專利名稱：用于確定材料的平均原子序數和質量的方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及非侵入式掃描領域，具體涉及確定目標或者目標的一部分或多個部分 的平均原子序數和質量的系統和方法，以及獲得對出現在目標或者目標的一部分或多個部分中的某些元素的質量的限制的系統和方法。
背景技術：
用于檢查目標的非侵入式檢查技術的期望特征是快速確定目標材料的原子序數(Z)和密度的能力，以及原子序數和密度的空間分布。尤其是，優選地在低輻射劑量的情況下，平均原子序數和/或質量的三維分布的快速確定是確定目標容器的內容的強大而有用的手段。這個信息可用來確定目標容器(比如，一件行李、集裝箱、貯藏容器、或者用于陸、海或空運的其他容器)包含某種材料的概率，例如高-Z和/或高密度材料。知道目標容器包含這種材料可用來識別威脅。例如，容器內鉛的存在可能表示藏有“臟彈”或其他放射性材料。高Z材料的存在(如鈾)可能發信號告知容器內核武器的存在。此外，質量分布、平均原子序數或兩者的測量可形成系列檢查技術的一部分。例如，經確定與特定Z和密度類別相匹配的目標區域可用作將進一步探查這些區域的其他檢查技術的輸入。這樣的系統可提供下列優點以方便的時間尺度提供威脅確定。用于貨物的非侵入式檢查的技術包括透射輻射(如在X射線成像中)的檢測以此獲得目標貨物容器中密度分布的二維表示。利用散射輻射(如康普頓散射輻射)的二維成像同樣已經被證實。因為二維成像的限制，常常期望獲得三維的密度分布。利用核共振熒光技術的非侵入式掃描同時獲得目標的二維和三維圖像已經在比如“ExplosivesDetection Using Resonance Fluorescence of Bremsstrahlung Radiation，，的美國專利 No. 5，115，459 和“Detection of Explosives and Other Materials Using ResonanceFluorescence, Resonance Absorption, and Other Electromagnetic Processes withBremsstrahlung Radiation”的美國專利No. 5, 420, 905中進行了描述，上述兩個申請的內容通過引用而被結合在此。
發明內容
在這里，提供了用于通過對由光子束的散射產生的散射光子能量譜的測量獲得貨物、集裝箱、行李和其他目標的非侵入式檢查的方法和系統。這里所提供的方法和系統利用了對511KeV湮滅峰值有貢獻的過程或更高次過程，某些過程發生于更高的能量下，其表現為比康普頓或盧瑟福散射這樣的過程更強的Z依賴性。所公開的方法和系統還受益于在超過大多數材料的K邊緣的能量下發生的更大的輻射穿透，從而允許將另外對來自目標深處的信號有影響的光子目標更少的損失。這使得更大和/或更密集的目標的檢查比利用在更低光子能量下操作的系統可能更切實可行。另外，這里所提供的方法可用來更快速地獲得二維和三維的平均原子序數和/或密度以及對高Z材料存在的質量限制、數據以及利用比NRF成像更低的輻射劑量。在一個方面，用于分析目標的體元中的材料的方法包含利用光子束照亮體元；測量在第一能量范圍內和第一測量方向上自體元散射的第一光子數；測量在第二能量范圍內和第二測量方向上自體元散射的第二光子數；確定第一光子數與第二光子數的比率；并且利用該比率確定體元中的材料的平均原子序數。在另外的實施例中，第一能量范圍包括511KeV。在另外的實施例中，第二能量范圍將511KeV排除在外。在其他實施例中，第一方向與第二方向相同。
在另一個方面，用于分析目標的體元中的材料的方法包含利用光子束照亮體元；測量在測量方向上自體元散射的光子的能量譜；確定對第一能量范圍內的能量譜有貢獻的第一光子數；確定對第二能量范圍內的能量譜有貢獻的第二光子數；計算第一光子數與第二光子數的比率；以及利用該比率確定體元中材料的平均原子序數。在另外的實施例中，第一能量范圍包括511KeV。在另外的實施例中，第二能量范圍將511KeV排除在外。在又一個方面，用于分析目標的體元中材料的系統包含用于生成光子束的裝置；被配置成可檢測在第一測量方向上自體元散射的光子的第一能量譜的第一檢測器；以及處理器；其中處理器被配置成可確定具有第一能量范圍內的能量的第一散射光子數與具有第二能量范圍內的能量的第二散射光子數的比率；并且其中處理器還被配置成可確定體元中的平均原子序數。在其他實施例中，用于分析目標的體元中材料的系統還包含第二檢測器，所述第二檢測器被配置成可檢測在第二測量方向上自體元散射的光子的第二能量譜。在另外的實施例中，第一角度與第二角度相同。在另外的實施例中，第一能量范圍包括511KeV。在另外的實施例中，第二能量范圍將511KeV排除在外。在另一個方面，用于分析目標的體元中材料的方法包含利用光子束照亮體元；確定體元上的入射通量；測量自體元散射的光子的至少一個能量譜；利用測得的能量譜確定體元中的平均原子序數；以及利用入射通量、體元中材料的平均原子序數、測得的能量譜、以及與體元相對應的散射核的預定值確定體元中的質量。在另外的實施例中，確定體元中的平均原子序數包含確定對第一能量范圍內至少其中一個能量譜有貢獻的第一光子數；確定對第二能量范圍內至少其中一個能量譜有貢獻的第二光子數；計算第一光子數與第二光子數的比率；以及利用該比率確定體元中材料的平均原子序數。在另外的實施例中，第一能量范圍包括511KeV。在另外的實施例中，第二能量范圍將511KeV排除在外。在又一個方面，分析目標的多個體元中材料的方法包含(a)利用光子束照亮若干體元；(b)針對若干體元的每一個,測量自體元散射的光子的至少一個能量譜；(c)針對若干體元的每一個，利用測得的能量譜確定體元中材料的平均原子序數；以及(d)針對每個體元，(i)確定體元上的入射通量；以及(ii)利用入射通量、體元中材料的平均原子序數、測得的能量譜、以及與體元相對應的散射核的預定值確定體元中的質量。在另外的實施例中，確定若干體元的每一個中的平均原子序數包含確定對第一能量范圍內至少其中一個能量譜有貢獻的第一光子數；確定對第二能量范圍內至少其中一個能量譜有貢獻的第二光子數；計算第一光子數與第二光子數的比率；以及利用該比率確定體元中材料的平均原子序數。在另外的實施例中，第一能量范圍包括511KeV。在另外的實施例中，第二能量范圍將51 IKeV排除在外。在另一個方面，分析目標的多個體元中材料的方法包含(a)利用光子束照亮若干體元；(b)測量自若干體元的每一個散射的光子的至少一個能量譜；(c)利用測得的能量譜確定若干體元的每一個中的平均原子序數；(d)針對每個體元，(i)確定入射到體元上的光子的通量；以及(ii)利用平均原子序數、測得的能量譜、以及散射核的預定值確定體元中的平均質量；(e)利用每個體元中估計的平均質量和平均原子序數計算射出目標的估計的出射通量；測量射出目標的測得的出射通量；計算估計的出射通量和測得的出射通量之間的差異；以及基于估計的出射通量和該出射通量之間的計算的差異來計算對每個體元中估計的平均質量的修正值。在另外的實施例中，計算對每個體元中估計的平均質量的修正值還包含，針對每個體元分配對估計的出射通量和與該體元中估計的平均質量成比例的出 射通量之間的計算的差異的貢獻。在另外的實施例中，計算對每個體元中估計的平均質量的修正值還包含，利用求最小值過程來調節每個體元中估計的平均質量，以使估計的出射通量和該出射通量之間的計算的差異最小。在另外的實施例中，計算對每個體元中估計的平均質量的修正值還包含，調節每個體元中所計算的平均原子序數，以使估計的出射通量和該出射通量之間的計算的差異最小。在又一個方面，分析目標的體元中材料的方法包含(a)利用光子束照亮體元；(b)確定入射到體元上的入射通量；(C)測量自體元散射的光子的至少一個能量譜；(d)通過下列方式確定體元中的質量(i)利用入射通量和測得的能量譜確定體元中的平均原子序數；以及(ii)利用平均原子序數、測得的能量譜、以及散射核的預定值確定體元中的質量；以及(e)利用測得的能量譜和體元中的質量確定體元中出現的所選擇物種質量的上限。在另一個實施例中，確定體元中出現的所選擇物種質量的上限包含評估與選擇的物種對應的第一散射核，以及評估與第二物種對應的第二散射核。在另外的實施例中，確定每個體元中的平均原子序數包含確定對第一能量范圍內的至少其中一個能量譜有貢獻的第一光子數；確定對第二能量范圍內的至少其中一個能量譜有貢獻的第二光子數；計算第一光子數與第二光子束的比率；并且利用該比率確定體元中材料的平均原子序數。在另外的實施例中，第一能量范圍包括511KeV。在另外的實施例中，第二能量范圍將511KeV排除在外。在另一個方面，用于確定目標的體元中平均原子序數的系統包含光子束；用于確定入射到體元上的入射通量的單元；被配置成可觀察目標并被配備成可檢測自體元散射的光子的能量譜的檢測器；以及處理器；其中處理器被配置成可利用能量譜確定體元中的平均原子序數；并且處理器還被配置成可利用入射通量、平均原子序數、能量譜和散射核的預定值確定目標體元中的平均原子質量。在又一個方面，用于分析目標的體元中材料的方法包含利用光子束照亮體元；確定體元上的入射通量；測量自體元散射的光子的至少一個能量譜；確定對第一能量范圍內至少其中一個能量譜有貢獻的第一光子數，第一能量范圍包括511KeV ;確定對第二能量范圍內至少其中一個能量譜有貢獻的第二光子數；計算第一光子數與第二光子數的比率；利用該比率和第一光子數之間的相關性確定體元中可能的平均原子序數和質量。在另外的實施例中，第二能量范圍將51 IKeV排除在外。本公開內容還描述了用于掃描潛在威脅目標的方法和系統。在一個方面，掃描潛在威脅目標的方法包含(a)針對目標中多個體元的每一個(i)利用光子束照亮體元；(ii)測量在測量方向上自體元散射的光子的能量譜；(iii)確定對第一能量范圍內的能量譜有貢獻的第一光子數；(iv)確定對第二能量范圍內的能量譜有貢獻的第二光子數；(V)計算第一光子數與第二光子數的比率；以及(Vi)利用該比率確定體元中材料的平均原子序數；以及(b)利用多個體元的每一個的平均原子序數確定是否觸發進一步的動作。在另外的實施例中，第一能量范圍包括511KeV。在另外的實施例中，第二能量范圍將511KeV排除在外。在另外的實施例中，該方法還包含在輸出裝置上顯示平均原子序數的空間分布。在另外的實施例中，進一步的動作包含通過核共振熒光掃描目標的一部分或通知操作者可能存在可疑的材料。
在另一個方面，掃描潛在威脅目標的方法包含(a)針對目標中多個體兀的每一個(i)利用光子束照亮體元；(ii)測量在第一能量范圍內以及第一測量方向上自體元散射的第一光子數；(iii)測量在第二能量范圍內以及第二測量方向上自體元散射的第二光子數；(iv)確定第一光子數與第二光子數的比率；以及(V)利用該比率確定體元中材料的平均原子序數；以及(b)利用多個體元的每一個中的材料的平均原子序數確定是否觸發進一步的動作。在另外的實施例中，第一能量范圍包括511KeV。在另外的實施例中，第二能量范圍將511KeV排除在外。在另外的實施例中，該方法還包含在輸出裝置上顯示平均原子序數的空間分布。在另外的實施例中，進一步的動作包含通過核共振熒光掃描目標的一部分或通知操作者可能存在可疑的材料。在另一個方面，掃描潛在威脅目標的方法包含(a)針對目標中多個體兀的每一個(i)利用光子束照亮體元；(ii)確定體元上的入射通量；(iii)測量自體元散射的光子的至少一個能量譜；(iv)利用測得的能量譜確定體元中的平均原子序數；以及(V)利用入射通量、體元中材料的平均原子序數、測得的能量譜、以及與體元對應的散射核的預定值確定體元中的質量；利用多個體元的每一個中的質量和平均原子序數確定是否觸發進一步的動作。在又一個方面，用于掃描威脅材料目標的系統包含用于生成光子束的單兀；用于相對于光子束平移目標的單元；被配置成可檢測在測量方向上自目標的至少一個體元散射的光子的至少一個能量譜的至少一個檢測器；以及處理器；其中處理器被配置成可確定具有第一能量范圍內能量的第一散射光子數和具有第二能量范圍內能量的第二散射光子數的比率；處理器還被配置成可確定體元中平均原子序數；處理器還被配置成可利用體元中平均原子序數確定是否觸發進一步的動作。
本發明下面的描述涉及附圖，其中圖I是掃描儀配置的示范實施例的示意圖；圖2是用于確定目標容器的若干體元中平均原子序數和質量的示范設備的細節的不意圖；圖3是自被紙環繞的氧化硼(B2O3)、銅和鉛的目標樣本散射的高能光子的能量分布的曲線圖；圖4說明了作為511KeV和600KeV下散射光子強度的比率的函數的目標樣本的原子序數；以及圖5是針對各種質量和平均原子序數的樣本的、比率R(Z)對511KeV湮滅峰值下計數數目的曲線圖。
具體實施例方式為了提供全面的了解，現在將描述某些說明性實施例；然而，本領域的普通技術人員將會了解，這里所描述的裝置和方法可以被改編和修改以此提供用于其他適當應用的裝 置和方法，并且在沒有偏離這里所描述的系統的范圍的情況下，可進行其他的添加和修改。除非另有說明，所說明的實施例可以理解為提供了某些實施例的變化細節的示范特征并且因此，除非另有說明，在沒有偏離所公開的裝置或方法的情況下，特征、部件、模塊和/或說明的若干方面可以被另外組合、指定、交換和/或重新布置。另外，部件的形狀和尺寸也是示范性的，并且除非另外說明，在沒有偏離所公開的裝置或方法的情況下，可以改變部件的形狀和尺寸。在非侵入式掃描應用的共振散射測量(還稱作核共振熒光或NRF)中使用連續譜光子源(如軔致輻射源)的某些示范系統在美國專利Nos. 5，115，459和5，420, 905中進行了討論。這里所描述的系統和方法可使用利用非共振散射過程測量的類似設備。圖I示出了掃描儀配置的示范實施例的示意圖。該系統包括光子源12，所述光子源12產生具有超過某個能量范圍的能量譜的光子。適當的光子源可包括軔致輻射源；利用來自輻射源的核衰變的康普頓展寬的光子源；相干軔致輻射；自由電子激光器；來自高能電子的激光反向散射器；中子俘獲光子；或本領域的技術人員已知的其他光子源。在圖I說明的實施例中，光子源12可以是軔致輻射源并且可包括提供入射到軔致輻射目標16上的電子束32的電子源14，以此生成軔致輻射光子束34。軔致輻射目標16可以跟隨有束流阻擋器(圖中未說明)，以此阻擋電子32。濾光片52可跟隨束流阻擋器以此根據需要過濾掉來自軔致輻射束34的低能光子。準直器18可以用來準直軔致輻射束34。屏蔽(圖中未說明)可封閉光子源12。示范的適當軔致輻射光子源的描述可以在美國專利No. 5，115，459 中找到。要被掃描的目標20 (如貨物容器、集裝箱、行李、包裹、或其他容器或物體)可以放置到光子束34的路徑上。在一個實施例中，可以比如通過傳送帶使目標移過射束路徑。在另一個實施例中，可以比如通過移動光子源12或操縱電子束32使射束34掃過目標20。實現光子束34在目標容器20上的掃描的其他方式將被本領域的技術人員認可。目標20可包含目標內容22。入射光子束34撞擊目標容器20，并且光子48可以同時自內容22和目標20被散射以及被傳過內容22和目標20。可包括檢測器陣列42的檢測設備38和40可俘獲、測量、計算和/或記錄在給定方向或若干方向上散射的光子的能量。若干示范的適當檢測設備的描述可以在美國專利No. 5，115，459中找到。檢測設備38或40還可包括在每個檢測器的表面上方用來吸收低能光子的濾光片以及屏蔽(圖中未說明)。當自準直孔徑18的散射可導致大量光子朝向檢測設備38或40時，可使用準直器和檢測設備38或40之間的陰影屏蔽(圖中未說明)。可設置束流收集器30以此吸收當射束34穿過目標20時未被吸收的射束34的能量。在允許便利單元進出目標的同時，屏蔽(圖中未說明)可封閉整個裝置。來自檢測設備38或40的數據被發送至處理器46，所述處理器46可分析數據，比如以此確定如下面所描述的選擇的元素的平均原子序數、質量、或質量的上限。數據可以通過預處理電子部件44進行預處理，所述預處理電子部件44可包括前置放大器、濾光片、定時電子部件和/或其他適當的預處理電子部件。(盡管預處理電子部件44在圖中是串聯的，但是它們也可以是與處理器46并聯的。)處理器46還可能適于評估數據以確定目標體積的內容是否滿足或超過一個或多個預定的檢測閾值。例如，處理器46可將每個被照射的目標體積的數據和“正常”目標體積的輪廓進行比較以確定被照射的目標體積是否應當被認為是“可疑的”。另外，可以利用如下所描述的其他威脅檢測試探法對處理器46進行編 程。另外，如下面更詳細的描述，處理器46可以控制光子束、掃描、檢測的各種參數和/或系統的其他方面。檢測設備38和/或40可以被配置成可相對于光子束34以測量角度Θ觀察目標20 (相對于光子束的方向大于90度)。在示范的實施例中，檢測設備40以接近130度的測量角度觀察目標。射束34穿過目標內容22。該射束可以被吸收進射束收集器30，所述射束收集器30被設計成可吸收基本上所有的剩余能量。例如，適用于IOMeV的射束收集器可包括含硼或鋰的含氫材料層、碳層以及在鉛和/或鐵屏蔽中形成的空穴中的鐵層，以此使側邊和檢測器與回流的低能光子隔離。含硼或鋰的含氫材料層可環繞這個屏蔽的外部。這個空穴的深度、射束尺寸、檢測器的定向準直、和檢測器的精確位置是相關的參數，這些相關的參數可以是兼容的以便使從射束收集器進入檢測器的回流光子的數目最小。可以建立附加的陰影屏蔽以此有助于滿足該目標。可以各種方式利用這里所描述的技術來實現掃描。可以通過移動整個光子源12、目標20或僅僅移動孔徑18利用射束掃描行李。還可以通過磁鐵偏轉電子束以此掃過光子束方向。優選的光子束幾何形狀包括斑點(錐形)和條紋。其他適當的掃描配置、幾何形狀和圖案可以被本領域的技術人員認可并且可以被使用。例如，在一個實施例中，如果利用較小的環狀孔徑18使射束34平行準直于接近1/20弧度的平均角度(大約3度)，距孔徑I米的斑點可能是大約IOcm的直徑，這個尺寸適合于使一件行李的內容成像。如果想要更高的分辨率，可能要使用更緊密準直的射束。另一方面，更大的斑點尺寸可能對快速掃描和/或較大的目標來說是優選的。如果利用垂直縫隙孔徑使光子束34準直以此在一件行李的入射點處產生IOcm寬的細條紋，則當比如60cm長的手提箱在傳送帶上移動時可在幾秒鐘內掃描該手提箱。另一方面，還可以通過可調節的準直器或通過用來生成光子束34的電子束32的磁偏轉將光子束34準直成垂直掃描的斑點。即使準直是垂直條紋的形式，中心強度保持最高，從而反射自然準直，并且電子束32的磁偏轉對成像可能是有用的。在其他實施例中，可使用具有除垂直之外的配置的條紋。
另外，在某些實施例中，脈沖光子束可用來提供空間分辨率。在光子源通過具有適當脈沖結構的電子加速器產生的地方，光子脈沖和檢測時間之間的相對時間可用來推斷可能的相互作用點的空間位置。目標20可以概念化地分成若干部分或“若干體元”。每個體元通過光子束34和準直檢測器42的視圖的三維交叉點來定義。在圖I中標識了一個這樣的體元50。處理器46可適于分析通過38和/或40的任何組合中的檢測設備獲得的數據。例如，可以利用屬于“正常”輪廓的質量或原子序數分布的統計信息對處理器46進行編程。明顯偏離這些輪廓的目標體積或體元50或若干體積或體元50的組合可以認為是“可疑的”。處理器46還可適于將數據和所存儲的表示特定威脅類型的較高可能性的輪廓進行比較。例如，如果目標區域示出爆炸物質的顯式元素輪廓或通常用作輻射屏蔽的高密度材料的顯式元素輪廓的話，處理器46可發信號告知這是肯定的威脅檢測事件。該系統可以各種方式 的任何一種對肯定的威脅檢測事件作出響應，包括以更高的分辨率重新掃描該區域、對特殊材料實施不同類型的掃描(如NRF掃描)、顯示目標內容的圖像和/或發信號通知操作 者。因此，所描述的其中自目標20和目標內容22的散射通過檢測器陣列38和/或40中的檢測器42檢測的檢測方法可以用來獲得目標內容22的三維成像。例如，如果依照這里所描述的方法在每個體元50中確定平均原子序數，則這些數據可以根據需要而被重新繪制成顯示平均原子序數的空間分布的目標內容22的三維圖像。同樣地，利用每個體元中的質量測量，整個目標的質量的三維分布可以繪制成圖像。在圖I說明的實施例中，該系統還可包括直接透射檢測器24，如X射線成像器，其可測量作為其中光子束34撞擊目標20的位置的函數(或者，對于軔致輻射源來說，作為其中電子束撞擊軔致輻射目標的位置的函數)的穿過目標20的光子強度和/或能量。這種測量可用來比如獲得沿光子束34的軸投射的、目標20的平均密度圖。這樣，可以繪制目標的透射密度的非常精確的圖像。這種圖像將識別目標中高材料密度的特定區域，其將進一步有助于檢測爆炸或高原子序數材料。(類似的密度成像還可以通過檢測自目標20的向后散射來實現，尤其是在低能量的情況下)。透射檢測器24還可以用來在具有或不具有空間分辨率的情況下測量作為能量的函數的、穿過目標20的總光子通量。圖2進一步示意性地說明了用于完成目標容器的非侵入式檢查的示范系統。光子的準直射束34碰撞目標20。如上所述，這個準直的光子束34可具有所關注能量區域內的連續譜并且可以通過各種機構(如軔致輻射、輻射衰變、或本領域已知的其它單元)來產生。根據設計和控制參數或者通過直接測量或者上述兩者，在碰撞目標之前光子束的強度和能量(“入射通量”F1)是已知的。在一個實施例中，通過在光子束中的位置72處插入通量測量裝置可以測量和/或監測目標20上的入射通量匕。通量測量裝置可以是比如靜電計和/或電離壓力計，其中光子束攜帶光子以光子束34的能量穿過具有已知的相互作用截面的材料。通量測量裝置接著測量光子束與材料相互作用時產生的電流并且輸出優選地作為光子能量的函數的入射通量匕。(如下所述，類似的通量測量裝置74可以出現在目標20的下游，用于測量出射通量)O自目標和/或其內容散射的光子可以在光子檢測器42或光子檢測器陣列38中被檢測，其可以被準直成可觀察目標的特定部分。在該實例中通過光子檢測器觀察的空間體積通過射束的截面面積和沿著檢測器的準直軸的檢測器視圖來確定。(如上所注意到的，通過光子檢測器、光子束34的路徑空間與檢測器42的視場的交叉點看到的目標體積的部分被稱為“體元”，其是目標容器的三維空間的體積單位。可能是不規則的每個體元的精確形狀可以由射束的形狀和幾何結構以及每個檢測器的準直視圖的幾何結構來確定。)在圖2示意性說明的實施例中，檢測器42的陣列38可同時觀察自多個體元(如沿著射束34的體元62、64、66)散射的光子。準直光子檢測器的陣列38可以被在對這里所述方法的概括沒有任何損失的情況下可改變觀察體積的單個光子檢測器(或任何數目的光子檢測器)代替。光子檢測器42測量在相對于入射射束方向測得的測量方向Θ上散射的光子的數目和能量分布。散射進每個檢測器的光子能量譜的比率(或固定時間計算的積分或光子數目)和形狀取決于(i)到達檢測器觀察的體元的入射光子通量的強度和能量分布；(ii)所觀察體元的密度和成分；(iii)相對于入射光子束指向檢測器的角度Θ ；(iv)光子檢測器的效率和能量分辨率；以及(V)體元和檢測器之間的材料的密度和/或成分。圖3說明了被散射光子的能量譜與將要被探測的目標部分的成分的相關性。在圖 3中，自鉛、銅和被多層紙片(如雜志)環繞的B2O3粉末的目標(相對于光子束34的方向)以130度散射的光子的能量譜被示出為類似于入射光子束。圖3中重要的特征是511KeV下正電子湮滅峰值之外的能量的光子能量譜幅度的較大差異。如圖所說明的，湮滅峰值之外的光子強度隨著Z的增加而增加。例如，如圖所說明的，對于鉛(Z = 82)來說，大于511KeV能量的光子能量譜表明其光子強度的量級近似大于其它可比擬的更低Z值散射材料或更大的照射質量的光子強度的量級。低于511KeV峰值的能量的光子能量譜表明了光子強度隨增加的Z的類似增加，并且還可用于下面描述的Z測量技術。然而，在低于大約150KeV的能量下，光子能量譜受控于目標材料和/或可能出現的任何屏蔽材料中的K邊緣效應。這些更低的能量因此對于平均Z測量來說不是理想的。圖3說明的特征是一般性的并且可以在通過利用比如具有大于IMeV的極限能量(end-point energy)的光子韌致福射束照射樣本而獲得的散射光子能量譜中觀察到。正如本領域的技術人員將會了解的，類似的光子能量譜對于各種檢測器幾何形狀來說是可觀察的，包括不限制以相對于入射光子束大于將近90°的視角放置的任何檢測器。如圖3所示的散射光子能量譜具有一般的并且重要的特征，其構成了用于識別高Z材料的快速檢測方案的基礎以相對于軔致輻射束大于將近90度的角度以及以剛好低于軔致輻射束的終點的能量散射的光子能量譜的部分非常依賴于材料的Z值。作為一個實例，鉛樣本呈現的強度量級大于銅的類似質量。這個光子能量譜的特征的Z相關性可以如下面所描述的用于識別和/或映射目標容器的內容的平均原子序數。另外，正如下面將充分描述的，通過下面描述的方法獲得的檢查的目標材料的體元中測得的平均Z值連同測得的絕對散射光子強度可用來確定該體元的總質量。示范方法下面的方面可用來非侵入式檢查目標容器并識別內容的平均Z值。正如在圖I和2中示意性說明的，使光子束34撞擊目標20。可以垂直于目標容器的表面掃描光子束。可以使目標容器以垂直于射束方向并且垂直于掃描方向的方向移過該系統從而允許容器的每一個區域被檢查。如圖2示意性說明的，對于射束的每一個位置，準直檢測器詢問其中射束和檢測器的準直視圖交叉的體元(被檢測器詢問的體元可以相鄰設置；為了清楚說明起見，圖2所說明的體元62、64和66已經被空間分隔)。檢查系統可包括處理器46，利用下面描述的方法對所述處理器46進行編程以此動態分析來自檢測器陣列的數據，從而快速確定被射束照射的每個體元中材料的平均原子序數Z、質量和/或對特定材料的質量的限制。示范的檢查系統可包括數據采集電子部件，用于收集來自光子檢測器的光子數和/或能量分布。另外，還可以利用根據分析收集的數據的結果確定是否采取進一步動作的威脅檢測試探法對處理器進行進一步的編程。這種進一步動作可包括通知潛在威脅的操作者或觸發將要被自動系統或操作者起動和/或引導的進一步測量。例如，可以對該系統編程以此根據具有特定范圍內或超過閾值的平均Z值的材料出現的檢測警告操作者或引導進一步測量。這種進一步測量可包括目標的選擇區域的更高分辨率掃描。進一步測量還可包括利用其它掃描方法(包括NRF成像)掃描目標，用于進一步分析目標或目標一部分的同位素含量。用于確定目標中平均Z值和/或質量分布的示范系統可將相同的檢測器用于
平均Z值和/或質量測量以及該目標的任何附加NRF成像。另一方面，可以提供附加的檢測器組用于另外的成像。正如圖I所說明的，該系統可包括如在美國專利No. 5，115，459和No. 5，420，905中描述的可用于NRF成像的檢測器陣列38和/或40。同樣如圖I所說明的，同樣如在美國專利No. 5，115，459和No. 5，420, 905中描述的，該系統可被配置成利用參考散射器28和檢測器陣列36進行透射NRF檢測。在某些實施例中，處理器46可以被配置成可針對每個體元將平均Z值和/或平均密度以圖形方式繪制到可視顯示器上(如利用顏色或陰影)以此形成容器內容的二維或三維圖像。該處理器還可以被配置成可顯示具有超過某一閾值的平均原子序數的容器的若干區域。平均原子序數的確定體元中材料的平均Z、Sav通過在散射光子的能量譜的兩個能量區域內測得的光子計數的比率于第一近似中被確定。(術語“光子譜”、“能量譜”和“光子能量譜”在整個公開內容中輪流用來指光子能量譜分布或在每個能量通道中檢測到的計數數目。)例如，區域I可包括由目標體元中正電子產生和湮滅生成的511KeV線，并且區域2可包括能量帶，所述能量帶以600KeV開始并且伸向經過編程或進入數據減少系統的某一更高能量限制。更高能量區域可以非常寬；在示范的實施例中，它以600KeV開始并且向上伸展到大約2MeV。在備選的實施例中，如果計數統計適當的話，任何一個或兩個區域可能與單個檢測通道一樣窄。精確的能量限制將通過特定應用的具體要求來確定，并且可能取決于計數統計、檢測器分辨率或者在特定應用中的更高能量通道上獲得的信噪比。將會了解，600KeV是任意限制，并且可以使用將511KeV峰值排除在外的任何能量范圍，盡管如上面所討論的，超過150KeV的能量可能是優選的。實際上，更高能量區域可以通過選擇中心能量并且接著選擇寬度來選擇，以使該區域上的統計波動不再受噪聲的控制。使R(Z)表示區域I中的散射光子強度和區域2中的散射光子強度的比率。在圖4中，針對Z = 92、82、29和 7 (分別是鈾、鉛、銅和被紙環繞的B2O3)情形下近似相等的有效材料質量繪制R(Z)。在圖4中，E1被選擇以使在51 IKeV峰值下R(Z)的分子是整數；E2近似為 600KeV+/-5KeVo
正如從圖4中看到的，R(Z)對原子序數Z的依賴性是十分明顯的。通常，目標中的平均Z值越高，R(Z)的值就越低。比率很大程度上獨立于包含在體元中的材料的總質量。因此，體元中的平均Z值通過下列步驟來確定對在適當選擇的區域I和2的每一個中散射的光子進行計數；計算比率R(Z)并且將結果與R(Z)曲線(如圖4所示的曲線)進行比較。用于這種比較的已知的R(Z)曲線可以通過將已知Z的測試目標放置到射束路徑上并且根據具有Z范圍的若干這樣的測試目標測量R而以經驗方法來確定。另一方面，R(Z)曲線可以通過發生在目標中的相互作用的分析或統計建模來確定。應當注意的是，取決于包括湮滅峰值的間隔E1的大小，在計算比率R(Z)之前，這個能量間隔中光子能量譜的連續部分的減少可能是所期望的。例如，如果檢測器具有較寬的能量分辨率(相對于511KeV峰值的寬度)，間隔El可包括來自光子能量譜的連續部分的貢獻。為了得到湮滅峰值中的標準化計數的精確測量，這些貢獻將被估計并被減去。在示范的實施例中，連續部分的貢獻可以通過平均能量間隔E1的任何一側上的光子能量譜的連續部分來估計。在某些實施例中，區域I中的光子強度可以在不同于區域2中的光子強度的散射 方向上被測量。在這樣的實施例中，兩個區域之一中的光子強度可以在計算比率之前針對測量角度的差異來修正。這個修正可以根據經驗方法、分析方法或通過統計建模來確定以此確定散射光子的角度分布和/或檢測器之間的檢測效率的任何差異。在另一個示范實施例中，如下所述，來自體元的散射光子能量譜可以和自目標的相鄰區域散射的光子一起用來表示高Z材料的存在。一個體元中大量高Z材料的存在可導致射束的強吸收，其又導致入射到射束路徑上體元下游的通量減少。因此，自下游體元散射的光子的能量譜可能表現為信號強度的減小。同樣地，如果高Z材料出現在詢問的體元和檢測器中間(光子束路徑之外)，則自詢問的體元散射的光子可以通過其到達檢測器過程的吸收而被衰減，從而導致來自被詢問體元的信號的減弱。在示范的實施例中，威脅檢測系統可尋找信號衰減中這種空間相關，并且利用它們來同時沿著射束和/或沿著自詢問的體元至檢測器的路徑確定或核實高Z材料的存在。例如，當檢測到這種相關時，它可以警告操作者和/或觸發進一步對目標或目標區域的調查，比如利用NRF成像。質量的確定包含在每個體元中的材料的質量可以通過迭代方法來估計，使用光子數作為輸入，該光子數在超過如600KeV的給定能量(參見圖3)的光子能量譜的連續區域內測得。能量區域的選擇是任意的，并且可以使用提供適當計數統計的任何區域。針對特定應用的最佳能量區域將取決于散射系統的設計細節。特定應用中使用的能量區域可以通過調節參數直至獲得用于質量確定的最大敏感度而根據經驗方法來選擇。另一方面，能量區域可以利用統計建模的方法進行選擇，以此計算估計的最佳值。在這個方法的示范實施例中，被光子束詢問的第一體元中的質量利用入射通量F1來確定，并且接著質量被用來估計入射到射束路徑上的下一個體元的通量，以及沿著射束的再下一個體元的通量等等。參見圖2，該圖示意性地說明了沿著射束路徑自若干體元散射的光子的檢測，其中自第i個體元的、進入方向Θ的、具有落入范圍Ey的能量的光子數Si由下列方程給出方程I :
Si (Ε γ，θ , Zi) = Gi (Ε γ，θ，Zi) FiMi利用方程1，比率R(Z)由下列方程給出方程2 Θ , Zi) = Si (E1, Θ , Zi)/Si (E2, Θ , Zi) = Gi (E1, Θ , Zi)/Gi (E2, Θ，Zi)其中Α(Εγ，Θ ,Zi)是取決于平均Z值(Zi)、測得的光子的能量以及自第i個體元散射的角度Θ的已知因子，Fi是進入第i個體元的總光子通量；以及Mi是包含在第i個體元中的質量。(如果所考慮的體元是被入射射束照射的絕對第一目標體元，則Fi是上面討論的入射通量匕。)如上面所討論的，E1優先包括511KeV下的湮滅峰值，而E2優選地為某一更高能量范圍。同樣如上面所討論的，取決于包括湮滅峰值的間隔E1的大小，這個能量間隔中光子能量譜的連續部分的減少可能是所期望的。
因子Α(Εγ，Θ，Zi)可以根據經驗方法或者通過分析或統計建模來確定。在這里Gi (Εγ, Θ ,Zi)被稱為散射核。對于每cm2的單位總入射通量來說，它表示在測量方向Θ上、自具有原子序數Zi和標準化至I克的質量的材料散射的光子的通量或數目。該核取決于定義入射到第i個體元的通量的形狀的參數。例如，對于軔致輻射源來說，該核取決于用來生成軔致輻射光子的電子束的極限能量。因此，必須針對在任何給定實施例中使用的特定光子源來確定該核。在利用方程I來確定第i個體元中質量Mi的數據減少軟件中，可以將核Gi (Εγ，Θ ,Zi)的數據表或分析表達式提供給處理器。例如，通過在體元i中放置已知Zi和已知Mi的測試目標并且利用若干具有平均Zi范圍的這種測試目標的已知入射光子通量Fi測量Si,從而可以提前根據經驗方法來確定核Gi (Εγ，Θ , Zi) 0利用這樣的測試質量，G測量的校準必須考慮詢問體元的大小。這可以通過比如利用比入射光子束更小的截面面積的測試目標來實現。接著，測試目標的面積密度和測試目標的截面面積的乘積提供了用于校準的被詢問體元的總質量。另一方面，代替直接測量，核匕可以通過發生在目標中并結合檢測器和射束幾何形狀的相互作用的蒙特卡羅建模來確定。或者，核Gi可以通過分析建模或提前或實時地來確定。因此，示范值可以被系統存進數據表或存成分析表達式。不管因子Gi是如何確定和存儲的，它的值在這里將被稱為“預定值”。通常，因子Gi (Εγ，Θ , Zi)結合了散射截面的空間相關性和Z相關性、入射到第i個體元上的光子的能量分布(在使用軔致輻射源時，其取決于用來產生軔致輻射源的電子束的譜)、以及檢測器的幾何形狀。沿射束的每個體元中的平均2值21可以通過比如上面討論的比率方法來確定。利用第一體元中的平均原子序數Z1來評估G1連同測得的自第一體元散射的光子數S1和已知的初始光子通量F1，第一體元中的平均質量M1可以由方程I來確定。由入射光子束同第一體元的內容的相互作用產生的衰減可以根據Z1和M1的提取值來估計，以使可以估計入射到第二體元(沿射束的下一個體元)上的通量F2。利用第二體元中的平均原子序數Z2(例如，利用上面描述的比率方法確定的)來評估G2連同測得的自第一體元散射的光子數S2和估計的入射到第二體元上的光子通量F2，第二體元中的質量M2可以由方程I來確定。可以對處理器進行編程以此針對沿射束的所有體元重復這個計算，從而估計入射到每個體元上的通量Fi,并且利用平均Z值Zi來計算每個體元的質量M”在一個實施例中，值Zi或％或兩者比如通過繪制到可視顯示器上的顏色或陰影或點來表示，以此產生沿射束的質量分布或Z分布的圖像。通過使射束掃過目標并且重復這個過程，可繪制目標內容的3D圖像。在另一個示范實施例中，可以測量容器的出射通量以此提供對質量確定的附加約束。與上述的初始通量F1的測量類似，可以通過在目標下游的射束路徑上放置通量測量裝置來測量出射通量和它的能量譜Fe(E)，如圖2中附圖標記74示意性說明的。另一方面，如圖I示意性說明的，出射通量可以通過射束路徑上其他類型的透射檢測來確定。例如，透射檢測器24可以是X射線成像檢測器，其可提供關于透射通量的空間信息以及總透射通量的測量。作為另一個實例，可以根據利用參考散射器28和檢測器陣列36的透射NRF測量來減少出射通量。出射通量測量可以為如下的質量測量提供附加約束。每個連續體元中質量的逐步導出在具有預測的出射通量P(E)的容器結尾處終止，其中基于入射通量的能量分布和測得的散射光子的能量分布可以預測通量的顯式能量 分布以及總通量。這個通量可以與測得的出射通量Fe(E)進行比較以此修正預測的質量測量。為了開始修正預測的質量分布的示范過程，能量平均的通量差異D(E) =Fe(E)-P(E)可用來按照對原始Zi和Mi的總光子通量的影響改變沿路徑的每個體元的質量。也就是說，按照該體元的衰減與Zi和Mi導出過程中的透射通量的比例，將差異D分配給每個體元。接下來，這個第一級質量分布在求最小值過程中被修改以使入射通量能量分布和出射通量能量分布盡可能地緊密匹配。另外，出射通量的能量譜可以和預測的出射通量P(E)的能量譜進行比較，并且每個目標體元測得的平均Z可以同樣在求最小值過程中被調節，尤其是以此利用隨Z的光子吸收的能量相關的大的變化。在另一個實施例中，體元幾何形狀的若干方面(如直徑或取向)可以被改變以此改進預測的出射通量能量譜和測得的出射通量能量譜之間的比較和/或精煉每個體元中質量的測量。例如，具有原始體元的兩倍面積但是一半厚度的重新定義的體元可包含相同的質量，但是產生非常不同的光子衰減。(在數學上，這在散射核Gi的幾何相關中被俘獲。)這種體元的重新定義可以通過比如改變光子束和/或檢測器的準直來實現。在另外的實施例中，平均原子序數和質量估計中改進的分辨率可以通過計算上面定義的R(Z)和511KeV下的湮滅峰值的標準化強度之間的相關來獲得。這種相關可以通過比如繪制R(Z)對511KeV峰值下累計計數的曲線來獲得。因為這些變量均具有較強的對Z的相關性，并且峰值強度取決于被詢問體元中的質量，這種相關可提供不同原子序數和/或不同質量的物種之間改進的分離。例如，越輕的物種具有相對大的R(Z)(參見圖4)但是湮滅峰值下相對小的計數，而越重的物種具有小的R(Z)和湮滅峰值下更大的計數數目。圖5的曲線說明了這種相關。圖5中的每個點代表不同質量和圖例中標識的不同物種。下面的表I提供了用于圖5中測量的目標質量。表中列示的每個質量對應于圖5中的數據點。對于給定的物種，通過注意標準化湮滅峰值強度(X軸的值)隨增加的質量單調增加，可以使目標質量與它的對應數據點相匹配。因此，比如，O. 54kg的Sn目標對應于圖5中最左邊的Sn點(最低的標準化峰值強度)，并且I. 61kg的Sn目標對應于最右邊的Sn點(最高的標準化峰值強度)。將湮滅峰值下的計數數目用作分子，并且將IOOOKeV附近的+/-5KeV的能量間隔中的計數數目用作分母，來測量并計算圖5的y軸R(Z)。光子源是利用2. SMeV電子束生成的軔致輻射束。
權利要求
1.一種用于分析目標的體元中的材料的方法，所述方法包含 利用光子束照射所述體元； 確定所述體元上的入射通量； 測量自所述體元散射的光子的至少一個能量譜； 利用所述至少一個能量譜確定所述體元中的平均原子序數； 利用所述入射通量、所述體元中的所述材料的平均原子序數、所述至少一個能量譜、以及與所述體元相對應的散射核的預定值確定所述體元中的質量；以及基于所確定的質量生成信號。
2.如權利要求I所述的方法，其中確定所述體元中的平均原子序數包含 確定對第一能量范圍內至少其中一個能量譜有貢獻的第一光子數； 確定對第二能量范圍內至少其中一個能量譜有貢獻的第二光子數； 計算所述第一光子數與所述第二光子數的比率；以及 利用所述比率確定所述體元中的材料的所述平均原子序數。
3.如權利要求2所述的方法，其中所述第一能量范圍包括511KeV。
4.如權利要求3所述的方法，其中所述第二能量范圍將511KeV排除在外。
5.—種分析目標的多個體元中的材料的方法，所述方法包含 (a)利用光子束照射所述多個體元； (b)針對所述多個體元的每一個,測量自所述體元散射的光子的至少一個能量譜； (C)針對所述多個體元的每一個，利用所述至少一個能量譜確定所述體元中的材料的平均原子序數；以及 (d)針對每個體元， (i)確定所述體元上的入射通量；以及 ( )利用所述入射通量、所述體元中的材料的平均原子序數、所述至少一個能量譜、以及與所述體元相對應的散射核的預定值，確定所述體元中的質量；以及 (e)基于所確定的質量生成信號。
6.如權利要求5所述的方法，其中確定若干體元的每一個中的平均原子序數包含 確定對第一能量范圍內至少其中一個能量譜有貢獻的第一光子數； 確定對第二能量范圍內至少其中一個能量譜有貢獻的第二光子數； 計算所述第一光子數與所述第二光子數的比率；以及 利用所述比率確定所述體元中的材料的平均原子序數。
7.如權利要求6所述的方法，其中所述第一能量范圍包括511KeV。
8.如權利要求7所述的方法，其中所述第二能量范圍將51IKeV排除在外。
9.一種分析目標的多個體元中的材料的方法，所述方法包含 (a)利用光子束照射所述若干體元； (b)測量自所述若干體元的每一個散射的光子的至少一個能量譜； (C)利用所述至少一個能量譜確定所述若干體元的每一個中的平均原子序數； (d)針對每個體元， (i)確定入射到所述體元上的光子的通量；以及 ( )利用所述平均原子序數、所述至少一個能量譜、以及散射核的預定值，估計所述體元中的平均質量； (e)利用每個體元中確定的平均原子序數和估計的平均質量，來計算射出所述目標的估計的出射通量； (f)測量射出所述目標的測得的出射通量； (g)計算所述估計的出射通量和所述測得的出射通量之間的差異； (h)基于所述估計的出射通量和所述測得的出射通量之間的所計算的差異，計算每個體元中經修正的所述估計的平均質量；以及 (i)基于經修正的所述估計的平均質量生成信號。·
10.如權利要求9所述的方法，其中計算每個體元中經修正的所述估計的平均質量還包含針對每個體元，分配對計算的差異的貢獻，所述差異是所述估計的出射通量和所述測得的出射通量之間的差異，所述出射通量與所述體元中所述估計的平均質量成比例。
11.如權利要求9所述的方法，其中計算每個體元中經修正的所述估計的平均質量還包含利用求最小值方法來調節每個體元中所述估計的平均質量，以使所述估計的出射通量和所述測得的出射通量之間的計算的差異最小。
12.如權利要求9所述的方法，其中計算每個體元中經修正的所述估計的平均質量還包含調節每個體元中所確定的平均原子序數，以使所述估計的出射通量和所述測得的出射通量之間的計算的差異最小。
13.一種分析目標的體元中的材料的方法，所述方法包含 (a)利用光子束照射所述體元； (b)確定入射到所述體元上的入射通量； (C)測量自所述體元散射的光子的至少一個能量譜； (d)通過下列方式確定所述體元中的質量 (i)利用所述入射通量和所述至少一個能量譜確定所述體元中的平均原子序數；以及 ( )利用所述平均原子序數、所述至少一個能量譜、以及散射核的預定值確定所述體元中的質量； (e)利用所述至少一個能量譜和所述體元中的質量確定所述體元中出現的選擇的物種質量的上限；以及 (f)基于所確定的選擇的物種質量的上限生產信號。
14.如權利要求13所述的方法，其中確定所述體元中出現的選擇的物種質量的上限包含評估與所述選擇的物種對應的第一散射核，以及評估與第二物種對應的第二散射核。
15.如權利要求13所述的方法，其中確定每個體元中的平均原子序數包含 確定對第一能量范圍內的至少其中一個能量譜有貢獻的第一光子數； 確定對第二能量范圍內的至少其中一個能量譜有貢獻的第二光子數； 計算所述第一光子數與所述第二光子束的比率；以及 利用所述比率確定所述體元中的平均原子序數。
16.如權利要求15所述的方法，其中所述第一能量范圍包括511KeV。
17.如權利要求16所述的方法，其中所述第二能量范圍將51IKeV排除在外。
18.一種用于確定目標的體元中的平均原子序數的系統，所述系統包含 用于生成光子束裝置；用于確定入射到所述體元上的入射通量的單元； 檢測器，被配置成可觀察所述目標并被配備成可檢測自所述體元散射的光子的能量譜；以及 處理器；其中 所述處理器被配置成可利用所述能量譜確定所述體元中的所述平均原子序數；以及所述處理器還被配置成可利用所述入射通量、所述平均原子序數、所述能量譜和散射核的預定值確定所述目標體元中的平均原子質量。
全文摘要
本發明涉及用于確定材料的平均原子序數和質量的方法和系統。這里公開了一種針對潛在威脅掃描目標的方法和系統，其利用自目標散射的光子的能量譜確定目標中平均原子序數和/或質量的空間分布。示范的方法包含利用光子束照亮目標的多個體元的每一個；確定入射到每個體元上的入射通量；測量自體元散射的光子的能量譜；利用能量譜確定體元中的平均原子序數；以及利用入射通量、體元中材料的平均原子序數、能量譜、以及與體元對應的散射核確定體元中的質量。示范的系統可基于若干體元的平均原子序數和/或質量利用威脅檢測試探法來確定是否觸發進一步的動作。
文檔編號G01N23/201GK102890095SQ20121033350
公開日2013年1月23日 申請日期2005年7月8日 優先權日2004年7月8日
發明者R.J.勒杜瓦, W.伯托茲 申請人:護照系統公司