CN101151523A - 在用于材料检测和成像的非侵入式集装箱检查中具有核共振荧光的接近单色的和可调谐的光子源 - Google Patents

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CN101151523A CNA2006800102333A CN200680010233A CN101151523A CN 101151523 A CN101151523 A CN 101151523A CN A2006800102333 A CNA2006800102333 A CN A2006800102333A CN 200680010233 A CN200680010233 A CN 200680010233A CN 101151523 A CN101151523 A CN 101151523A
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Abstract

使用核共振荧光物来检测目标样本中潜在的感兴趣物品的方法和系统，利用窄于传统的韧致辐射谱但覆盖感兴趣的元素的核共振的入射光子谱以供检测之用，诸如但不限于，检测在被扫描的行李或集装箱中的危险品。

Description

在用于材料检测和成像的非侵入式集装箱检查中具有核共振荧光的接近单色的和可调谐的光子源
相关申请的相互参考
本专利申请要求由William Bertozzi和Robert J.Ledoux在2005年2月22日提交的、题目为“Use of Nearly Monochromatic And TunablePhoton Sources With Nuclear Resonance Fluorescence In Non-InstrusiveInspection Of Containers For Material Detection And Imaging(在用于材料检测和成像的非侵入式集装箱检查中具有核共振荧光的接近单色的和可调谐的光子源的使用)”的美国临时专利申请No.60/655,043的权益，该专利申请整体地在此引用以供参考。
发明背景
发明领域
本公开内容涉及对材料进行非侵入扫描(诸如，例如在机场、海港或其它运输终端处对爆炸物、核材料、或走私物品的检测)，更特定地，涉及一种使用具有核共振荧光物的接近单色的和可调谐的光子源的方法。
背景信息
几种因素可能干扰或限制用核共振荧光进行非侵入检查集装箱的效率。特别地，非侵入检查会受到一些现象的影响，这些现象取决于被用作为查询光子束的光子频谱。尤其是，这些现象包括：从在光子束中与作为任何感兴趣的子核类非谐振的光子中引起的背景噪声；在被观看的体像素(voxel)中存在的与感兴趣的核类不同的核类的谐振荧光物中引起的背景噪声；从在光子束中与感兴趣的核非谐振的光子引起的辐射曝光；以及由于由多个处理所散射的非谐振光子造成的检测器失效时间。所以，使用具有有限范围的光子能量的光子束，比起使用诸如韧致辐射(bremsstrahlung)束那样的光子束可能更加有利。与使用更窄的频谱光子束来成像相关的某些优点可包括：提高检查的速度；提高检测走私物品的效率；降低假阳性检测事件的比率；和/或减小传递到货物容积的辐射剂量。
使用通过某些单色能量源进行的NRF测量是已经验证过的。例如，美国专利No.5,040,200，Gamma-Gamma Resonance in ActivationAnalysis，and Particularly，its Application to Detection of Nitrogen BasedExplosives in Luggage(激活分析中的伽玛-伽玛谐振及其对于行李中氮基爆炸物的检测的应用)(Ettinger等)，教导通过使用该类别的受激原子的样本来产生光子以便去扫描感兴趣的类别，这些光子是与在该感兴趣的类别中核跃迁相谐振的。这样的源的缺点在于，它们只能用来扫描该感兴趣的单个类别。
发明概要
这里描述用于检测在目标样本中潜在的感兴趣的物品的方法和系统。在一个方面，该方法包括：提供具有能覆盖感兴趣物品中的核共振和窄于韧致辐射辐射的能谱的光子源；用来自该源的光子去照射目标样本；提供至少一个光子检测器，用来测量从至少一部分目标样本在至少一个能量通道上散射的光子强度；以及如果在该至少一个感兴趣能量通道上检测到的光子强度满足预定的感兴趣物品检测准则，则识别感兴趣物品检测事件。
在某些方面，该方法还包括提供至少一个参考散射体，参考散射体包括至少一个感兴趣的核类；允许通过目标样本而被发射的光子从至少一个参考散射体散射；以及提供至少一个光子检测器，用来测量从至少一个参考散射体在至少一个能量通道上散射的光子强度。除了或替代用于测量从至少一部分目标样本所散射的光子强度的光子检测器以外，可以有用于测量从参考散射体所散射的光子强度的光子检测器。如果由用于测量参考散射的光子检测器测量到在至少一个该至少一个感兴趣能量通道上检测到的光子强度满足预定的感兴趣物品的检测准则，则可以识别感兴趣物品检测事件。
在某些方面，源光子可以由电子引起的光子的Compton散射而被生成。源光子频率可加以调谐，而能谱可以通过Compton散射光子能量的角度相关性而从单色或接近单色光子线予以展宽。Compton散射可以是由高能电子造成的激光光子的后向散射。激光光子可以是自由电子激光光子。
在某些方面，源光子可以是由穿过周期性晶格的电子行程生成的相干韧致辐射光子。
在某些方面，源光子可以由核中的粒子引发的反应而生成。在粒子引发的反应后面的核衰变可以产生一个二体最终状态。在粒子引发的反应后面的核衰变可以产生一个三体最终状态。粒子引发的反应可以是中子捕获。
在某些方面，源光子可以是经过吸收体传送的韧致辐射辐射光子，该吸收体有选择地减小韧致辐射谱的低能量部分
在某些方面，可以提供发射检测器，用于测量作为光子照射到目标样本上的位置的函数的发射到目标样本的光子的强度。发射检测器可包括X射线成像器。
附图简述
本发明下面的说明参考附图，其中：
图1显示作为电子能量的函数的各种激光线的最大光子能量；
图2是对于Si晶体被准直为θc～0.5°的发射的韧致辐射的图；
图3(a)显示入射到不同的厚度的金刚石晶体的250MeV的电子的相干韧致辐射谱。相干能量最大值是在60MeV处，以及准直角度约为θc＝0.5θγ；
图3(b)显示入射到不同的厚度的金刚石晶体的250MeV的电子的相干韧致辐射的极化。相干能量最大值是在60MeV处，以及准直角度约为θc＝0.5θγ；
图4显示使用来自Fe(n，γ)的线对于在T1中核共振荧光物的研究；
图5是提供(n，γ)光子的示例性系统的示意性设计；
图6显示来自19Fe(p，αγ)反应的光子的能谱；
图7显示用来在特定的角度“聚焦”散射的Compton散射几何关系；
图8显示各种滤波器对韧致辐射谱的影响；以及
图9是核共振荧光物散射的示意图。
说明性实施例详细说明
为了提供全面了解，现在描述某些说明性实施例；然而，本领域技术人员将会看到，这里描述的设备和方法可被调整和修改，以便提供用于其它适当的应用的设备和方法，以及可以在不背离这里描述的系统的范围的条件下作出其它添加和修改。
除非另外规定，所说明的实施例可被理解为提供某些实施例的变化的细节的示例性特性，所以，除非另外规定，特性、部件、模块和/或说明内容的其它方面可被组合、规定、互换、和/或重新安排，而不背离所公开的设备或方法。另外，部件的形状和尺寸也是示例性的，以及除非另外规定，可以加以改变，而不影响所公开的设备或方法。
示例性扫描方法和设备
入射在目标上的光子束可以在目标中激发出随后会发荧光的核共振或状态。激发光谱和最终得到的发射谱与目标中包含的特定的同位素唯一地相联系。当被能够分辨空间信息的检测器系统或检测器阵列检测时，这些光谱允许测量被包含在所照射的体积内的同位素的空间分布。
在非侵入散射应用中的谐振散射测量(也称为核共振荧光或NRF)中利用韧致辐射源的某些示例性系统在美国专利No.5,115,459Explosives Detection Using Resonance Fluorescence of BremsstrahlungRadiation(使用韧致辐射辐射的谐振荧光的爆炸物检测)和美国专利No.5,420,905 Detection of Explosives and Other Materials UsingResonance Fluorescence，Resonance Absorption，and Other ElectromagneticProcesses with Bremsstrahlung Radiation(使用韧致辐射辐射的谐振荧光、谐振吸收和其它电磁处理的爆炸物和其它材料的检测)中进行讨论，这两个专利的内容在此引用以供参考。
核共振荧光成像(NRFI)扫描仪结构的示例性实施例的示意图显示于图9。
系统10包括光子源12，它产生具有在某些能量范围内的能谱的光子。适用的光子源包括：韧致辐射源；使用放射性源核衰变的Compton展宽的光子源；相干韧致辐射辐射；自由电子激光器；高能电子激光后向散射体；中子捕获的光子；或本领域技术人员已知的其它光子源。正如下面进一步讨论的，NRFI系统可以利用窄带光子源或接近单色的光子源，它们也是可调谐的以便选择对特定扫描应用的感兴趣的能量。
在如图9所示的实施例中，光子源12可以是韧致辐射源，它可包括电子源14，用于提供入射在韧致辐射目标16上的电子束32以生成韧致辐射光子束34。韧致辐射目标16后面跟随着光子束停止器(未示出)，来停止电子32。在光子束停止器后面是滤波器52，用来滤除韧致辐射束34中的低能量光子，或优选地吸收在某些能量区域中相应于NRF线的光子。准直器18可被利用来准直韧致辐射束32。屏蔽罩(未示出)可以包围光子源12。示例性的适用的韧致辐射光子源的描述可以在美国专利No.5,115,459中找到。其它光子源，包括也是可以可调谐的窄带的或接近单色的光子源将在下面描述，并且可以替代图9所示的韧致辐射源。
要扫描的目标20，诸如货物集装箱、运输集装箱、行李、包裹、或其它集装箱或对象，可放置在光子束34的路径上。在一个实施例中，目标可以例如藉助于传送带移动通过光子束的路径。在另一个实施例中，光子束34可以对目标20进行扫描，例如，藉助于移动光子源12或操控电子束32。目标20可以包含目标内容22。使光子束34达到扫描目标集装箱20的其它方法可以由本领域技术人员认识到。入射的光子束34以谐振方式激发目标内容22的核，而光子48可以由内容22和由目标20散射，并且通过内容22和目标20发送。所散射的光子能量由在目标内容22与目标20的核的量化能量状态之间的间隔来表征。在目标内容22中存在的每种同位素以特定的能量组以谐振方式散射光子。
可包括检测器阵列42的检测设备38和40可以获取、测量、计数、和/或记录在给定的一个或多个方向上散射的光子的能量。几个示例性适用的检测设备的描述可以在美国专利No.5,115,459中找到。检测设备38或40还可在每个检测器的面上包括滤波器以吸收低能量光子和进行屏蔽(未示出)。由于来自准直孔径18的散射可以导致大量光子被引导到检测设备38或40，在准直器与检测设备38或40之间可以采用障板屏蔽(未示出)。可以提供光子束库(dump)30来吸收在光子束34通过目标20时没有被吸收的光子束34的能量。屏蔽罩(未示出)可以包围整个设备，而同时允许合适的装置以便让目标进入和退出。来自检测装置38或40的数据被发送到可以分析数据的处理器46。一个分析可以包括确定感兴趣的特定的核类的丰度(abundance)。数据可以由包括预放大器、滤波器、定时电子装置和/或其它适当的预处理电子装置等的预处理电子装置44进行预处理。处理器46可以适合于评估数据以确定目标体积的内容是满足还是超过一个或多个预定的检测阈值。例如，处理器46可以把每个照射的目标体积的数据与“正常的”目标体积的资料相比较以确定照射的目标体积应当被认为是“可疑的”还是感兴趣的物品。另外，处理器46可以用其它威胁(threat)检测探试法来编程，如下面描述的。此外，如下面进一步描述的，处理器46可以控制光子束的各种参数，扫描、检测、和/或系统的其它方面。
为了使得Compton散射和其它散射处理的影响最小化和使得信号噪声比最大化，检测设备38或40可以相对于光子束34成一个角度来放置，该角度相对于光子束的方向大于90度。
光子束34要穿过目标内容22。这个光子束可以在一个被设计成吸收几乎所有剩余能量的光子束库30中被吸收。例如，合适的10MeV光子束库可以在用来屏蔽侧壁和检测器免受后向流动的低能量光子的铅和/或铁的屏蔽罩形成的非常深的空腔中包括包含硼或锂的含水材料层，碳层，和铁层。包含硼或锂的含水材料层可以包围在这个屏蔽罩的外面。这个空腔的深度、光子束尺寸、检测器的方向准直、和检测器的精确位置是相关的参数，它们被做成可兼容的以使得从光子束库进入检测器的后向流动的光子的数目最小化。还可以建立附加的障板屏蔽以帮助满足这个目的。
可以用这里描述的技术以各种方式实现成像。可以通过移动整个光子源12、目标20、或只移动孔径18而使光子束扫描行李。电子束也可以用磁体使其偏转以扫描光子束的方向。优选的光子束几何形状包括点状(圆锥)和条状。其它适当的扫描结构、几何关系、和图案可以由本领域技术人员认识和利用。
例如，如果光子束34通过使用小圆形孔径18被准直到约1/20弧度(约3度)的平均角度，则离孔径1米的光点的跨距约为10cm，这是使一件行李的内容或集装箱20的内容22成像的适当的尺寸。
如果光子束34使用垂直裂隙孔径进行准直，在一件行李的入射点处产生10cm宽的薄条，则当手提箱在传送带上移动时可以在几秒内扫描60cm长的手提箱。替换地，光子束34可以通过可调节的准直器或通过使用来生成光子束34的电子束32磁偏转而被准直成垂直扫描的光点。即使准直具有垂直条状形式，把中心强度保持为最高以反映自然的准直并且使电子束32磁偏转对于成像可能是有用的。如果准直是垂直的条状，或是另一个取向的条状，则条状与检测器42的准直的视图的相交确定了体像素，这对于成像也是有用的。
在另一项技术中，目标集装箱20的大部分可以通过使用大孔径利用来自光子源12的辐射而得到充分照射，以及检测器42可以通过在每个检测器42的正面引用准直器而被调整成为特定方向的。这样，每个检测器可被设计成仅仅检测从目标内容22的一个小的特定区域50在特定方向上散射的光子。每个这样的特定的区域或“体像素”50可被设想为光子束34与准直的检测器42的视线的三维交集。这样的检测器的阵列可被设计为对整个目标20成像到想要的分辨程度。
使用可快速调节的光子束准直孔径18导致一些具有重要优点的另外的实施例。例如，目标20首先可以尽力由来自光子源12的辐射充满，以便检测薄片形式的爆炸物，和/或得到在它的内容中各种元素的丰度的初始估值。准直孔径18然后可以被缩小，以力争使手提箱成像到能检测出定位得更确切的爆炸材料。在一个实施例中，处理器46可以响应于在初始的低分辨率扫描中检测到的任何肯定信号来控制准直孔径18的尺寸。
处理器46可用于分析由检测设备38和/或40的任何组合所得到的数据。就如其它爆炸物检测设备那样，诸如氮和氧那样的元素的分布(profile)，当它们出现在“正常”的目标体积或体像素中时，可由建模或实验来确定。与这些分布有很大不同的目标体积或体像素50或体积或体像素50的组合可被识别为“可疑的”或感兴趣的物品。处理器46可用于把数据与所存储的资料进行比较。如果该分布被精确地确定，则可以达到高的爆炸物检测概率(“检测概率”或“DP”)而同时达到低的虚假报警率(“假阳性”或“FP”)。如果目标的区域显示爆炸物的明显的元素分布，则可以确定威胁识别。
这样描述的由检测器40检测出目标20和目标内容22散射谐振的检测方法，可用来得到目标内容22的三维NRF图像。例如，如果每个检测器40被调整为定向性的(例如，通过准直)，则在每个检测器中检测到的NRF谱提供被包含在每个体像素50中的同位素的测量值，其中每个检测器40的视域与光子束34交集。这些谱如果需要的话，可以按目标内容22的3D同位素图像来重建。因此，上述的检测方法可被称为3D NRF成像。
替换的检测方案也示于图9。这个替换的方案可以提供目标内容22的同位素组成的2D NRF图像。当光子束34传送通过目标20时，光子将被目标内容22的核谐振吸收。吸收的光子的能量相应于在目标20中每个核类的量化能态之间的间隔。对于这些特定的能量，发送的光子束的光子将被耗尽。例如，如果目标包含氮，则相应于氮的核能态之间的间隔的能量的光子将有选择地被吸收。被吸收的光子的量取决于目标20中氮的量。因此，穿过目标而发送的特定能量的光子的强度包含了有关目标的核组成的信息。一系列参考谐振散射体28可以被安排在目标20后面。每个参考散射体28可以由爆炸物检测设备要检测的一个或多个元素组成。检测设备42的阵列36可以用于获取、测量、计数、和记录从每个参考散射体28谐振散射的光子48。例如，在简单的实施例中，提供两个参考散射体，一个是氮的散射体，另一个是氧的散射体。在这样的实施例中，检测设备可以用于检测从氮散射体的核谐振散射的光子，另一个检测设备可以适配于检测从氧散射体的核谐振散射的光子。替换地，单个检测设备42可以用于检测从所有的参考散射体28的核谐振散射的光子。
这种检测方案以如下方式工作。如果在光子束34的路径上没有放置目标20，则光子束直接射到第一参考谐振散射体28。与第一参考谐振散射体相关的检测设备36将检测相应于被包含在第一参考散射体中的核类的相对较大量的光子，因为相应于这样的核类的能量基本上没有得到吸收。同样，如果只包含被包含在第一参考散射体中相对较小量的核类的目标20被放置在光子束的路径上，则在第一检测设备处的这个强信号将仅仅减小一个相对较小的量。然而，如果具有被包含在第一参考散射体中相对较大量的核类的目标20被放置在光子束的路径上，则由于相应于该核类能量的光子的目标20中有谐振吸收，这个信号将很大地减小。
因此，在目标20和它的内容22中感兴趣的核类的丰度在来自与包含该核类的参考散射体相关的检测设备的信号中将被检测到是减小的。与基本上由其组成参考散射体的核类不相应的能量的光子，由于非谐振过程将只有相对较小量的衰减。因此，检测第一参考散射体核类的方法扩展到每个随后的参考散射体。这种检测方案的优点在于，如果相应于两个或多个感兴趣的核类的能量是非常接近的，则直接检测散射的光子的检测设备38或40可能很难区分来自两个或多个核类的作用。然而，使用发送的光子和参考散射体28，就能分别检测相应于每个核类的能量，这种模糊性可明显减小，而检测设备分辨互相靠近光子能量的能力不再是非常重要的。当相应于两个或多个核类的能量互相不干扰时，可以由各核类的组合构成单独的参考散射体。
这种检测方案的另一个优点在于，它可以允许用相对少量的检测器快速测量相应于被包含在参考目标中的核类的核类材料的总量。例如，这可以在更详细地扫描或成像过程开始之前，允许对存在感兴趣的一个或多个核类的任何量对目标20进行快速的第一遍扫描。在这样的快速第一遍扫描显示出感兴趣的核类不存在有威胁数量的场合下，为了节省时间和资源，可以放弃更详细的扫描。
在图9所示的实施例中，系统还可包括一个直接发送检测器24，诸如X射线成像器，它可以测量作为光子束34投射到目标20的位置的函数(或，对于韧致辐射源，作为电子束投射到韧致辐射目标的位置的函数)的被发送到目标20的光子的强度和/或能量。这样的测量值可由在本技术领域的任何学习者用来例如得到沿光子束34的轴投影的目标20的平均强度的图。这样，可以构建目标的发送密度的非常精确的图像。这样的图像将识别目标中高材料密度的特定区域，这可以进一步帮助检测爆炸物或高原子序数的材料。(类似的密度成像也可以通过检测来自目标20的后向散射而达到。)
使用接近单色的和可调谐的光子源
如果使用其光谱窄于完全的韧致辐射谱但又足够宽从而能包括一个以上感兴趣的核类的光子谐振源来执行货物的NRFI扫描，则可以实现前面描述的使用窄带源的某些优点，而允许有效地同时扫描多个核类。在这种源是可调谐的场合下，可以实现更多的优点。替换地，可以使用接近单色但可调谐的源来执行NRFI扫描，该源可以是每次仅仅在一个或几个谱线处谐振。利用这样的源，可以执行感兴趣的一个或几个特定的核类的细致的扫描，而在使用具有宽光谱的光子束诸如韧致辐射束时不会发生来自上述处理的干扰。在这样的源是可调谐的场合下，在执行扫描时，可以选择感兴趣的核类和/或感兴趣的特定的谱线，这将提供窄带源的优点和在单次传送通过系统时扫描许多感兴趣的核类的灵活性。
在一个实施例中，诸如韧致辐射源那样的宽光谱的源可以与窄带、单色或接近单色的、可能是可调谐的源相组合。如果用宽光谱源进行的第一遍扫描认为存在阈值量的感兴趣的特定核类，则用窄带、单色、或接近单色的源可以进行更多的特定扫描。不同类型的源的这样的组合使用可以提高检测概率而同时降低假阳性率。
具有窄带、单色、或接近单色的能谱的光子源
有各种各样的方法可用来生成在核共振荧光中使用的光子，其中光子能量的光谱范围与标准韧致辐射能量分布的范围相比较是有限的。这些光子包括：
1.高能电子引发的光的后向散射，
2.高能电子引发的自由电子激光辐射的后向散射，
3.来自周期晶格的相干韧致辐射，
4.来自在核中的粒子引发的反应的单色或接近单色的光子，
5.来自诸如(p，αγ)，(n，n’αγ)，(p，p’γ)，(α，α’γ)那种反应的单色或接近单色的光子，
6.按照由于电子的COMPTON散射造成的能量的角度相关性来调谐频率和展宽单色或接近单色的光子线的能谱，以及
7.通过选择地使用吸收器而使来自韧致辐射的能谱的范围变窄以便减小相对于较高的能量的部分的光谱的低能量部分相对强度。
1.高能电子引发的激光的后向散射
这个处理过程依赖于电子引发的光子的Compton散射。在用于静止电子的实验室系统中，Compton散射通常减小光子能量，因为电子的弹性碰撞要吸收一部分能量。当电子具有能量时，光子可以从电子获取相当多的能量。如果能量k1的激光光子以相对角度θ1入射到能量E的相对论电子上以及散射体构成相对于电子束方向的角度θ1与相对于进入的光子束方向的角度θ2，则最后的光子的能量是：
k＝k1(1-βcosθ1)/[1-βcosθ+(k1/E)(1-cosθ2)]    1
这里，β是电子速度，以光速c为单位，并且非常接近于1，因为E/mc＝γ＞＞1。对于这里考虑的情形，θ1≌θ2≌180°以及θ＜＜1弧度，光子在窄的圆锥内以后向方向散射，该锥体的轴与进入的电子束一致。忽略对于θ1的弱的相关性，散射的光子能量以下式给出：
k＝Ez/(1+z+x)，                                   2
其中z＝4Ek1/me 2(me＝电子静止质量)和x＝(θγ)2＜＜1。当θ＝0时，得到最大光子能量km。在图1上，显示对于几个例子的散射的光子的最大能量与电子束能量和激光的光子能量的相关性。Review of ComptonScattering Projects(康普顿散射方案评述)；A.D’Alngelo，INFN Roma II，Via della Ricerca Scientifica，1I-00133Rome，Italy。
应当指出，适用于对材料的核共振荧光(NRF)扫描的能量范围可以利用产生约400MeV电子的加速器而达到。这允许例如使用Nd-YagX4激光器产生大于10MeV的光子。较低的光子能量可以使用较低电子能量和/或较低频率的激光器产生。光子能量可调节到包括核中最强NRF状态宽的范围内所需的无论多大的能量。
散射的光子束的能量也由角度确定如公式2所示。低于km的能量可在以电子束方向为中心的θ＞0的圆锥环带中得到。例如，对于能量k/km＝0.5的光子，在使用400Mev和约5.3eV的激光能量时，θ约为1mr。在这种情形下，km＝约为8.42MeV以及光子的能量在1mr下约为4.21Mev。在这个角度区域呈现非常窄的同时，400Mev的加速器具有31.4/γ＝0.04mm-mr的典型的放射，以及1mm光子束呈现仅仅0.04mr的角速度，明显地小于1mr。因此，准直成环带圆锥是可实现的，不会被电子束的角速度破坏。
为了显示光子的能谱，定义以下的量是有用的：
a＝1/(1+z)
ρ＝k/km＝1/(1+ax)：
χ＝ρ2(1+a)2/[1-ρ(1-a)]
cosα＝(1-ρ(1+a))/(1-ρ(1-a))
于是，总的能谱由Compton散射的实验室框架中的截面以这些项来表示：
dσ/dk＝[(2π)(re)2a/km](1+χ+cos2α)；其中re＝2.818fm.
与韧致辐射束相比较，这个谱变化缓慢，并避免了低能量的大量增加，这种增加会对背景和不必要的辐射曝光造成影响。而且，通过适当的准直，光谱的范围可受到限制，而能量可加以调节。
2.来自高能电子的自由电子激光辐射后向散射，
如果使用自由电子激光器，则激光的光子能量由下式给出：
k1＝chkωγ2/(π(1+(aω)2)，
其中kω是波动的波数，以及aω是波动的归一化的rms矢量势。在前一节中讨论的基本上所有概念还得到附加的优点：有可能得到比起传统的激光器更大的强度。用于得到可调节的光子束的这种技术在核物理研究实验室得到验证。Parity Measurement of Nuclear Level Using a Free-Electron-Laser Generated γ-Ray Beam(使用自由电子激光产生的γ射线束的核子级别的均势测量)：A.W.Wright等，Phys.Rev.Lett.，88，1 Jan.7，2002(012502-1).
3.来自周期晶格的相干韧致辐射，
当电子传送通过适当取向的晶格时，从每个晶格的辐射产生相干波，它增强在某些光子能量和特有方向上的光子产量。CoherentBremsstrahlung at Low Energies(低能相干韧致辐射)：A.W.Saenz和H.Uberall，Phys.Rev.B 25，以及A Coherent Bremsstrahlung Beam at theMAX-LAB Facility(在MAX-LAB反应堆上的相干韧致辐射束)，V.V.Denjak，V.B.Ganenko，S.V.Kas’jan，V.L.Morochovskil，I.N.Shapoval，NSC“Kharkov Institute of Physics and Technology”，Kharkov 61108，Ukrain。通常，相干韧致辐射的发射在大约mc2/E0的角度处出现峰值，其中E0是电子能量。相干辐射分布在非常窄的角度区域，最佳角度约为θc～0.5θγ。这些特性通过对于15MeV的电子束能量的理论计算被显示于图2。
在图2上：x＝Eγ/E0，σ0＝Z2(1/137)(e2/mc2)2，τ0＝E0，以及dσ/dx是引导到准直的(对于虚线曲线的未准直的)区域中的光子的总截面。经准直的光谱具有独特的区域，在这些区域中有光子而在这些区域之间强度非常小。通过选择晶格和它的取向，和/或通过调节电子能量，这些几乎是单色光子的区域可被调节到任何所需能量。
在图3a和3b上，显示入射到各种厚度的金刚石晶体的230Mev电子束的预期的光子谱和相干的韧致辐射的极化。
图3a的横坐标是相干和非相干辐射之和对非相干辐射的比值。这在下面的表1中被称为β，该表展示出在各种光子强度下观察到的强度和极化。这些图和带有注解的表1取自J.O.Adler等，Report 01/01LUNFD6/(NFFR-3086)/1-31/2001，它报告那里的实验测量值的细节。
表1.CB束的预期的强度和极化(见文本)
  Eγ，MeV   20   40   60   80   100
  Iin，106γ/MeV/s   3.42   1.58   1.00   0.69   0.52
  βmax   4.25   3.5   2.66   2.16   2.04
  Icoh+Iin，106γ/MeV/s   14.5   5.53   2.66   1.49   1.06
  Pγ，％   75   69   58   48   38
这些计算结果和实验工作显示在不大于40na的光子束电流时在106-107光子/MeV的范围下接近单色的光子通量。由这个过程生成的光子束是高度准直并可调节的。
4.来自在核中的粒子引发的反应的单色的光子
当热中子或低能量中子在核中被俘获时，光子发射可能性的概率非常大。通常，存在许多可得到的光子衰变状态，并可生成许多光子线。这些光子能与其它感兴趣的核的激发状态发生谐振，或它们可以足够接近谐振，从而对于核共振荧光有很大的截面。对于丰富的中子源，从中子俘获发射的光子可以是强大的源以供在所含材料的元素内容检测时由核共振荧光使用。
中子捕获过程成功地用于来提供单色或接近单色的光子束用于NRF的核研究。R.Moreh，S.Shlomo，和A.Wolf，Phys.Rev.C2，3 1970(1144)和其中的文献，B.Arad，G.Ben-David，Rev.Mod.Phys.45，2，1973(230)和其中的文献。例如，对于具有1013/sec/cm2的热中子通量的反应堆，10公斤的铁产生在离铁目标5米处具有约108/sec/cm2的通量的7.632MeV光子。线的形状在铁目标的情形下是由具有4-8eV的宽度的热的和零点能量多卜勒展宽给出的。使用由Fe(n，γ)创建的线研究T1中的核状态的例子在图4上给出。R.Moreh和A.Wolf，Phys.Rev.182，4，19659(1236)。在所示例子中，来自T1的散射角是150度以及检测器是47cm3的Ge(Li)。
对于具有强的热中子捕获截面和许多光子线的各种核，有可能发现处在在核中许多激发的有效范围内的光子能量，它们是从4到20eV经多卜勒展宽的，这取决于核结构和核质量。
(n，γ)源优于宽带源的优点在于，它具有集中在几个eV的能量内的光子，这是需要的和潜在地避免造成与宽带源(诸如韧致辐射辐射)那样多的辐射曝光。
如果(n，γ)反应光子不够接近于通过多卜勒展宽提供的能量宽度中特定的NRF状态，则它们在能量方面可以通过使用如下面(6)描述的Compton散射进行调节而被偏移。
商业中子源是可由分别具有1010和108中子/秒的(d，t)反应和(d，d)反应得到。来自这样的适当地减缓的源的合理热通量通过蒙特卡罗计算(MCNP，蒙特卡罗N粒子输送代码系统，Oak Ridge NationalLaboratory)而显示，以便经由如上所述的(n，γ)反应对许多几何形式提供非常有用的光子源。
提供(n，γ)光子的示例性系统的示意的设计显示于图5。系统包括如上所述的中子发生器60，它可以由诸如具有基本组成CH2的塑料那样的含氢材料64的层所包围。氢用来加热中子，而碳用作为反射体其中发生(n，γ)反应的另一个种材料62的多个层可以互相有间距。在示例性实施例中，反应材料的层可以有规则地间隔10cm的间距。在上述的例子中，反应材料是铁。然而其它材料提供具有其它感兴趣能量的其它光子。在示例性实施例中，整个反应球体是1米直径。它可以被诸如含硼酸的聚乙烯那样的屏蔽材料66包围以防止逃逸的中子。还可以在最外面的半径有铅或其它高密度材料的屏蔽罩68，如图5所示的实施例以防止光子逃逸，并且还有准直器70。一个区域可以保留为未屏蔽的，这样，光子束72可以穿透到要被照射的目标74而进行NRF反应。
虽然这个讨论描述了中子捕获，但由中子中的粒子获取引发的其它反应也可以被使用于生成光子。
5.来自诸如(p，αγ)，(n，n’αγ)，(p，p’γ)，或(α，α’γ)那种反应的单色或接近单色的光子
通常，当一个反应把核激发到一个状态并且该状态发射光子时，这个光子能量不再与相同的核类的另一个核发生共振。这是由于发射核的多卜勒移位光子的反冲(recoil)。反冲动量具有来自光子发射过程和来自由诸如(p，γ)处理那样的轰击粒子引起的动量的贡献。在后一种反应中，二体的最终状态允许反冲光子被移回到以非常特定的角度和在窄的角度范围内的谐振。然而，诸如(p，αγ)，(n，n’αγ)，(p，p’γ)，或(α，α’γ)那样的三体最终状态的处理可以产生在任何角度的光子能量的多卜勒移位，因为所有的可能的反冲动量是对于任何角度的光子发射都是可得到的。具体的例子是被用来经由NRF研究16O的6.9和7.1MeV状态的19F(p，αγ)处理。C.P.Swann和F.R.Metzger，Phys.Rev.，108，4，1957(982)。图6近似显示由于在这种反应中的三体最终状态而产生的光子的谱。
这些结果对这里考虑的具有三体最终状态的反应类型是典型的。谐振光子对于感兴趣的核类是特定的，但它们因动能条件在约100keV的范围内被展宽，这在所有的角度都覆盖了非常窄的核的NRF状态。与韧致辐射相比较，把不想要的光子减少到多达50倍是可能的，但覆盖窄的NRF线的强度通常要小得多。这个反应在使用每个质子10-7的光子的2.9MeV质子时，具有非常接近于7Mev光子的产量。C.Y Chao等，Phys.Rev.79，1，1950(108)。
6.通过由于来自电子的Compton散射造成的能量的角度相关性来调谐频率和展宽单色的光子线的能谱。
在材料中来自电子的光子的Compton散射因为授予电子的反冲能量将使光子能量偏移。在散射光子的能量E、入射光子的能量E0、与散射角θ之间的给出如下关系：
E＝E0/[1-(E0/mc2)(1-cosθ)].
因此，任何单色(或接近单色)线或线的组合可根据散射角度被调谐到任何能量，从E0到约为0.25MeV(假设E0远大于mc2)。也可以使用该关系来通过使用由Knowles和Ahmed采用的几何排列的变化而增强散射强度。J.W. Knowles和N.M.Ahmed，1966，Atomic Energy of CanadaLtd.，Report 2535。这示于图7，取自Knowles和Ahmed。
光子源是在S处，而目标是在T处；散射弧C的几何形状被安排成使得通过散射到达T的所有的光子具有相同的Compton散射角度，因此在能量上减小相同的量。光子线的分辨率按实验装置的散射角度的接收宽度而改变。来自源的光子具有能量E0和散射光子能量为E。光子线的分辨率按实验装置的散射角度的接收宽度而改变。F是聚焦圆，以及散射体C被弯曲成与这个圆相配合。在这个具体的例子中，散射弧的尺寸是17’6”，以及Compton散射角度θc是6度；源和枢轴P是固定的；而目标可以沿相对于连接S和P的线以67度的固定线移动。角度ΩSC是由弯曲的散射体C所跨越的角度。
7.通过选择地使用吸收器而使来自韧致辐射的能谱的范围变窄，以便减小相对于较高的能量的部分的光谱的低能量部分的相对强度。
NRF技术可以使用具有许多不同能量的光子。在许多应用中，这些能量是大于约1MeV。然而，韧致辐射谱在较低的能量处是相对更强的。所以，通过在光子束中的滤波器从光谱相对于有用的较高的能量除去低能量光子可能是有利的。这种减小可以从进入检测器的散射中减少不需要的计数率，从而减小停滞时间。它也可以减小加到由NRF所检查的目标上的不需要的辐射剂量。优选地，用于去除来自韧致辐射源的低能量光子的滤波器用来通过减小光子能量而强烈增加光电效应，因此，重元素是这样的滤波器的需要的成分。滤波器也可以使用较轻的元素，以便利用成对产生核电荷Z的强相关性。在“分级滤波器”中一个或多个相对较重的元素和一个或多个相对较轻的元素的组合，可借助在高Z材料中的光电效应而去除韧致辐射束的低能成分，以及借助成对产生和这些对的辐射效应而去除在高Z材料中强烈地产生的0.5MeV成分。这样的分级滤波器在从目标散射到光子检测器中的光子路径上也是有用的。这里，它起到类似的功能，以及优先去除由Compton散射、多个处理过程和在散射目标中的成对产生造成的散射的光子谱的低能部分。
图8显示对于在高的原子序数Z(82和92)的数值的两个不同的吸收体的处理。所显示的谱是MCNP计算的结果。图8比较经滤波的通量和原始通量，该原始通量来自几个密耳的金和其背面衬以1cm厚的铜以便阻挡电子束而构成的韧致辐射目标。在本例中，与没有滤波器的谱相比较，低于1Mev的光子通量被明显减小。在NRFI扫描中使用这样的经滤波的韧致辐射谱可以具有几个优点，包括：大大地减小向样品提供不需要的或过量的辐射剂量；和大大地减小在观看散射样本的检测器中的低能的不需要的光子的计数率。在约0.5MeV处的峰值是由于在吸收体中正子的产生和湮灭。这些峰值也可以通过把在高Z材料后面的一个较低Z材料层包括在滤波器中而被减小。在4MeV的区域中所需强度可以通过增加在电子束中的电流而被保持，后者用来生成韧致辐射束、补偿在这个能量范围中滤波器的衰减。归一化因子近似反映对于每个滤波器而言光子束必须增加的量，以便得到在4Mev下与原始的未经滤波的韧致辐射谱相同的光子产量。

Claims (37)

1.一种用于检测在目标样本中潜在的感兴趣的物品的方法，该方法包括：
a)提供一个具有覆盖该感兴趣的物品中的核共振和窄于韧致辐射辐射的能谱的光子源；
b)用来自该源的光子照射目标样本；
c)提供至少一个光子检测器，用来测量从至少一部分目标样本在至少一个能量通道上散射的光子强度；以及
d)如果在至少一个该至少一个感兴趣能量通道上检测到的光子强度满足预定的感兴趣物品检测准则，则识别感兴趣物品检测事件。
2.权利要求1的方法，其中该源光子是由电子引起的光子的Compton散射而生成的。
3.权利要求2的方法，其中源光子频率是经调谐的，并且其能谱根据Compton散射光子能量的角度相关性而从单色或接近单色光子线被展宽。
4.权利要求2的方法，其中Compton散射是由高能电子所引起的激光的光子的后向散射。
5.权利要求4的方法，其中激光的光子是自由电子的激光光子。
6.权利要求1的方法，其中源光子是由电子传送通过周期性晶格而生成的相干韧致辐射光子。
7.权利要求1的方法，其中源光子是由核中的粒子引发的反应而生成的。
8.权利要求7的方法，其中在粒子引发的反应后的核衰变产生二体最终状态。
9.权利要求7的方法，其中在粒子引发的反应后的核衰变产生三体最终状态。
10.权利要求1的方法，其中粒子引发的反应是中子捕获。
11.权利要求1的方法，其中源光子是传送通过吸收体的韧致辐射辐射光子，该吸收体有选择地减小韧致辐射能谱的低能量部分。
12.权利要求1的方法，还包括提供发送检测器，用于测量作为目标样本上的位置的函数的发送到目标样本的光子的强度，光子是在该位置上对该目标样本进行照射的。
13.权利要求12的方法，其中发送检测器包括X射线成像器。
14.一种用于检测在目标样本中潜在的感兴趣的物品的方法，方法包括：
a)提供具有覆盖感兴趣的物品中的核共振和窄于韧致辐射辐射的能谱的光子源；
b)用来自该源的光子照射目标样本；
c)提供至少一个参考散射体，该参考散射体包括至少一个感兴趣的核类；
d)允许被发送通过目标样本的光子从至少一个参考散射体散射；
e)提供至少一个光子检测器，用来测量从至少一个参考散射体在至少一个能量通道上散射的光子的强度；以及
f)如果在至少一个该至少一个感兴趣能量通道上检测的光子强度满足预定的感兴趣物品检测准则，则识别感兴趣物品检测事件。
15.权利要求14的方法，其中该源光子是由电子引发的光子的Compton散射所生成的。
16.权利要求15的方法，其中源光子频率是经调谐的，并且其能谱根据Compton散射光子能量的角度相关性而从单色或接近单色光子线被展宽。
17.权利要求15的方法，其中Compton散射是由高能电子所引发的激光光子的后向散射。
18.权利要求17的方法，其中激光光子是自由电子激光光子。
19.权利要求14的方法，其中源光子是由电子传送通过周期性晶格而生成的相干韧致辐射光子。
20.权利要求14的方法，其中源光子是由核中的粒子引发的反应而生成的。
21.权利要求20的方法，其中在粒子引发的反应后的核衰变产生二体最终状态。
22.权利要求20的方法，其中在粒子引发的反应后的核衰变产生三体最终状态。
23.权利要求20的方法，其中粒子引发的反应是中子捕获。
24.权利要求14的方法，其中源光子是传送通过吸收体的韧致辐射辐射光子，该吸收体有选择地减小韧致辐射频谱的低能量部分。
25.权利要求14的方法，还包括提供发送检测器，用于测量作为光子照射到目标样本上的位置的函数的发送到目标样本的光子的强度，光子是在该位置上对该目标样本进行照射的。
26.权利要求25的方法，其中发送检测器包括X射线成像器。
27.一种用于检测在目标样本中潜在的感兴趣的物品的方法，该方法包括：
a)提供具有覆盖感兴趣的物品中的核共振和窄于韧致辐射辐射的能谱的光子源；
b)用来自该源的光子照射目标样本；
c)提供至少一个参考散射体，该参考散射体包括至少一个感兴趣的核类；
d)允许被发送通过目标样本的光子从至少一个参考散射体散射；
e)提供至少一个参考光子检测器，用来测量作为目标样本上的位置的函数的从该至少一个参考散射体在至少一个感兴趣的参考光子能量通道上散射的光子的强度，光子是在该位置上对该目标样本进行照射的；以及
f)提供至少一个散射光子检测器，用来测量从目标样本的至少一个感兴趣的区域在至少一个散射光子能量通道上散射的光子的强度；以及
g)如果在至少一个该至少一个感兴趣的散射光子能量通道上检测的光子强度满足预定的感兴趣物品检测准则，则识别感兴趣物品检测事件。
28.权利要求27的方法，其中该源光子是由电子引发的光子的Compton散射所生成的。
29.权利要求28的方法，其中源光子频率是经调谐的，并且其能谱根据Compton散射光子能量的角度相关性而从单色或接近单色光子线被展宽。
30.权利要求28的方法，其中Compton散射是由高能电子引发的激光光子的后向散射。
31.权利要求30的方法，其中激光光子是自由电子的激光光子。
32.权利要求27的方法，其中源光子是由电子传送通过周期性晶格而生成的相干韧致辐射光子。
33.权利要求27的方法，其中源光子是由核中的粒子引发的反应所生成的。
34.权利要求33的方法，其中在粒子引发的反应后的核衰变产生二体最终状态。
35.权利要求33的方法，其中在粒子引发的反应后的核衰变产生三体最终状态。
36.权利要求33的方法，其中粒子引发的反应是中子捕获。
37.权利要求27的方法，其中源光子是通过吸收体的韧致辐射辐射光子，该吸收体有选择地减小韧致辐射频谱的低能量部分。
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