、设备和系统的相关技术特征的理解，其并不意在进行全面的描述。本发明的各方面的全面理解可以通过将整个说明书、权利要求、附图和摘要作为一个整体而获得。

用于检测粒子例如μ介子的技术、设备和系统在各例子中进行描述。在一个实施例中，粒子检测系统被描述为包括：第一组位置敏感带电粒子检测器，其位于目标物体保持区域的第一侧上以测量向物体保持区域入射的带电粒子的位置和方向；第二组位置敏感带电粒子检测器，其位于物体保持区域的与第一侧相对的第二侧上以测量从物体保持区域出射的带电粒子的位置和方向；以及信号处理单元，其可包括例如微处理器以接收来自第一组位置敏感带电粒子检测器的入射的带电粒子的测量信号和来自第二组位置敏感带电粒子检测器的出射的带电粒子的测量信号的数据。该信号处理单元配置以基于测量的带电粒子的入射和出射的位置和方向分析物体保持区域内的材料中的μ介子的散射以获得在物体保持区域内的散射中心的层析成像轮廓或者空间分布。所获得的散射中心的层析成像轮廓或者空间分布可以用于揭示物体保持区域中的存在或者不存在一种或多种物质，例如具有高原子数的材料，包括核物质或者装置。每个位置敏感带电粒子检测器可以以各种构型实施，包括漂移单元，例如充满可由带电粒子电离的气体的漂移管。漂移单元可以布置以允许沿第一方向的至少三个带电粒子位置测量和沿不同于第一方向的第二方向的至少三个带电粒子位置测量。漂移单元可以进一步适于和布置在体积的周围侧上以使得漂移单元形成箱或者四侧面结构。这样的系统可以用于利用自然界的宇宙射线产生的μ介子作为μ介子源从而检测在物体保持区域中的一种或多种物体。例如，该系统可被采用来在越境处检查载物车辆的核威胁物质。

本发明的上述方面以及一个或多个优点现可以如在此描述地实现。

根据一方面，监测系统具有宇宙射线产生的带电粒子跟踪器，其具有多个带电粒子检测器。带电粒子检测器采用漂移单元形式，其可以为例如圆形或者非圆形截面的漂移管或者非管状单元，都配置为使得能够跟踪入射和出射通过待扫描体积的带电粒子，例如宇宙射线产生的μ介子，以及能够检测γ射线。该系统可以选择性地从通过该体积的带电粒子的多次散射检测占据体积的装置或者材料，特别地但非排他地，高密度材料例如铁、铅、金和/或钨，和从由那里发出γ射线检测占据该体积的放射源。

有利地，采用漂移单元作为宇宙射线跟踪器中的带电粒子检测器有效地提供宇宙射线的射线照相设备和γ射线计数器的组合功能以提供用于核威胁的稳健的检测器。这消除对两个单独的仪器的需要。

漂移单元可以是密封的漂移单元，通过消除对气体处理系统的需要进一步降低系统的成本和复杂性。

漂移管的典型的工作气体包括不可燃气体，例如氩气、二氧化碳和四氟甲烷(CF₄)的混合物。

漂移单元可以包括位于体积上面的一组漂移管和位于体积下面的另一组漂移管。每组漂移管可以具有沿第一方向布置的至少三个漂移管和沿第二方向布置的另外至少三个漂移管。第一方向可以垂直于第二方向。

γ射线或者中子源可以布置在系统中以使得能够主动探询占据体积的材料。

根据另一方面，监测系统具有宇宙μ介子跟踪器，其具有在形式漂移单元中的多个μ介子检测器。漂移管可以布置为至少在待扫描的体积之上和之下以使得能够跟踪入射和出射的μ介子并计数γ射线。在使用中，该系统可以选择性地从通过体积的μ介子的多次散射检测占据该体积的放射材料的高密度屏蔽和从由那里发出的γ射线检测占据该体积的放射性材料。

待扫描的体积可以是足够大小的以使得车辆或者货物容器能够占据该体积。有利地，采用漂移管作为μ介子检测器使得系统能够以短的扫描时间对载有乘客的车辆执行被动扫描，而且不存在位于附近本底之上的剂量放射。

根据又另一方面，监测方法包括在待扫描的体积的相对侧上布置多个漂移单元；检测漂移单元入射和出射的宇宙射线产生的带电粒子和任何的γ射线；选择性地从通过该体积的带电粒子的多次散射检测占据该体积的任何材料；和由γ射线检测占据该体积的任何放射源。

布置多个漂移单元可以包括在该体积之上布置一组漂移管的至少三个平面和在该体积之下布置一组漂移管的至少三个平面，并还可包括在二维正交坐标中的每个平面中布置漂移管。

附图说明

在整个单独的视图中类似的标号表示相同或者功能相似的部件，附图结合到说明书中，并构成说明书的一部分，附图还示出本发明，其与本发明的详细描述一起用以解释本发明的原理。

图1示出来自用于检测武器级铀(WGU)的高分辨率γ射线检测器的示例性计算数据：10％的238U，90％的235U，使用来自400gm的238U样品的γ射线信号，分别为没有屏蔽和具有5厘米和2.5厘米的铅屏蔽；

图2和3(现有技术)示出在车辆差速器和扇形束8MV中的铀检测的X射线的射线照相模拟；

图4示出根据一实施例的利用宇宙射线以检测物体的入口监测系统；

图5示出根据另一实施例的利用宇宙射线以检测物体的另一入口监测系统的侧视图；

图6示出根据优选实施例的入口监测系统的详细透视图；

图7示出根据一实施例的配置以检测宇宙射线带电粒子和γ射线的漂移管的一部分的截面视图；

图8和9分别示出采用宇宙射线系统测量1000平方厘米的铀1分钟的典型的试验范围数据和多库仑散射理论结果；

图10是示出表明对于不同物质的理论能量损失率(dE/dx)和辐射长度(X)的表；以及

图11和12示出根据替代实施例的适于并布置以监测车辆和容器中的货物的入口监视系统。

具体实施方式

在这些非限定性例子中讨论的特定值和构型可以改变，并且仅仅是引用来示出本发明的至少一个实施例，并不意在限制本发明的范围。

在本申请中描述的粒子检测系统和方法可以实施以在各种应用中检测某些目标物体或者物质例如核物质的存在并获得这些目标物体的层析成像信息，包括但不限于，在安检点、越境处以及其它场所检测包裹、容器、载物的车辆的核威胁物体，其范围从完全组装好的核武器延伸到少量的高度屏蔽的核物质。在本申请中描述的特征可以用于构造各种粒子检测系统。

例如，粒子检测系统可以包括用于放置待检查的目标的目标保持区域、位于目标保持区域的第一侧上以测量向着目标保持区域入射的μ介子的位置和方向的第一组位置敏感μ介子检测器、位于物体保持区域的与第一侧相对的第二侧上以测量从物体保持区域出射的μ介子的位置和方向的第二组位置敏感μ介子检测器，和信号处理单元，所述信号处理单元可以包括例如微处理器以接收从第一组位置敏感μ介子检测器入射的μ介子的测量信号和从第二组位置敏感μ介子检测器出射的μ介子的测量信号的数据。作为一个例子，第一组和第二组粒子检测器的每一个可以实施为包括布置以允许沿第一方向的至少三个带电粒子位置测量和在不同于第一方向的第二方向的至少三个带电粒子位置测量的漂移管。信号处理单元配置以基于测量的μ介子的入射和出射位置和方向分析物体保持区域内的物质中的μ介子的散射所致的μ介子的散射行为，以获得物体保持区域内的散射中心的层析成像轮廓或者空间分布。获得的散射中心的层析成像轮廓或者空间分布可以用于揭示在物体保持区域中存在或者不存在一个或多个目标物体，例如具有高原子数的材料，包括核物质或装置。每个位置敏感μ介子检测器可以实施为多种构型，包括漂移单元例如漂移管，其通过可以由μ介子电离的气体充注。这样的系统可以用于利用自然的宇宙射线产生的μ介子作为μ介子源，以检测物体保持区域中的一个或多个目标物体。

如在下面特别是示例性实施例中将更详细的解释的，粒子检测系统可以利用漂移管以使得能够跟踪通过一体积的带电粒子例如μ介子以及同时检测中子粒子。但是，本领域技术人员将理解，这种带电粒子检测器可以应用在除了宇宙射线产生的带电粒子跟踪之外的应用中以检测除了宇宙射线产生的带电粒子之外的带电粒子。这些带电粒子检测器可应用到来自任何适当源的任何带电粒子。例如，μ介子可以通过宇宙射线或者来自加速器的低强度的μ介子束产生。

在用于入口监测的应用中，示例性实施例提供使得能够以减低的成本和提高的效率进行稳健的核物质检测的方法。而且，该方法可以提供放射线入口监测器，其能够通过测量潜在的屏蔽的包裹的不存在和放射性特征的不存在二者确定给定的车辆或者货物是否不存在核威胁。

示出在附图中的示例性实施例的入口监测系统采用由漂移管进行的宇宙射线产生的带电粒子跟踪。如在下面将更详细地解释的，入口监测系统利用漂移管以使得能够跟踪通过一体积的带电粒子，例如μ介子，以及检测γ射线。有利地，这些入口监测系统可以有效地提供宇宙射线的射线照相设备和被动或者主动γ射线计数器的组合功能以提供用于核威胁的强奸的检测器。这样就不再需要两个单独的仪器。

宇宙射线层析成像是使用高穿透的宇宙射线产生的μ介子的多次库仑散射以执行物质的非破坏性检查，而无需使用人工放射线。地球被来自深层空间的高能稳定粒子，大部分为质子，不断轰击。这些粒子与上层大气中的原子相互作用以产生包括许多短寿命的介子粒子雨，该介子衰退产生更长寿命的μ介子。μ介子与物质主要通过不具有核相互作用的库仑力而相互作用，并且远比电子更不易辐射。它们仅慢慢地通过电磁相互作用而损失能量。结果，许多宇宙射线产生的μ介子作为高穿透的带电射线到达地球表面。在海平面的μ介子通量为大约每分钟每平方厘米1个μ介子。

随着μ介子移动通过物质，次原子粒子的电荷被库仑散射掉，这扰乱其轨迹。总的偏转取决于多个物质属性，但是主要效果是核子的原子数Z。与构成更普通的目标例如水、塑料、铝和钢的材料相比，轨迹更强地受到产生良好的γ射线屏蔽的物质(例如铅和钨)和专门的核物质(SNM)也就是铀和钚的影响。每个μ介子携带关于其已经穿透的物质的信息，并通过测量多个μ介子的散射，工作人员可以检测这些目标的属性。当材料位于低Z和中等Z的物质中时，具有高原子数Z和高密度的物质可以被检测到和识别出。

来自原子核子的库仑散射随着穿透物质导致带电粒子的非常大量的小角度偏转。Enrico Fermi发现并解决了描述该过程到良好的准确度的迁移等式。结果是轨迹的位移和角度变化的相关高斯分布函数，其取决于物质的密度和原子电荷。分布函数的宽度与粒子动量的倒数和以放射线长度测量的物质实际密度的平方根成正比。进一步的背景可以在公开在Nature(2003)，422,277的K.N Borozdin等人的标题为“Surveillance：Radiographic Imaging with Cosmic Ray Muons”的参考文献中找到。

宇宙射线产生的μ介子可以提供没有在地球本底之上的辐射剂量的信息，并且该宇宙射线产生的μ介子的适当检测可以以对良好屏蔽的物质尤其敏感的方式实施。μ介子检测系统可以配置以基于由目标物体产生的μ介子的散射，执行检查时的目标物体的层析成像。该系统可以配置以执行层析成像以定位散射(RC&LS)。层析成像位置分辨率可以大致表示如下：

Δx＝θ_RMSL    等式1

其中：

θ_RMS＝散射角的均方根(rms)，以及

L＝由检测设备检测的体积的尺寸。

例如，示例性的0.02弧度的均方根散射角和200厘米的设备尺寸，层析成像位置分辨率为0.02×200cm＝4cm。

在一种方法中，角分辨率通过下面的等式基于泊松统计确定：

$\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{\mathrm{\θ}}=\frac{1}{\sqrt{2N}}$ 等式2

其中：

θ＝均方根散射角，

N＝宇宙射线产生的μ介子穿过相关区域的数量。

例如，N＝100的角分辨率(对应10×10平方厘米分辨率)在1分钟的计数后为Δθ＝0.07θ。

参照图10的表，该表示出不同材料的理论能量损失率(dE/dx)和辐射长度(X)。一分钟的计数以6个标准偏差基于铅和铁的不同X值从10立方厘米的铅中分出10立方厘米的铁。

层析成像方法，用以从不同方向进行多个投影构造目标物体的图像或者模型，可以实施在宇宙射线系统中以基于由μ介子提供的数据提供相关体积的离散的层析成像再建。在一些实施例中，Monte Carlo(蒙特卡罗)模拟技术可用于研究应用方法和缩短扫描次数。其它的随机处理方法也可用于实施在本申请中描述的μ介子层析成像。

参照适于检测宇宙射线产生的带电粒子的检测系统的例子，例如如图4-6所示的那些，可以更加易于理解各实施例的粒子检测系统的宇宙射线的射线照相功能。

首先参照图4，其示出利用宇宙射线产生的μ介子来检测目标物体的检测系统，系统1包括位置敏感μ介子检测器7的一组两个或三个平面3，这些平面布置在待成像的体积5上面，从而提供入射μ介子轨迹9的位置和角度(即，三维空间中的方向)。μ介子检测器7配置以测量入射的μ介子轨迹9关于二个不同方向例如在二维正交坐标中沿着X和Y轴的位置和角度。μ介子穿过物体2可位于其中的并取决于占据μ介子通过的体积的物体2而散射到一定程度的体积5。位置敏感μ介子检测器8的另一组两个或更多平面4配置以记录出射的μ介子位置和方向。在检测器7和8中的漂移管布置以允许沿第一方向进行至少三个带电粒子位置测量和沿不同于第一方向并可垂直于第一方向的第二方向进行至少三个带电粒子位置测量。侧面检测器(未示出)可用于检测更多的水平定向的μ介子轨迹。每个μ介子的散射角根据入射和出射测量进行计算。

信号处理单元，例如计算机，设置在系统1中以接收由检测器7检测的入射μ介子的信号和由检测器8检测的出射μ介子的信号的数据。该信号处理单元配置以基于测量的μ介子的入射和出射位置和方向分析体积5中的μ介子的散射以获得反映体积5内的散射强度或者辐射长度的散射密度的层析成像轮廓或者空间分布。所获得的体积5内具有该散射密度的层析成像轮廓或者空间分布可以揭示在体积5中存在或者不存在物体2。图4示出漂移管检测器7和8，其位于体积5的顶部和底部侧面。在一些实施例中，额外的漂移管检测器可以实施在体积5的侧面上以形成箱或者四侧面结构，包裹、车辆或者货物容器可以进入其中以通过系统进行的扫描。

对于图4中的系统1以及本申请中描述的其它系统，通过处理单元进行检查的体积(例如，包裹、容器或者车辆)中的宇宙射线产生的μ介子的测量处理可以包括重新构建带电粒子例如通过体积5的μ介子的轨迹，基于来自检测器7的信号测量入射的μ介子的动量，基于来自检测器8的信号测量出射的μ介子的动量，以及确定体积5的散射密度的空间分布。这些以及其它处理结果可以用于构建层析成像轮廓和测量体积5的多种属性。

例如，通过具有一组漂移单元的检测器的带电粒子的轨迹的重新构建可以包括：(a)获得表示由带电粒子的漂移单元碰撞的识别体以及相应的碰撞时间的碰撞信号；(b)实时归组识别为与通过所述检测器的特定带电粒子的轨迹有关的漂移单元碰撞；(c)初始时推算所述特定带电粒子碰撞漂移单元的时刻的时间零值；(d)基于时间零值、漂移时间转化数据和碰撞时间的推算值，确定漂移半径；(e)使线性轨迹拟合到对应特定时间零值的漂移半径；以及(f)搜索和选取执行用于特定带电粒子的最佳轨迹拟合相关的时间零值，并计算时间零和轨迹参数的误差。基于时间零拟合的这种轨迹的重新构建提供对穿过带电粒子检测器的带电粒子的重新构建的线性轨迹，而不必使用快速检测器(例如具有闪烁器桨的光电倍增管)或者一些其它检测穿过设备的μ介子到非常接近纳秒以提供时间零的快速检测器。

再例如，用于基于来自检测器的信号测量入射或者出射的μ介子动量的处理可以包括，例如，(a)配置多个位置敏感检测器以散射从其通过的带电粒子；(b)测量在位置敏感检测器中的带电粒子的散射，其中测量这一散射包括获得散射带电粒子的至少三个位置测量值；(c)从位置测量值确定带电粒子的至少一个轨迹；以及(d)从至少一个轨迹确定带电粒子的至少一个动量测量。该技术可用于基于带电粒子的轨迹确定带电粒子的动量，而所述轨迹从位置敏感检测器自身中的带电粒子的散射确定，而在检测器中无需使用额外的金属板。

再例如，体积的散射密度的空间分布可以从带电粒子层析成像数据通过以下步骤确定：(a)获得预定的对应通过目标物体体积的带电粒子的散射角度和推算动量的带电粒子层析成像数据；(b)提供用于期望最大化(ML/EM)算法的带电粒子散射的概率分布，该概率分布的基础是统计学的多散射模型；(c)通过使用期望最大化(ML/EM)算法，确定目标物体体积密度的基本上最大可能性推算值；和(d)输出重新构建的目标物体的体积散射密度。重新构建的目标物体体积散射密度可以用于从重新构建的体积密度轮廓识别占据相关体积的物质的存在和/或类型。多种应用包括用于多种本国安全检查应用的宇宙射线产生的μ介子层析成像，其中车辆或者货物可以通过μ介子跟踪器进行扫描。

信号处理单元的层析成像处理部分可以实施在计算机中与检测器7和8相同的位置。可选择地，信号处理单元的层析成像处理部分可以实施在远程计算机中，该远程计算机连接在计算机网络例如私人网络或者公共网络例如因特网上。

这样，宇宙射线产生的μ介子的多次散射可以用于选择性地检测正常货物背景中的高Z材料。有利地，该技术是被动的，并不传递任何在本底之上的辐射剂量，并且可选择高z致密材料。

参照图5，其示出利用宇宙射线以检测目标物体的另一检测系统的侧视图，系统100具有位于样品109上面的两个平面103的μ介子检测器107和位于样品109下面的两个平面104的μ介子检测器108。在系统100中，μ介子检测器的平面由27厘米的空间间隔开。

图6示出另一带电粒子检测器200的详细透视图，其中位置敏感检测器203布置在样品保持器平面211的上面，位置敏感检测器204布置在样品保持器211下面。每组位置敏感检测器包括沿X方向布置的漂移管204的第一双层220和沿Y方向布置的漂移管204的第二双层221。在层220，221的每层中，漂移管204布置为两排，彼此偏移管直径的一半。

漂移管模块204可操作以检测宇宙射线产生的μ介子和γ射线。在图6的系统中，漂移管模块为12英尺长的铝漂移管，其配置以测量沿X和Y坐标方向入射和出射的μ介子轨迹的位置和角度。在检测器中的铝提供明显数量的质量，其中γ射线和高能电子被吸收或者散射。在这些过程中产生的高能电子在漂移管中以更多的高能宇宙射线被检测的相同方式被就地检测。

管可以以不同的方式布置。例如，层不必为彼此成90度，而是可以为较小的非零角度。同样例如，顶层可以为0度，中间层与第一层成45度，第三层与第一层成90度。这将允许在相同的时刻分辨的多条轨迹。

再者，可以采用其它的能够散射通过其的带电粒子并提供总共至少三个单独的位置测量值的位置敏感检测器来替代图6的检测器。需要至少3个位置测量值以使得能够产生由自由参线拟合的线，这样可据此跟踪粒子。

现将描述可操作地耦合到漂移管的数据采集电子元器件212的一个例子。图6的检测器系统200的漂移管连接到各自的电子放大器(未示出)，该电子放大器增大沉积信号的电压(与穿过漂移管的宇宙射线产生的μ介子相关)。对于每个漂移通道，放大的信号通过一件称作鉴别器的电子元器件(如果有碰撞则打开，如果没有碰撞则关闭)被转换为数字信号，其保存碰撞的确切时间。放大器和鉴别器的这一组合是“前端-末端”(front-end)电子元器件。数字信号注册的时间和通道编号通过时间-数字转换器(TDC)如上所述地接近纳秒。每个漂移管具有其自己的前端-末端电子元器件和TDC。

前端-末端电子元器件通过使用由可直接购买的(OTS)部分组成的硬件而搭建。TDC是OTS，并且所述单元由意大利的Caen公司构建。每个TDC单元(CAEN 767B)具有128个输入通道能力(在我们的情形中为漂移管)，并将数字地存储碰撞时间。这些单元具有缓冲器，其可以保持大约32000次碰撞。TDC通过定制的数据采集系统(DAQ)被每秒大约读出5次。TDC位于具有SIS 1100控制器的Versa Module Eurocard VME箱中，其由StruckInnovative Systeme GmbH(SIS)制造，其提供计算机接口。DAQ在个人电脑上运行，具有与SIS 1100连接的光缆以对TDC发指令用于数据传送。一旦碰撞时间和通道数目被读取并进入PC的存储器中，原始数据存储在硬盘驱动器上，但是该数据也可被处理以识别宇宙射线事件。轨迹数据和有关的诊断数据也可存储在硬盘驱动器上。通过图6的系统的数据采集单元或者连接到其上的其它信号处理单元对一体积(例如，包裹、容器或者车辆)中的宇宙射线产生的μ介子进行的测量的处理可以类似于上面对图4的系统解释的那些。例如，对测量进行处理可以重新构建通过该体积的μ介子的轨迹，基于来自检测器的信号测量入射μ介子的动量，基于来自检测器的信号测量出射μ介子的动量，以及确定该体积的散射密度的空间分布。

有利地，系统200可以从宇宙射线产生的μ介子的多次散射选择性地检测占据所述体积的放射性材料的高密度屏蔽，同时还对从放射性材料发出的γ射线进行计数。除了检测高密度材料例如铅、金、钨、铀和钚之外，该系统可以被采用来检测中等密度的材料，例如钢、铁和铜，以及低密度材料，例如水、塑料、混凝土和铝，尽管精度比高密度材料低一些。

图7示出典型的漂移管模块204的一部分的截面视图。在该特定例子中的漂移管模块是圆柱形的并充注有检测器气体例如氩-异丁烷230以使得能够检测宇宙射线产生的带电粒子，例如μ介子。该系统配置以施加大约+2-3kV的正高压到沿着圆柱管的长度延伸的中央阳极金属丝231，该管接地，以使得还存在高压静电场。当带电粒子与气体原子相互作用时，许多电子233从沿着带电粒子的直线路径的那些原子释放通过管的弦。静电场导致电子“串”以向着带正电的阳极金属丝漂移，其通过数据采集电子元器件212的TDCS(时间-数字转换器)以电子方式读出。

尽管图7的示例性实施例的漂移管中检测器气体是氩-异丁烷230，其它工作气体混合物可以是氩/二氧化碳或者氩/异丁烷/二氧化碳，并可以包括碳氢化合物例如甲烷、丙烷、戊烷和类似物。工作气体混合物的例子是10％的甲烷，90％的氩。而且，不可燃气体混合物例如氩-二氧化碳-四氟甲烷(CF₄)可以替代地被用作工作气体。再者，乙烷或者其它的气体可以在气体混合物中采用。例如，5％的乙烷，45％的CF₄和50％的氩气的混合物是适合的不可燃工作气体。除了氩气的惰性气体也可用于气体混合物中。

再者，尽管图7的漂移管是由铝制成，其它材料例如具有内部导电涂层的碳纤维复合材料可以被采用来替代铝。漂移管不必具有圆形截面。例如，漂移管可由具有多个非圆形截面的挤压铝制品制成。

或者，可以采用除了漂移管之外的漂移单元，例如三角形的漂移单元。

图8和9分别示出示例性的用宇宙射线产生的μ介子检测系统测量1000立方厘米的铀1分钟的试验范围数据和多次库仑散射理论结果。这些测量和计算表明带电粒子(μ介子)层析成像比先前用于搜索埃及金字塔的密室的范围射线照相和地质过压测量灵敏很多。

图11示出根据一实施例的适于并布置以监测在入口和越境处车辆和容器中的货物的粒子检测系统300。如将在下面更详细地描述的，粒子检测系统300使用带有多个检测器漂移管303的μ介子层析成像系统，其配置以跟踪由占据体积306的车辆306的货物或者内含物散射的宇宙射线产生的μ介子304，并配置以同时检测从车辆内含物发出的任何中子314。该系统300可被采用来检查在越境处有载车辆的核威胁物体，其可以从完全组装好的核武器到少量的高屏蔽的核物质。系统300可以用于在小于30秒内通过合法车辆，在小于60秒内检测数千克的高浓缩铀(HEU)(屏蔽的或者未屏蔽的)，以及在小于60秒内检测钚或者HEU核装置(屏蔽的或者未屏蔽的)。

有利地，利用漂移管303来被动地计数从车辆306发出的γ辐射312以及跟踪散射的宇宙射线产生的带电粒子304二者使得系统能够在短的扫描时间内执行载有乘客的车辆的被动扫描，并且没有剂量放射。

根据一实施例的操作图11的粒子检测系统(例如入口监测系统)300的方法包括用漂移管303检测入射和出射的宇宙射线产生的带电粒子304以及任何的γ射线312。然后，带电粒子的多次散射被计算以选择性地检测占据体积305的材料，特别是高密度材料。从所述体积发出的γ射线312可以通过数据采集电子元器件计数以检测是否有任何的放射源占据体积305。

在一替代实施例中，设置入口监测系统(未示出)，其与图11的入口监测系统300的相同，除了该系统还包括在设备内的γ射线或者中子源以使得能够主动地而非仅被动地探询车辆，从而提供γ射线计数率(countingrate)的可检测的提高。

图12示出根据另一替代实施例的粒子检测系统(例如入口监测系统)。系统400类似于图11的系统300，因为其配置以被动地计数从车辆发出的γ辐射并跟踪散射的宇宙射线产生的带电粒子404。漂移管检测器阵列403是16英尺长的以使得能够探询卡车405，但也可以是其它长度，取决于扫描的物体。为了获得计数率上的大的提高，可以通过充填处漂移管检测器403增大立体角。而且，该系统配置以使用跟踪残余物404B用于动量测量。

在另一替代实施例中，与图11的系统300相同的入口监测系统具有漂移管，该漂移管被有利地密封以通过消除对气体处理系统的需要进一步降低系统的成本和复杂性。

前述示例性的实施例表明主动或者被动计数与宇宙射线射线照相的组合因此提供用于核威胁的稳健的检测器。传统射线照相本身无法处理包裹内的核物质包装得太小而不能由射线照相辨析的情况。被动计数无法处理由高Z材料屏蔽的材料的情况。所进行的屏蔽使得威胁更能够以射线照相的方式可见并且在许多情况下将材料分散可提高被动特征。这些技术的组合允许通过测量潜在的屏蔽的包裹的不存在和放射线特征的不存在而确定给定的车辆是否有威胁。

在此提出的实施例和例子被呈现以最好地解释本发明及其实际应用，从而使得本领域技术人员能够实施和利用本发明。但是，本领域技术人员将认识到，前面的描述和例子仅仅是为了示例性和举例的目的而呈现的。

本发明的其它变化和修改对于本领域技术人员将是明显的，并且所附权利要求的意图是这样的变化和修改应当被覆盖。

提出的描述并不意在为穷尽的或者限制本发明的范围。根据上面的教导可以进行许多修改和变化，其并不超出权利要求的范围。可以预料到，本发明的使用可以包括具有不同特征的要素。意在的是，本发明的范围由在此所附的权利要求限定，从而在所有的方面给出对等价物的全面的认定。

Claims (24)

1.一种监测系统，包括：

具有多个带电粒子检测器的宇宙射线产生的带电粒子跟踪器，所述带电粒子检测器包括配置以使得能够跟踪通过一待扫描的体积的入射和出射带电粒子和检测γ射线的漂移单元，其中，在使用中，所述系统能够从所述带电粒子的多次散射选择性地检测占据所述体积的任何材料或者装置以及从由此发出的γ射线检测占据所述体积的任何放射源。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述漂移单元包括圆形或者非圆形截面的漂移管，或者非管状的单元。

3.如权利要求1所述的系统，其中，所述漂移单元包括密封的漂移单元。

4.如权利要求1所述的系统，其中，所述漂移单元的工作气体包括不可燃的气体。

5.如权利要求1所述的系统，其中，所述漂移单元包括一组位于所述体积上面的漂移管和另一组位于所述体积下面的漂移管，每组漂移管具有沿第一方向设置的至少三个漂移管和沿第二方向设置的另外至少三个漂移管。

6.如权利要求5所述的系统，其中，所述第一方向大致垂直于所述第二方向。

7.如权利要求6所述的系统，其中，所述带电粒子包括μ介子。

8.如权利要求1所述的系统，其中，所述漂移单元布置以允许沿第一方向进行至少三个带电粒子位置测量和沿不同于所述第一方向的第二方向进行至少三个带电粒子位置测量。

9.如权利要求1所述的系统，还包括布置在所述系统内的γ射线或者中子源从而使得能够主动地探询占据所述体积的材料。

10.一种监测系统，包括：

具有多个μ介子检测器的宇宙射线产生的μ介子层析成像系统，所述μ介子检测器包括至少布置在一待扫描的体积的上面和下面的漂移单元，以使得能够跟踪入射和出射的μ介子以及计数γ射线，其中，在使用中，所述系统包括选择性地从通过所述体积的所述μ介子的多次散射检测占据所述体积的任何高密度屏蔽和根据由此发出的γ射线检测占据所述体积的任何放射性材料。

11.如权利要求10所述的系统，其中，所述漂移单元包括铝漂移单元或者具有内部导电涂层的碳复合材料的漂移单元，其中所述漂移单元包括圆形或者非圆形截面的漂移管，或者非管状的单元。

12.如权利要求11所述的系统，其中，所述漂移管的所述工作气体包括不可燃的气体。

13.如权利要求11所述的系统，其中，所述工作气体包括氩气和选自包括二氧化碳、异丁烷、四氟代甲烷(tetrafluoromethane)和乙烷的组的至少一种气体的混合物。

14.如权利要求11所述的系统，其中，所述漂移管布置在二维正交坐标中的分离的平面中，或者其中所述漂移管布置在非正交平面中。

15.如权利要求10所述的系统，其中，所述体积的尺寸足以使得车辆或者货物容器能够占据所述体积。

16.一种监测方法，包括：

在一待扫描的体积的相对侧上布置多个漂移管；

采用所述漂移管检测入射和出射的宇宙射线产生的带电粒子和任何γ射线；

选择性地从通过所述体积的所述带电粒子的多次散射检测占据所述体积的任何物质；以及

根据所述γ射线的检测来检测占据所述体积的任何放射源。

17.如权利要求16所述的方法，其中，所述漂移管包括圆形或者非圆形截面的漂移管，或者非管状的单元。

18.如权利要求17所述的方法，其中，所述漂移管包括密封的漂移管。

19.如权利要求17所述的方法，其中，布置所述多个漂移管包括在所述体积上方布置漂移管的一组至少三个平面和在所述体积下方布置漂移管的一组至少三个平面。

20.如权利要求16所述的方法，其中，布置所述多个漂移管还包括在双正交坐标中的分离平面内布置所述漂移管或者在非正交平面中布置所述漂移管。

21.一种粒子检测系统，包括：

位于目标物体保持区域的第一侧上的第一组位置敏感带电粒子检测器以测量朝向所述物体保持区域入射的带电粒子的位置和方向；

位于所述物体保持区域的与所述第一侧相对的第二侧上的第二组位置敏感带电粒子检测器以测量从所述物体保持区域出射的带电粒子的位置和方向；以及

信号处理单元，其接收来自所述第一组位置敏感带电粒子检测器的入射带电粒子的测量信号和来自所述第二组位置敏感带电粒子检测器的出射的带电粒子的测量信号的数据，其中所述信号处理单元配置以基于所述带电粒子的测得入射和出射位置和方向分析在所述物体保持区域内的物质中的所述带电粒子的散射以获得在所述物体保持区域内的散射中心的层析成像轮廓或者空间分布。

22.如权利要求21所述的系统，其中，所述漂移单元布置以允许沿第一方向进行至少三个带电粒子的位置测量和沿不同于所述第一方向的第二方向进行至少三个带电粒子的位置测量。

23.如权利要求21所述的系统，其中，所述漂移单元调整于并布置在所述物体保持区域的周围侧上以形成箱或者四侧结构。

24.如权利要求21所述的系统，其中，所述信号处理单元配置以重新构建通过所述物体保持区域的带电粒子的轨迹，基于来自所述第一组位置敏感带电粒子检测器的信号测量入射的带电粒子的动量，基于来自第二组位置敏感带电粒子检测器的信号测量出射的带电粒子的动量，以及获得所述物体保持区域的散射密度的空间分布。

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