用于非侵入性檢測化學元素的方法

專利名稱：用于非侵入性檢測化學元素的方法
技術領域：
本發明涉及一種檢測液體或固體中存在的至少一化學元素的非侵入性檢測方法。本發明適用于，例如，在民事安全(行李檢查、貨物集裝箱等)領域中檢測一種爆裂物(或多種爆裂物)、一種化學武器(或多種化學武器)或一種藥物(或多種藥物)，搜尋禁運品(海關檢查)，掃雷(民事安全及軍事應用)，并且還適用于構成核工業產生的放射性廢棄物的材料鑒別。
背景技術：
關于化學元素的非侵入性檢測已知有多種方法。這些方法中有些是以應用中子測量為基石出。以應用中子測量為基礎的方法當中，有些是通過檢測由熱中子誘發俘獲伽馬射線 (η, γ)來鑒別化學元素，或通過檢測非彈性散射伽馬射線(η，η' Y)，或在快中子所引起的其他反應之后檢測伽馬射線，即(η, ρ)、(η, d)、(η, t)、(η, α)等，來鑒別化學元素。在本說明的其余部分中，“非彈性伽馬射線” 一詞用于所有由快中子誘發的伽馬射線。由于信噪比(在信號為俘獲射線而噪聲為非彈性射線的情況下)在脈沖之間會達到最大值，故使用一脈沖中子發生器來發射中子，在檢測由熱中子誘發的俘獲射線上更為靈敏。此種檢測類型的說明見于美國專利US 6 393 085 Bl。在這個文獻中，也記載了可行的非彈性伽馬射線檢測，這回則是在脈沖期間，但是此方法的檢測靈敏度遠低于使用一伴隨粒子管(TPA) ；TPA能夠讓受檢物體從一中子的飛行時間測量就被空間定位，其原理詳細記載在美國專利申請案US 2007/0241283 Al中。簡言之，每一個中子均與一個α粒子同時發射，并且是往相反方向。檢測α粒子使得中子發射方向得以被確定，而測量α粒子檢測與中子誘發的非彈性Y射線檢測的時間，使得中子飛行時間能夠被確定。因此，就有了一種可供用來對發生交互作用的位置進行3D定位的方法，且因此可用來消除關注區域之外出現的事件，導致相比于脈沖探詢法，信噪比得到大幅改善。然而，由于TPA發射是連續的，故利用此方法來檢測俘獲射線就信噪比而言并不是最佳的。有一個問題在于，這兩種方法，一種以脈沖管為基礎，另一種以TPA為基礎，都不能以最佳的靈敏度同時檢測俘獲射線及非彈性射線，并從而令人滿意地鑒別所有要尋找的元素。一旦完成了第一種方法，即必需再完成第二種方法，以便擴大可檢測元素的范圍，或者，需要改善與通過這兩種方法可以檢測到的那些元素的存在相關的置信水平。因此，一檢測操作的總持續時間相對較長，從安全性來說，是一個大缺點。本發明并沒有這個缺點。

發明內容
實際上，本發明涉及一種通過向一物體發射中子來檢測物體中是否存在一化學元素的方法，其特征在于，向物體發射中子的操作由以下步驟組成首先，連續發射來自一伴隨粒子中子發生器的中子，其次，發射與連續發射的中子疊加的中子脈沖；其中，中子脈沖來自一產生脈沖持續時間T2的中子脈沖的脈沖中子發生器，兩個連續的中子脈沖之間相間隔的間隔時間為T4，且向物體連續發射及脈沖發射中子，產生一俘獲伽馬射線及一非彈性伽馬射線。根據本發明的一附加特征，此方法包括-在將持續時間T2的脈沖間隔開的T4間隔時段內，使用伴隨粒子技術進行非彈性伽馬射線及俘獲伽馬射線的檢測，-在相對于物體的一中子飛行時間段內，以使用伴隨粒子技術的檢測步驟中所檢測到的非彈性伽馬射線及俘獲伽馬射線為基礎，形成一第一伽馬光譜，-在與相對于物體的中子飛行時間段或相對于可能在物體附近的任何其它物體的任何其它中子飛行時間段分離的一時間段內，以使用伴隨粒子技術的檢測步驟中所檢測到的非彈性伽馬射線及俘獲伽馬射線為基礎，形成相對于偶然符合的一隨機背景噪聲譜，-以相對于偶然符合的隨機背景噪聲譜為基礎，在相對于物體的整個時間段，形成一標準化隨機背景噪聲譜，-減去第一伽馬光譜及標準化隨機背景噪聲譜以形成一第二伽馬光譜，及-以第二伽馬光譜及可被檢測出來的參考化學元素之光譜為基礎，搜尋物體中是否存在一化學元素的步驟，以傳送能夠顯示物體中是否存在化學元素的一第一數據項。根據本發明之另一附加特征，此方法還包括-首先在T2脈沖持續時間內，其次在將持續時間T2的脈沖間隔開的T4間隔時間內，使用脈沖中子探詢技術來檢測俘獲伽馬射線及非彈性伽馬射線。-以在T4間隔時間內，使用脈沖中子探詢技術檢測到的俘獲伽馬射線及非彈性伽馬射線為基礎，形成一第三伽馬光譜，-以據第三伽馬光譜為基礎，形成代表化學元素的至少一俘獲線的一第一數據項，-以在T2脈沖持續時間內使用脈沖中子探詢技術檢測到的非彈性射線為基礎，形成由多個能量通道構成的一第四伽馬光譜，-以第四伽馬光譜為基礎，形成一標準化伽馬光譜，其中標準化伽馬光譜是通過將第四伽馬光譜中的每一能量通道的內容乘以一標準化因數F而形成的，標準化因數F與在一 T4間隔時間內所發射的中子數目大致成比例，且與在一 T2持續時間內所發射的中子數目大致成反比，-以標準化伽馬光譜為基礎，形成一代表一非彈性伽馬射線背景噪聲的第二數據項，-第一數據項及第二數據項的減去步驟，-根據減去步驟的結果確認物體中是否存在化學元素的步驟，及-若確認物體中存在化學元素，則實施一附加步驟以確認步驟的結果及相對于化學元素之各個不同的俘獲伽馬射線的加權數據為基礎，傳送一能夠證實或否認化學元素存在的確認結果的第二數據項，其中這些權數是根據與每一條線相關聯的檢測概率及干擾風險得出的。根據本發明的又一附加特征，標準化因數F由以下方程式給出F = (I4xT4) / (Ι2ΧΤ2) Χ [ (1-ΤΜ (Τ4)) / (1-ΤΜ (Τ2))]，其中ΤΜ(Τ4)及ΤΜ(Τ2)分別為，對于在Τ4間隔時間內檢測伽馬射線所產生的電信號進行處理的電子處理單元的一閑置時間，及對于在T2持續時間內檢測伽馬射線所產生的電信號進行處理的電子處理單元的一閑置時間。根據本發明方法的再一附加特征，若第一數據項或第二數據項證實化學元素存在，則一決策步驟會傳送一警示信號。根據本發明的另一附加特征，若證實存在數種化學元素，則其包括一附加步驟計算被證實存在的所有或部分化學元素的相對比例。根據本發明方法的又一附加特征，使用伴隨粒子技術在將T2脈沖持續時間間隔開的T4間隔時間內，對俘獲伽馬射線及非彈性伽馬射線進行的檢測，是由一個優先適合于檢測非彈性伽馬射線的檢測器負責。根據本發明方法的又一附加特征，使用脈沖中子探詢技術，首先在T2脈沖持續時間內，其次在將T2脈沖持續時間間隔開的T4間隔時間內，對俘獲伽馬射線及非彈性伽馬射線進行的檢測，是由一個優先適合于檢測俘獲伽馬射線的檢測器負責。同時使用一連續發射中子的伴隨粒子中子發生器G1，及一發射中子脈沖的脈沖中子發生器G2，對于俘獲射線的檢測明顯不利，這是因為發生器G2的脈沖之間存在剩余的中子發射，而此剩余發射是由于發生器Gl的連續發射所致。此剩余發射確實會降低信噪比 (其中信號為俘獲射線而噪聲為非彈性射線)。有利的是，本發明方法提出用以消除這個缺點的手段。在本發明的范圍內，發生器Gl與G2的組合應用因而能夠在單一采集中，對于由脈沖中子探詢所檢測到的俘獲伽馬射線及由伴隨粒子法所檢測到的非彈性伽馬射線，獲得可用在靈敏度上的測量值。因此，不用增加采集時間，可檢測元素的范圍就擴大了。此外， 對于用這兩種方法可以檢測到的元素而言，檢測的置信水平獲得改善。使用本發明的檢測系統，可以方便地使用中子脈沖周期T的一大部分(典型的是 95%)來同時檢測由熱中子(俘獲)及由快中子(非彈性散射及反應(η，α)、(η, ρ)等) 所誘發的兩種類型的射線。


本發明的其他特征及優點將在參照附圖閱讀一較佳實施例時呈現出來，其中圖1是使用本發明方法的一非侵入性檢測系統的一示意圖；圖2是根據本發明的一中子發射光譜；圖3是本發明之非侵入性檢測方法的一處理周期的步驟；圖4是伴隨粒子技術的一時譜的范例；圖5是圖3中的處理周期中一特殊步驟的基本步驟；圖6是一伽馬光譜中的一伽馬線檢測峰；在所有圖式中，相同的參考數字指示相同的元件。
具體實施例方式圖1是使用本發明方法的一非侵入性檢測系統的示意圖。在可能含有要被檢測的化學元素的物體0周圍是本發明的檢測系統，包括一伴隨粒子中子發生器G1、一脈沖中子發生器G2、兩個檢測器Dl及D2、處理由檢測器Dl及D2產生的信號并使這些信號成形的一電子處理電路Ε、儲存由電子處理電路E所傳送的數據的數據庫氏、B1,化，分別儲存和參考俘獲線及非彈性伽馬射線參考光譜相關的數據的參考數據庫Bkc及Bs，及一電腦C ；電腦C以數據庫B” B。B2、Bec及Bs中所含數據為基礎來計算一個顯示一種(或多種)化學元素或危險產物是否存在的一信號。中子發生器Gl及G2發射中子，其中有些朝向被研究物體的方向。中子發生器Gl 及G2同時運轉(圖2顯示由中子發生器Gl及G2同時發射的中子之發射強度的經時變化)。 一伽馬射線Yl由發生器Gl所發射的中子與被研究物體的交互作用產生，而一伽馬射線 Y2則由發生器G2所發射的中子與被研究物體的交互作用產生。各伽馬射線Yl或Y2可能是一俘獲伽馬射線或一非彈性伽馬射線。各檢測器Dl或D2能夠檢測一俘獲及/或非彈性射線。不過，檢測器Dl優先適用于通過伴隨粒子法來檢測非彈性伽馬射線(檢測器Dl因其檢測效率高且時間分辨率符合要求而被擇定)，而檢測器D2則優先用適于通過脈沖中子探詢法來檢測俘獲伽馬射線(檢測器D2因其能量分辨率符合要求而被擇定)。檢測器Dl為，例如，一高效率的閃爍晶體，檢測器D2為，例如，一高能量分辨率的半導體晶體。圖1描繪的情況是，化合物Xl的核受到來自發生器Gl的一中子的交互作用，誘發一會被檢測器Dl檢測到的射線Y 1射出，且第二化合物X2的核受到來自發生器G2的一中子的交互作用，誘發一會被檢測器D2檢測到的一射線Y2射出。從發生器Gl產生的一中子促使一射線Yl從物體0內發射，這是非彈性類型，故此射線Yl被檢測器Dl檢測到，而， 由發生器G2所發射的一中子因為在物體0中發生多次碰撞而減速，隨后再誘發一俘獲伽馬射線Y2射出，此射線Y2在檢測器D2被檢測到。然而，本發明還涉及所有其他可能的檢測情況，諸如，舉例而言，一特定化學元素的核通過使用雙伽馬射線Yl及Y 2來檢測的情況，或僅由射線Yl及Y2 二者之一來檢測的情況。在氘的一連續光束Fl對一氚靶Tl的作用下，伴隨粒子中子發生器Gl以一種已知的方式發射中子。中子的發射在一 α粒子與一中子同時產生的反應下進行。α粒子由屬于發生器Gl的一位置敏感檢測器L來檢測。位置敏感檢測器L由，例如，一組組裝成矩陣形式的N個基本檢測器dk(k= 1，2，…，N)組成。在N個檢測器中檢測粒子α的基本檢測器dk的資料，使得α粒子的發射方向能夠被精確定位。在本發明的另一實施例中，位置敏感檢測器L并非由一組基本檢測器，而是由一個上面設置著數個傳感器的一單一的傳感器單元組成，然后通過一重心計算來決定α粒子的位置。由于α粒子與中子朝大致相反的方向上射出，故知道α粒子朝哪個方向發射就能夠知道中子朝哪個方向發射。只要檢測器L檢測到一 α粒子，顯示α粒子方向的一信號Sl就被發送到電子電路Ε。信號Sl是一同步信號，其允許電子電路E響應檢測器Dl所傳送的一脈沖。信號Sl還包括一識別中子發射方向的數據項(基本檢測器dk，如果是一矩陣檢測器會檢測α粒子，或者如果是一傳感器單元會定出檢測方位)。根據上述實施例，同步信號Sl由檢測器L傳送。在本發明的另一實施例中，若檢測器Dl已接收到一伽馬射線脈沖，同步信號Sl就由檢測器Dl傳送。在氘的一脈沖光束F2對一氚靶Τ2的作用下，脈沖中子發生器G2以強中子脈沖的形式發射中子。脈沖中子發生器G2還傳送一復制中子脈沖的時間波形的電脈沖信號S2。 信號S2被發送給電子處理電路Ε。信號S2控制電子處理電路E以便，首先，在每一強中子脈沖期間，其次，在兩個連續的強中子脈沖之間，響應并識別由檢測器D2所傳送的脈沖。信號S2還控制電子處理電路E以響應僅在連續的強中子脈沖間由檢測器Dl所傳送的脈沖。實際上，通過伴隨粒子技術的信號采集不能在強中子脈沖發射期間發生，因為這會導致信噪比大幅降低。數據庫Btl將檢測器D2在強中子脈沖期間檢測到的非彈性事件EV0，以寄存在檢測器D2中的能量EO的列表形式儲存起來，這些能量與檢測器D2在伽馬射線的作用下所產生的電脈沖的振幅成比例。在本說明的后續部分，出于簡化的目的，這些能量將被稱為“檢測到的脈沖的能量”。數據庫B1將檢測器D2在強中子脈沖之間檢測到的非彈性及俘獲事件EV1，以檢測器D2在伽馬射線的作用下所產生的脈沖的能量El的列表形式儲存起來。數據庫4將利用伴隨粒子技術，由檢測器Dl在強中子脈沖之間檢測到的剩余的非彈性及俘獲事件EV2儲存起來。如同后面將明確指出的，每一事件EV2包含一組數據，即 一伽馬能量、α粒子與伴生的Y射線檢測的一重合期，及提供α粒子的檢測位置的一數據項。電腦C以儲存在數據庫Bc^B1A2中的數據及儲存在數據庫Βκ。及Bs中的參考數據為基礎來計算警示信號S (警報)，這將在適當的時候參閱圖3予以描述。圖2描繪由中子發生器Gl及G2同時發射的中子的強度I。中子由管Gl連續發射，強度為14，且強中子脈沖由中子發生器G2以周期T發射。在一強中子脈沖期間，管Gl 及G2所發射的中子的總強度，在持續時間Tl (例如等于1 μ s)內從I4變化到I2，在持續時間Τ2 (例如數十微秒)內大致維持在值12，并在大致等于Tl的持續時間Τ3內從I2降至14。 在此之后，一間隔時間Τ4將一強中子脈沖的終點與隨后的強中子脈沖的起點間隔開。由于 Gl及G2管發射中子同時發生的特性，故必須強調的是，不同于脈沖中子探詢領域中的現有技術，強中子脈沖之間，已發射的中子數并不等于零，而是保持在一非零值。在一強中子脈沖的發射持續時間Τ2內，以及間隔開兩個強中子脈沖的間隔時間 Τ4內，同步信號S2使電子電路E處于等待接收由檢測器D2產生的伽馬射線的狀態。若一伽馬射線是在強中子發射的持續時間Τ2的階段被檢測到，則最有可能是由誘發一非彈性伽馬射線的快中子的反應所造成的，而起因于熱中子的可能性則很低。這樣的射線如果被檢測到，則其能量經電子電路E測量然后被優先轉換成一數字數據項的形式。代表以此方式被測量出來的能量的數字數據構成EVO事件(S卩，脈沖能量Ε0)，儲存在數據庫Btl中。若一伽馬射線是在間隔開兩個強中子脈沖的間隔時間Τ4內被檢測到的，則其可能是由一俘獲反應或由一非彈性反應產生的。這樣的射線的能量被電子電路E測量出來然后被優先轉換成一數字數據項的形式。代表以此方式被檢測到的能量的數字數據構成EVl事件(即， 脈沖能量El)，儲存在數據庫B1中。此外，若一 α粒子是在間隔時間Τ4內被檢測到的，則信號Sl會讓電子電路E處于等待檢測器Dl所檢測到的一伽馬射線的狀態。若一伽馬射線與α粒子被同時檢測到， 則伽馬射線的能量被電子電路E測量出來然后被優先轉換成一數字數據項的形式。電子電路E還計算間隔開α粒子檢測與伽馬射線檢測的間隔時間Ta γ。數據庫化以數字數據形式儲存檢測器Dl所檢測到的EV2事件。一 EV2事件收集檢測到的伽馬射線的能量Ε2、間隔時間Ta γ及確認α粒子被位置敏感檢測器L檢測到的位置的一數據項ik。這些事件的一部分是由于俘獲伽馬射線所致。這部分的事件優先從被觀測物體的伽馬光譜中除去，這將在適當的時候參閱圖3予以描述。
在一周期T(T = Τ1+Τ2+Τ3+Τ4)內的所有測量構成一測量周期。在Nm個測量周期， 例如，600000個測量周期，相當于約10分鐘的一總測量持續時間之后，要執行一處理周期。圖3描繪本發明的一處理周期中所實施的不同步驟。一處理周期由電腦C來實施。一處理周期首先包括一組構建光譜的步驟，即-步驟1-由儲存在數據庫Btl中的數據構建一伽馬光譜&，-步驟2-由儲存在數據庫B1中的數據構建一伽馬光譜S1，及-步驟3-由儲存在數據庫化中的數據構建一沒有隨機噪聲的伽馬光譜&；其中步驟3本身由步驟4、步驟5及步驟6組成，步驟4為選擇儲存在數據庫氏中的事件以從這些事件確認哪些是對應于受研究物體的，步驟5是從根據步驟4的結論所選定的事件來構建受研究物體的一原始伽馬光譜&，一連續步驟ei、e2從儲存在數據庫化中的事件形成一標準化的隨機噪聲譜M (η)，而步驟6從原始伽馬光譜&減去標準化的隨機噪聲譜M (η)以形成沒有隨機噪聲的光譜&，其因而僅包括受研究物體中的快中子所誘發的非彈性事件。構建光譜的步驟1、2及3之后是光譜處理步驟，即-步驟7，以光譜&及S1為基礎來搜尋一種化學元素(或多種化學元素)，及-步驟8，以光譜&為基礎來搜尋一種化學元素(或多種化學元素)。光譜處理的步驟7及8，就它們的部分，隨后接著決策步驟9。從儲存的數據構建一個光譜的步驟被理解成，本技術領域中已知的，結合這個數據來構建事件能量的直方圖的步驟。現在將描述以儲存在數據庫化中的數據為基礎來構建沒有隨機噪聲的光譜&的步驟3 ο儲存在數據庫化中的非彈性及俘獲事件EV2僅由發生在中子脈沖之間的事件構成。為此，電子電路E包括根據脈沖發生器G2產生的信號S2，選擇由檢測器Dl在所希望的時段內檢測到的事件的選擇裝置。如上所述，步驟3包括一個選擇數據庫化中所儲存的事件的步驟4。選擇數據庫 4中儲存的事件的步驟4依賴于已知的伴隨粒子技術。此步驟是本技術領域中已知的步驟， 能夠從數據庫4中的所有事件中，確定那些涉及受研究物體的事件。根據以此方式在步驟4中選出的事件，在步驟5中構建出受研究物體的原始伽馬光譜4。就像前述的步驟1及步驟2，步驟5本身也是已知的。步驟5之后的步驟6從光譜 &減去標準化隨機噪聲譜M (η)。標準化隨機噪聲譜M (η)是使用儲存在數據庫化中的光譜數據由連續步驟ei及％構建出來。首先從儲存在數據庫化中的光譜數據形成一隨機噪聲譜M (步驟。，然后從隨機噪聲譜M形成標準化隨機噪聲譜M (n)(步驟e2)。標準化隨機噪聲譜&ι(η)的形成將參考圖4在下文中明確記載。圖4描繪使用伴隨粒子技術所獲得的一時譜的范例。此圖譜體現分隔α粒子檢測與伽馬射線檢測的期間，從這些期間可以推論出中子飛行時間。作為一范例，圖4之圖譜包括，代表偶然符合的噪聲水平b，高于上述的水平形成了峰pl、p2及p3，振幅很低的峰pi 對應于發生器Gl中感生的光子，高振幅的峰p2代表受研究物體的真符合，而中等振幅的峰P3代表非由受研究物體所致的事件。峰p2的時域寬度At是和受研究物體相關的時間間隔。步驟ei包括，例如，在一時間間隔At(Sa)內選擇時譜事件，時間間隔At(Sa)相對于和受研究物體相關的時間間隔是負的，且與和受研究物體相關的時間間隔分離，并且表現在從以此方式被選定的事件來構建由于偶然符合所致的隨機背景噪聲譜Μ。持續時間 At(Sa)最好是大于或等于受研究物體的時間間隔At以獲得更好的統計精度。接著，步驟 %包括使噪聲譜M在受研究物體之時間間隔的寬度At內標準化。標準化因式等于At/ Δt(Sa)。然后，在步驟6中，從未經處理的原始譜&減去根據步驟％所得的標準化光譜 Sa(η) 0得出沒有受研究物體之隨機噪聲的伽馬光譜&。接著，使用一處理演算法從光譜& 尋找一種化學元素(或多種化學元素)的存在，此處理演算法在步驟8 (參閱圖幻中以一已知方式實施。使用一數據庫Bs中所含的一預建列表中所存檔的參考數據來完成一種化學元素(或多種化學元素)的搜尋。數據庫Bs包含可以檢測到的每一種化學元素的完整的光譜數據。不同于檢測器D2，檢測器Dl的能量分辨率并不允許通過射線來進行處理。因此，步驟8對整個光譜&實施一反卷積，以求出每一種存在的元素的相對貢獻。反卷積是用數據庫Bs中所含數據，通過一調整演算法來執行。然后，利用&中的計數總值(nombre total de coups)將與一元素X相關聯的&中的事件分額標準化。其后，利用與之相關聯的方差ο (Fx)計算出元素X在完整光譜中的百分率!V若，例如，以下的不等式被核實，則一元素X即視同檢測到σ (Fx)/Fx <50%使用光譜&及S1來搜尋一種化學元素(或多種化學元素)的步驟7 (參閱圖3) 是用一處理演算法Al來執行。圖5說明由演算法Al執行的基本步驟。演算法Al確定是否存在對應于參考數據庫Βκ。中所存檔的伽馬線的化學元素。演算法Al包括使用光譜&的分析來搜尋非彈性射線的可能的干擾。在一種已知的方式中，所尋找的每一元素X都是由元素X的天然同位素所特有的一組η條能量俘獲伽馬線Ε1Χ，Ε2Χ，…，Enx構成其特征。在本發明的范圍內，存在著對應于要找的元素的俘獲線與要找的元素以外的元素之俘獲線，或與發生器Gl的剩余發射在發生器G2所傳送的強脈沖之間誘發的非彈性線發生干擾的風險。演算法Al的目的是要從與所關注的每一元素X相關聯的譜線的一列表中，選出那些強度夠且受干擾風險低的。演算法Al包括處理光譜S1的步驟ESl、使光譜&標準化的步驟N、處理標準化光譜的步驟ES2、從處理步驟ESl的結果減去處理步驟ES2的結果的減法步驟16、線驗證步驟 17及確定一元素是否存在的步驟18。處理步驟ESl依序包括搜尋峰的步驟10、求出凈面積的步驟11及線檢測的驗證步驟12。這些步驟中的每一個步驟都是本技術領域中已知的。對每一個檢測到的峰而言， 在搜尋峰的步驟10之后隨之以求出峰凈面積A的步驟11。圖6描繪一伽馬譜峰。圖6中所描繪的峰，其凈面積A是超過康普頓背景噪聲水平Bc的峰面積。若一元素X的譜線Exi 的凈面積Asi(Exi)滿足，例如，以下方程式，則譜線Exi視同已在圖譜中被檢測到σ [Asi (Exi) ]/Asi (Exi) < 50%,其中σ [Asi (Exi) ] = [Asi (Exi) +2Bcsl (Exi) ]1/2,且其中 Bcsi (Exi)為與線 Exi 相關聯的康普頓背景噪聲。 這個標準約相當于95 %的置信水平，且可根據所希望的誤警率進行調整。
標準化步驟N的目的是消除光譜&中所含的不想要的成分。這些不想要的成分對應于發生器G2在強脈沖之間的剩余發射所誘發的非彈性射線的峰，這些峰位于一要找的元素的俘獲線Elx，E2X，…，Enx中的一條附近，以致于檢測器D2的能量分離功率無法使非彈性線與俘獲線被區分開。標準化步驟N包括一標準化因數F的計算。標準化因數F與在隔開兩個脈沖的間隔時間T4內所發射的強度I4的中子數目大致成比例，且與在一強度I2 的中子脈沖的持續時間T2內所發射的中子數目大致成反比。因數F因而可，例如，通過以下方程式給出F = (I4XT4) / (Ι2ΧΤ2) Χ [ (1-TM (T4)) / (1-TM (T2))]，其中，TM(T4)及ΤΜ(Τ2)分別為，對于在檢測Τ4間隔時間內檢測到伽馬射線時所產生的電信號進行處理的電子處理單元E的一閑置時間，及對于在檢測Τ2持續時間內檢測到伽馬射線時所產生的電信號進行處理的電子處理單元E的一閑置時間。因數F還可在與一檢查測量條件類似的條件下執行的一校準階段中，通過在Τ2及 Τ4持續時間內測量非彈性伽馬線的強度，全憑經驗取得。接著，用于計算因數F的伽馬線因它們的強度、能量，并且因為不存在與俘獲射線的干擾而被精確地選定。然后，通過將伽馬光譜&的每一個能量通道中存在的計數(nombre de coups)乘以因數F以形成標準化的伽馬光譜&(11)。處理步驟ES2緊接著標準化步驟N而來。處理步驟ES2包括，以本技術領域中已知的一種方式，搜尋標準化光譜&(η)中存在的峰(步驟13)、求出標準化光譜的峰凈面積 AS0(nor) (Exi)(步驟14)，及線檢測的驗證步驟(步驟1 。在步驟16中，從步驟12之后所傳送的線Exi的每個凈俘獲面積Asi (Exi)減去在步驟15之后被傳送的標準化凈面積Asckiot) (Ε。。若在步驟13中未檢測到峰(這是最常出現的情況)，和能量Exi相關的標準化凈面積、‘。^ (Exi)就會被定義成等于零。然后，根據步驟16的結論，獲得一非彈性貢獻的凈面積 Ansi (Exi),即Ansi (Exi) = Asi (Exi) -AS0(nor) (Exi)。若以下關系，例如，被確認，則一元素X的俘獲線在步驟17中被確認σ [Ansi (Exi) ] /Ansl (Exi) < 50 %，其中 σ [Ansi (Exi) ]2 = σ [Asi (Exi) ]2+ σ [AS0(nor) (Exi) ]2 = [Asi (Exi) +2Bcsl (Exi) ] +F2 [Aso (Ex ^+26 (Exi)] 數據庫Bk。包括關于可檢測到的每一條線的加權數據W。一元素X的一條線的加權數據W是，此線被檢測到的概率、此線與來自除元素X以外的元素的相同的線發生干擾的風險，及對應于元素X的線總數，的函數。一特定元素的所有的線的權數總和等于1。步驟18 利用儲存在數據庫Bk中的加權數據W，及根據步驟17的結論所傳送的驗證信息dV (Exi)，針對每一條能量俘獲線Exi,計算出乘以針對元素X所檢測到的線的權數的總和。使用若干條線，且因而不限于使用強度最大的線的作法，使得強度最大的線實際上將由一非尋找對象的元素產生，未預想到可能與這條線發生干擾的風險，可以受到限制。元素X的其他可預期的線盡管可能強度較小，但是仍能夠讓元素的存在獲得確認。原則上，強度最大的線有最高的權數W，除非它與一經常會存在于被探詢物體或其所處環境中的非尋找對象的元素，發生可能已知的干擾。因此，一被尋找元素的每一條線E1X，E2X，…，Enx的權數的確定，是從檢測靈敏度與干擾風險之間的折衷得出。若計算出來的被檢測線之權數總和大于可調整的臨界值S，則一元素X視同被檢測到，S等于，例如，0.5。根據步驟18的結論傳送一個二進制數據項d/以顯示元素X是否已被檢測到。 步驟9 (參閱圖幻是一個決策步驟，使用以根據個別步驟8與7的結論而傳送的數據d/及d/為基礎的演算法A4來執行。若數據項d/及d/其中之一確認化學元素X存在，則根據決策步驟的結論傳送一警示信號S (警報)。若能夠證實或否認化學元素存在的數據元素沒有一個確認其存在，則決策步驟傳送一表示化學元素不存在的信號。就某些非法物質而言，是某些化學元素的比例讓這些物質的存在得以被排除。為此，根據本發明方法的一種改良，是通過對某些受檢測化學元素的相對比例，例如，碳(C)、氮(N)及氧(0)的相對比例進行計算，借而將藥物及爆裂物與同樣含有這些化學元素的無害物質區分開。
權利要求
1.一種通過向一物體發射中子來檢測所述物體中是否存在一化學元素(X)的方法，其特征在于向所述物體發射中子的操作由以下步驟組成首先，連續發射來自一伴隨粒子中子發生器(Gl)的中子，其次，發射與連續發射的中子疊加的中子脈沖，其中所述中子脈沖來自一產生脈沖持續時間T2的中子脈沖的脈沖中子發生器(G2)，兩個連續的中子脈沖之間相間隔的間隔時間為T4，且向所述物體連續發射及脈沖發射中子，產生一俘獲伽馬射線及一非彈性伽馬射線。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于其包括-在將持續時間T2的所述脈沖間隔開的T4間隔時段內，使用伴隨粒子技術進行非彈性伽馬射線及俘獲伽馬射線的檢測，-在相對于所述物體的一中子飛行時間段內，以使用所述伴隨粒子技術的檢測步驟中所檢測到的非彈性伽馬射線及俘獲伽馬射線為基礎，形成(4，幻一第一伽馬光譜(Sb)，-在與相對于所述物體的中子飛行時間段或相對于可能在所述物體附近的任何其它物體的任何其它中子飛行時間段分離的一時間段內，以使用所述伴隨粒子技術的檢測步驟中所檢測到的非彈性伽馬射線及俘獲伽馬射線為基礎，形成(ei)相對于偶然符合的一隨機背景噪聲譜(Sa)，-以相對于偶然符合的隨機背景噪聲譜(Sa)為基礎，在相對于所述物體的整個時間段，形成(e2) —標準化隨機背景噪聲譜(Sa(η))，-減去(6)第一伽馬光譜(Sb)及標準化隨機背景噪聲譜(Sa(η))以形成一第二伽馬光譜(Sn),^-以第二伽馬光譜(Sn)及可被檢測出來的參考化學元素之光譜(Bs)為基礎，搜尋(8) 所述物體中是否存在一化學元素的步驟，以傳送能夠顯示所述物體中是否存在化學元素 ⑴的一第一數據項(d/)。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于其還包括-首先在T2脈沖持續時間內，其次在將持續時間T2的脈沖間隔開的T4間隔時間內，使用所述脈沖中子探詢技術來檢測俘獲伽馬射線及非彈性伽馬射線，-以在T4間隔時間內，使用脈沖中子探詢技術檢測到的俘獲伽馬射線及非彈性伽馬射線為基礎，形成⑵一第三伽馬光譜(S1),-以第三伽馬光譜(S1)為基礎，形成(ESl)代表化學元素(X)的至少一俘獲線(ΕΛ Ε2χ，…，Εηχ)的一第一數據項(Asl(EiX)),-以在Τ2脈沖持續時間內使用所述脈沖中子探詢技術檢測到的非彈性射線為基礎，形成⑴由多個能量通道構成的一第四伽馬光譜(Stl)，-以第四伽馬光譜(Stl)為基礎，形成(N) —標準化伽馬光譜(S(n ))，其中標準化伽馬光譜(Sckiot))是通過將所述第四伽馬光譜中的每一能量通道的內容乘以一標準化因數(F)而形成的，標準化因數(F)與在一 T4間隔時間內所發射的中子數目大致成比例，且與在一 T2 持續時間內所發射的中子數目大致成反比，-以標準化伽馬光譜(Sckiot))為基礎，形成(ES》一代表一非彈性伽馬射線背景噪聲的第二數據項(‘(_)(&))，-第一數據項(Asl(Eix))及第二數據項(Astlnm (ED)的減去步驟(16)， -根據所述減去步驟的結果確認(17)所述物體中是否存在化學元素(X)的步驟，及-若確認所述物體中存在化學元素(X)，則實施一附加步驟(18)以確認步驟(17)的結果及相對于化學元素(X)之各個不同的俘獲伽馬射線的加權數據(W(E1X)，W(E2X)···， W(Enx))為基礎，傳送一能夠證實或否認化學元素(X)存在的確認結果的第二數據項(d/)， 其中這些權數是根據與每一條線相關聯的檢測概率及干擾風險得出的。
4.根據權利要求3所述的方法，其中標準化因數(F)由以下方程式給出F = (Ι4χΤ4) / (Ι2ΧΤ2) Χ [ (1-ΤΜ (Τ4)) / (1-ΤΜ (Τ2))]，其中ΤΜ(Τ4)及ΤΜ(Τ2)分別為，對于在Τ4間隔時間內檢測伽馬射線所產生的電信號進行處理的電子處理單元(E)的一閑置時間，及對于在Τ2持續時間內檢測伽馬射線所產生的電信號進行處理的電子處理單元(E)的一閑置時間。
5.根據權利要求3或4所述的方法，其中若第一數據項(d/)或第二數據項(d/)證實所述化學元素存在，則一決策步驟(9)會傳送一警示信號(S(警報))。
6.根據權利要求5所述的方法，其中若證實存在數種化學元素，則其包括一附加步驟 計算被證實存在的所有或部分化學元素的相對比例。
7.根據權利要求2至6中任一項所述的方法，其中，使用所述伴隨粒子技術在將T2脈沖持續時間間隔開的T4間隔時間內，對俘獲伽馬射線及非彈性伽馬射線進行的檢測，是由一個優先適合于檢測非彈性伽馬射線的檢測器(Dl)負責。
8.根據權利要求3至7中任一項所述的方法，其中，使用所述脈沖中子探詢技術，首先在T2脈沖持續時間內，其次在將T2脈沖持續時間間隔開的T4間隔時間內，對俘獲伽馬射線及非彈性伽馬射線進行的檢測，是由一個優先適合于檢測俘獲伽馬射線的檢測器(D2) 負責。
全文摘要
本發明涉及一種通過向一物體發射中子來檢測物體中是否存在一化學元素的方法，其特征在于，向物體發射中子的操作由以下步驟組成首先，連續發射來自一伴隨粒子中子發生器(G1)的中子，其次，發射與連續發射的中子疊加的中子脈沖；其中，中子脈沖來自一產生脈沖持續時間T2的中子脈沖的脈沖中子發生器(G2)，兩個連續的中子脈沖之間相間隔的間隔時間為T4，且向物體連續發射及脈沖發射中子，產生一俘獲伽馬射線及一非彈性伽馬射線。本發明可應用于民事安全領域中，檢測爆裂物、化學武器等等。
文檔編號G01N23/222GK102246024SQ200980150280
公開日2011年11月16日 申請日期2009年12月14日 優先權日2008年12月15日
發明者貝爾納·珀羅, 賽德瑞·加拉士高 申請人:原子能與替代能源委員會