用于探测核材料的系统和方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103329213 A (43)申请公布日 2013.09.25 CN 103329213 A *CN103329213A* (21)申请号 201180020838.1 (22)申请日 2011.02.25 61/308,254 2010.02.25 US 61/313,200 2010.03.12 US G21K 4/00(2006.01) (71)申请人 拉皮斯坎系统股份有限公司 地址 美国加利福尼亚州 (72)发明人 T. 高赞尼 M.J. 金 T.J. 肖 J.D. 史蒂文森 (74)专利代理机构 北京市柳沈律师事务所 11105 代理人 吴俊 (54) 发。

2、明名称 用于探测核材料的系统和方法 (57) 摘要 本说明书公开了一种基于至少一种探测辐射 的源和通过探询接收检查的目标而产生的辐射特 征来探测核材料的系统。 另外， 本说明书描述了能 够在所述源的致盲辐射停止后通过活化来探测瞬 发中子的阈活化探测器。阈活化探测器可以由液 态碳氟化合物制成， 所述液态碳氟化合物用于探 测 和 射线。 (30)优先权数据 (85)PCT申请进入国家阶段日 2012.10.25 (86)PCT申请的申请数据 PCT/US2011/026369 2011.02.25 (87)PCT申请的公布数据 WO2011/149574 EN 2011.12.01 (51)Int。

3、.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 8 页 附图 9 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书8页 附图9页 (10)申请公布号 CN 103329213 A CN 103329213 A *CN103329213A* 1/2 页 2 1. 一种用于测量多个裂变特征的系统， 包括 ： 辐射源， 所述辐射源被构造成产生辐射并将所述辐射导向接收检查的目标， 所述辐射 诱发在所述目标内可能存在的任何核材料中的裂变 ； 第一探测器， 所述第一探测器的类型是阈活化探测器、 塑料闪烁体探测器、 慢化 He-3 探测器或 He-3 等价替换物探测器中的至少一个。

4、 ； 和 第二探测器， 所述第二探测器的类型是阈活化探测器、 塑料闪烁体探测器、 慢化 He-3 探测器或 He-3 等价替换物探测器中的至少一个。 2. 根据权利要求 1 所述的系统， 其中， 所述第一探测器和所述第二探测器位于所述目 标的相反侧面。 3. 根据权利要求 2 所述的系统， 其中， 所述第一探测器或所述第二探测器之一被定位 为探测从所述目标沿相对于辐射源产生的辐射成后方位角的方向发射出的辐射。 4. 根据权利要求 1 所述的系统， 其中， 所述第一探测器位于所述目标上方。 5. 根据权利要求 4 所述的系统， 其中， 所述第二探测器位于所述目标的侧面。 6. 根据权利要求 1 。

5、所述的系统， 其中， 所述第一探测器位于所述目标的下方。 7. 根据权利要求 6 所述的系统， 其中， 所述第二探测器位于目标的侧面。 8.根据权利要求1所述的系统， 其中， 所述辐射源是能量范围为6MeV至9MeV的直线加 速器。 9. 根据权利要求 1 所述的系统， 进一步包括位于所述辐射源和所述目标之间的诱发中 子材料， 所述诱发中子材料将一些从所述辐射源发出的辐射转换为中子源。 10. 根据权利要求 9 所述的系统， 其中， 所述中子源具有约 2.5MeV 的能量。 11. 根据权利要求 9 所述的系统， 其中， 所述诱发中子材料是重水或铍。 12. 根据权利要求 1 所述的系统， 其。

6、中， 所述辐射是 X 射线、 单能 射线、 或窄能带的 射线中的至少一种。 13. 根据权利要求 1 所述的系统， 其中， 所述阈活化探测器包括至少一种中子阈活化材 料， 用于探测更高能瞬发裂变中子。 14. 根据权利要求 13 所述的系统， 其中， 所述至少一种中子阈活化材料包括至少一种 含氟化合物。 15. 根据权利要求 1 所述的系统， 其中， 所述多个裂变特征包括裂变瞬发中子、 缓发 射线或缓发中子中的至少一个。 16. 根据权利要求 1 所述的系统， 进一步包括 X 射线辐射源和透射探测器， 用于用 X 射 线探询所述目标和探测透过所述目标的 X 射线。 17. 一种用于测量多个裂变。

7、特征的检查系统， 包括 ： 辐射源， 所述辐射源产生被导向接受检查的目标的辐射并且诱发在所述目标内可能存 在的任何核材料中的裂变 ； 和 阈活化探测器， 包括至少一种阈活化材料和至少一个探测器， 所述阈活化材料还是闪 烁材料， 所述至少一个探测器用于探测由瞬发裂变中子活化阈活化材料所产生的 辐射。 18. 根据权利要求 17 所述的检查系统， 其中， 所述阈活化材料或闪烁材料包括含氟化 合物。 19. 根据权利要求 18 所述的检查系统， 其中， 所述含氟化合物包括液态碳氟化合物。 权 利 要 求 书 CN 103329213 A 2 2/2 页 3 20. 根据权利要求 17 所述的检查系统。

8、， 其中， 所述阈活化探测器包括一个大面积探测 器。 21. 根据权利要求 17 所述的检查系统， 其中， 所述阈活化探测器包括多个探测器片， 所 述多个探测器片被组合地构造以起到大面积探测器的作用。 权 利 要 求 书 CN 103329213 A 3 1/8 页 4 用于探测核材料的系统和方法 0001 相关申请的交叉引用 0002 本申请要求 2010 年 2 月 25 日提交的美国专利临时申请 No.61/308,254 的优先 权， 且该美国专利临时申请的全文通过参考而并入本文。另外， 本申请还要求 2010 年 3 月 12 日提交的美国专利临时申请 No.61/313,200 的。

9、优先权， 且该美国专利临时申请的全文通 过参考而并入本文。 技术领域 0003 本发明涉及利用多个激发辐射和裂变特征个来探测核材料、 尤其是货物、 货车、 集 装箱或其它结构中的核材料的系统和方法。更具体地说， 本发明包含通过测量瞬发中子来 探测核材料， 瞬发中子是通过辐射探头在核材料内诱发裂变事件而释放出的。 背景技术 0004 因走私核材料和核装置带来的威胁而需要对所有类型的运输工具， 如海上的集装 箱和货物以及陆地入境口的机场或货车进行快速和可靠的非侵入式检查。 探测来自核材料 的辐射的自发射具有已知的局限性， 这可以通过使用主动式探询来解决。 一般， 主动式探询 采用穿透探头的窄束或宽。

10、束， 如中子或 X 射线 （激发辐射） 来激发如果存在的核材料内的裂 变。 0005 通常， 通过将集装箱暴露给辐射并通过辐射与核材料的相互作用诱发裂变来探测 核材料， 所述辐射例如为 X 射线辐射或中子， 而所述裂变分别称为光致裂变或中子诱发裂 变。裂变过程使得核材料发射出多个穿透特征， 如瞬发中子、 缓发中子， 瞬发 射线和缓发 射线。过去， 大多数的系统被设计成通过使用位于被照射集装箱外部的探测器阵列探测 缓发中子特征来探测裂变事件。探测到与裂变相关的缓发中子， 能非常有力地显示核材料 的存在。然而， 虽然缓发中子是裂变事件的独特指示体， 但是其非常少且能量低， 从而严重 地削弱了检查系。

11、统的功效， 特别是对含氢货物。 在一些情况下， 测量到的单一裂变特征是由 缓发 射线引起的。该特征在金属货物内会被高度稀释。这样的话， 就更加希望探测更大 量和更具穿透性的裂变瞬发中子。然而， 裂变瞬发中子是在几乎与投射在核材料上的更多 探测辐射类型致盲探测器的同时产生的。通常， 在探测器恢复的时候， 不存在瞬发中子特 征。 0006 因此， 需要一种探测核材料的改进方法和系统， 其不依靠单一的特征， 而是依靠多 个特征， 其中一个特征的短处被其它的长处减轻了。 类似地， 单独或联合使用的多个探测辐 射类型， 如 X 射线和中子， 使检查系统对商贸中遇到的大范围货物中隐藏的核材料敏感得 多。 。

12、发明内容 0007 本说明书公开了一种用于测量多个裂变特征的系统， 包括辐射源， 所述辐射源 被构造成产生辐射并将所述辐射导向接受检查的目标， 所述辐射诱发在所述目标内可 说 明 书 CN 103329213 A 4 2/8 页 5 能存在的任何核材料中的裂变 ； 第一探测器， 所述第一探测器的类型是阈活化探测器 （threshold-activation detedtor,TAD） 、 塑料闪烁体探测器、 慢化 He-3 探测器或 He-3 等 价替换物探测器中的至少一个 ； 第二探测器， 所述第二探测器的类型是阈活化探测器、 塑料 闪烁体探测器、 慢化 He-3 探测器或 He-3 等价替。

13、换物探测器中的至少一个。 0008 选择性地， 第一探测器和所述第二探测器位于目标的相反侧面处。所述第一探测 器或所述第二探测器之一被定位为探测从目标沿相对于辐射源所产生的辐射成后方位角 （back angle） 的方向发射出的辐射。第一探测器位于目标上方。第二探测器位于目标的侧 面。第一探测器位于目标下方。第二探测器位于目标的侧面。 0009 选择性地， 辐射源是能量范围为 6MeV 至 9MeV 的直线加速器。系统进一步包括位 于辐射源和目标之间的诱发中子材料， 所述诱发中子材料将一些从辐射源发出的辐射转换 为中子源。中子源具有约 2.5MeV 的能量。诱发中子材料是重水或铍。辐射是 X 。

14、射线、 单能 射线、 或窄能带的 射线中的至少一种。阈活化探测器包括至少一种中子阈活化材料， 用于探测更高能瞬发裂变中子。至少一种中子阈活化材料包括至少一种含氟化合物。多个 裂变特征包括裂变瞬发中子、 缓发 射线或缓发中子中的至少一个。系统进一步包括 X 射 线辐射源和透射探测器， 用于用 X 射线探询目标和探测透过目标的 X 射线。 0010 在另一实施方式中， 检查系统使用辐射源测量多个裂变特征， 所述辐射源产生被 导向接受检查的目标的辐射并且诱发在目标内可能存在的任何核材料中的裂变 ； 和阈活化 探测器， 包括至少一种阈活化材料和至少一个探测器， 所述阈活化材料还是闪烁材料， 而所 述至。

15、少一个探测器用于探测由瞬发裂变中子活化阈活化材料所产生的 辐射。 0011 选择性地， 阈活化材料或闪烁材料包括含氟化合物。含氟化合物包括液态碳氟化 合物。阈活化探测器包括多个探测器片 （detector tiles） ， 所述多个探测器片被组合地构 造以起到大面积探测器的作用。阈活化探测器包括一个大面积探测器。 0012 在下文的附图和详细说明中将更深入地描述本发明的前述和其它实施方式。 附图说明 0013 通过联系附图参考本发明的详细说明， 将更容易理解从而更进一步地意识到本发 明的这些和其它特征和优点。 0014 图 1 是本发明的核探测系统的一种实施方式的方框图。 0015 图 2A 。

16、是具有活化物质和独立的 射线探测器的外部探测阈活化探测器的示图。 0016 图 2B 是自探测阈活化探测器的示图， 其中活化物质还是闪烁材料。 0017 图 2C 显示通过两个 5 英寸 10 英寸的光电倍增管观察到的、 制造好的圆柱形氟 基 TAD， 其中闪烁体也是活化物质。 0018 图 2D 显示了氟基 TAD 的制造好的单 “片 （tiles） ” ， 其用在本发明的检查系统中， 且尺寸为 40cm40cm20cm。 0019 图 2E 是本发明的采用阈活化探测器 （TAD） 的示例性检查系统的示意图。 0020 图 2F 是显示由来自 252Cf 源的裂变中子诱发的 射线光谱曲线图。。

17、 0021 图2G是氟基TAD的曲线图， 显示了在用光致裂变源照射铀之后碳氟化合物探测器 的典型能谱。 0022 图 2H 是显示本发明的阈活化探测器能采用的示例性同位素的表。 说 明 书 CN 103329213 A 5 3/8 页 6 0023 图 3 是显示与本发明的实施方式相关的多个参数的图表。 0024 图4A是显示扫描系统的示意图， 扫描系统中采用了本发明的X射线光致裂变基于 多特征的系统。 0025 图4B是显示扫描系统的三维图， 扫描系统中采用了本发明的X射线光致裂变基于 多特征的系统。 0026 图 5 是显示扫描系统的三维图， 组合式、 同步光激中子 /X 射线光致裂变的检。

18、查系 统中实施了本发明的多特征探测。 具体实施方式 0027 本发明涉及基于至少一个探测辐射源和多个辐射特征探测核材料的系统的多个 实施方式。下文公开的内容被提供用来使得本领域的普通技术人员能实施本发明。本说明 书中使用的语言不应该被解释为对任何一个具体实施方式的总体否定， 或不应该被用于将 权利要求限定为超出此处使用的术语的含义。在不偏离本发明的精神和范围的情况下， 此 处限定的总体原理可以被应用到其它实施方式和应用中。另外， 说术语和措辞是用来描述 示例性实施方式的， 而不应该被看作是限制。 因此， 本发明将符合包含与公开的原理和特征 一致的多个可选项、 更改和等同物的最宽范围。 为了清楚。

19、起见， 与本发明有关的本技术领域 内熟知的技术材料的相关细节没有详细描写， 以避免不必要地模糊本发明。 0028 如图 1 中所示， 在一种实施方式中， 本发明的 X 射线检查系统 100 包括高能 X 射 线源 101， 如一般具有 6-9MeV 能量的电子直线加速器。本领域的普通技术人员应该注意的 是， 源的能量越高， 系统 100 对核材料变得越敏感。进一步地， 如本领域普通技术人员所熟 知的， 根据源的性质， 源包括合适的屏蔽和准直。从源 101 发出且被导向目标 107 的探测辐 射 105 借助光致裂变过程诱发在目标 107 内可能存在的任何核材料中的裂变。在一种实施 方式中， 目。

20、标 107 是静止的或移动的检查目标， 如货车、 海运集装箱、 货物集装箱等等。 0029 另一实施方式中， 快中子探头和 X 射线探头结合到一起， 以提高对于所有类型货 物的探测敏感度。 X射线能很好地穿透有机和含氢材料 （如， 食品、 木材和塑料等等） ， 但不能 很好地穿透密集型金属货物。 另一方面， 快中子能很好地穿透金属货物， 但不能很好地穿透 含氢货物。所以， 通过将这两种不同的探测源， 即快速中子和 X 射线源结合， 并使用这两种 不同的源同时或相继检查相同运输工具， 本发明的检查系统可以获得对于所有类型货物的 高敏感性。 0030 本领域的普通技术人员应该意识到的是， 可以通过。

21、熟知的高能 X 射线与光激中子 反应能阈低的材料的光核反应来产生中子， 所述材料例如为重水 （即水中的氢被天然存在 的同位素氘取代） 、 铍或任何本领域已知的适宜材料。 0031 再次参照图 1， 在一种实施方式中， 中子转换或中子诱发材料 108 围绕、 紧邻地、 或 接近地、 或以其它方式定位在 X 射线源 101 的前面 （在 X 射线目标元件、 例如钨的地方， 那里 密度最高） ， 这样的结果是， 一小部分 X 射线被转换为密集中子源 （对于 100Amp 9Mev 的电 子直线加速器来说， 超过1011n/s） ， 大多数中子的能量小于3MeV。 这样就能用相同的辐射源 通过两个高度。

22、互补的照射探头， 即 X 射线和快中子， 来同步探询货物 107（如上文详细描述 的商用电子直线加速器） 。 0032 X 射线系统 100 进一步包括探测器阵列 102、 103、 104， 在一种实施方式中， 它们围 说 明 书 CN 103329213 A 6 4/8 页 7 绕被检查目标 107 的三个面 （前面、 后面或顶面） 定位。在一种实施方式中， 探测器阵列 102 被定位为紧邻辐射源 101， 探测从目标沿相对于探测束成后方位角的方向发射出的任何辐 射。在一种实施方式中， 探测器 102 被定位为接近辐射源 101 和在辐射源 101 的两个侧面。 在一种实施方式中， 探测器。

23、阵列 103 被定位在接受检查的目标上方或下方。在一种实施方 式中， 探测器阵列 104 被定位在目标的与源相反的侧面处， 用来探测沿相对于探测束方向 成前方位角 （forward angle） 发射出的辐射。所以， 如果存在核材料， 一旦辐射 105 被导向 集装箱 107， 生成的裂变瞬发中子、 缓发 射线和缓发中子 106 会穿出且能被探测器阵列 102、 103 和 104 探测到。 0033 在一种实施方式中， 探测器阵列 102、 103、 104 包括被用于探测更高能量、 更具穿 透性的中子的中子阈活化材料， 其比裂变过程刚结束时的缓发中子裂变特征以及任何致盲 X 射线源引起的过。

24、量产物都更多产。 0034 在一种实施方式中， 中子阈活化材料包括， 但不局限于含氟化合物， 其被裂变中子 （如果是氟， 则具有高于 3MeV 的能量） 激活， 产生通过每次放射 颗粒而衰减的短周期放射 性物质 （在氟的情况下， 是氮 16， 即半衰期为 7.1s 的氮的同位素） 和通常的 射线 （在氟的 情况下） ， 这些可以被合适的探测器探测到， 如由本发明的申请人描述在美国专利临时申请 No.61/313， 200中的独特的阈活化探测器， 该申请的全文通过参考而并入本文。 优选实施方 式中采用的碳氟化合物阈活化探测器也是有效的射线探测器， 也探测裂变缓发射线。 0035 在另一种实施方式。

25、中， 探测器阵列 102、 103 和 104 选择性地包括一些低成本塑料 闪烁体探测器， 其仅仅探测裂变缓发 射线。 0036 在另一种实施方式中， 探测器阵列 102、 103 和 104 选择性地包括慢化 He-3 探测器 或等价替换物。 一种这样的合适探测器的例子也描述在由本申请的申请人所有的共同悬而 未决美国专利申请 12/976， 861 中， 该申请的全文通过参考而并入本文。 0037 这里应该注意的是 ： 根据源和探测需求的不同， 探测器阵列 102、 103、 104 包括塑 料闪烁体探测器、 碳氟化合物探测器、 慢化He-3探测器或He-3等价替换物探测器或任何其 它适用于。

26、于本发明的探测器中的至少一个， 在一些实施方式中， 探测器阵列包括上述探测 器的组合。 0038 使用阈活化探测器 （TAD） 有优势是因为其能够在源的致盲辐射刚结束时借助活化 来探测瞬发中子。典型的脉冲化的源 （如 X 射线或中子源） 的范围从几微秒到几毫秒， 重复 速率从每秒几次到每秒几百几千次。脉冲之间的间隔为探测器提供足够的时间， 以从脉冲 过程中可能产生的过载中恢复和收集充足的活化信号。TAD 的活化材料选择性地具有范围 从几秒到几十秒的半衰期。活化材料还选择性地具有更高能量阈值， 因此它们将只能被有 关的中子 （如更高能量裂变瞬发中子） 激活， 而不会被由源直接或间接产生的大量低能。

27、量中 子激活。TAD 系统允许在现场进行测量或快速将活化材料转移到低本底位置以进一步增加 检查密度。 0039 在一种实施方式中， 阈活化探测器 （TAD） 是带有独立的 射线探测器 （如通常用 来在束脉冲之间探测热中子俘获射线的碘化钠闪烁探测器） 的活化物质 （如， 但不局限于 聚四氟乙烯） ， 所述 射线探测器用来探测被活化材料发射的 射线。现在参照图 2A， 在 外部探测结构中， 本发明的阈活化探测器 200 包括至少一个浸入诸如通过一个或多个光电 倍增器 202 观察的闪烁体物质 206 中的阈活化材料 “杆” 204， 用于探测由瞬发裂变中子 205 说 明 书 CN 1033292。

28、13 A 7 5/8 页 8 活化阈活化材料 /TAD 204 产生的 辐射 207。 0040 在另一实施方式中， 活化物质也是闪烁材料， 例如， 但不局限于某些液态碳氟化合 物 （C6F6） 、 BaF2、 CaF2， 因此允许以近乎 100的效率来检测 放射性， 也可以根据探测器的 尺寸探测射线， 不过效率较低。 现在参照图2B， 在自探测结构中， 本发明的阈活化探测器 210 包括用于容纳闪烁材料 214 的光电倍增器 212， 闪烁材料 214 能够探测 放射性和 射线。因此， 在一种实施方式中， 阈活化探测器采用碳氟化合物闪烁计数器， 瞬发中子使探 测器材料本身活化。活化产物发射半。

29、衰期为 7.1 秒的 粒子， 且在辐射探头的致盲辐射刚 结束时非常高效地被探测到。 0041 图 2C 显示了制造好的、 圆柱形氟基 TAD 220， 其中闪烁体也是活化物质， 可通过木 箱 224 的 5 英寸 10 英寸的光电倍增器 222 观察。 0042 图2D显示了本发明的检查系统中使用的， 氟基TAD的制造好的单 “片” 225， 其尺寸 为 40cm40cm20cm， 其中在一种实施方式中， 其可以被制成足够大面积的探测器 （例如， 覆盖超过 2.56m2） ， 包括 16 “片” 225 以保证高探测器效率， 从而进一步提高探测敏感度和测 量速度。在另一实施方式中， 探测器 “。

30、片” 225 还可包括尺寸相同的低成本塑料闪烁体。 0043 图 2E 是本发明采用阈活化探测器 （TAD） 的示例性检查系统的示意图。如图 2E 中 所显示的， 示例性检查系统 240 包括探询源 241 和裂变快中子探测器 245， 在一种实施方式 中， 裂变快中子探测器 245 是阈活化探测器 （TAD） 。探询源 241 产生探询辐射 242。在一种 实施方式中， 探询辐射 242 是包含多数能量小于等于 3MeV 的中子的辐射。在另一实施方式 中， 探询辐射242是包含能量小于等于9MeV的X射线的辐射。 在又一实施方式中， 探询辐射 242 是包括多数能量小于等于 3MeV 的中子。

31、和能量小于等于 9MeV 的 X 射线的辐射。探询辐 射导向可能包含或不包含核材料 244 的集装箱 243。一旦探询辐射 242 被导向集装箱 243， 如果存在核材料 244， 那么产生的裂变瞬发中子会穿出且被 TAD245 探测到， 这可通过光电 倍增器 246 观察到。在一个实施中， 当 TAD 材料也是闪烁材料时， 如碳氟化合物液态闪烁体 探测器， 用于探测瞬发中子的相同的探测器阵列将也被用于探测缓发 射线。瞬发中子和 射线特征通过它们测量的能谱来区分。 0044 图 2F 是显示由来自 252Cf 源的裂变中子诱发的 射线光谱曲线图。示例性光谱 250通过重复10次将碳氟化合物探测。

32、器暴露在 252Cf源中然后在源不活化时测量10次获得 的。图 2F 中的光谱 250 内的两个大幅突增 251、 253 主要代表两个分别具有 4.3 和 10.4MeV 的终点能量的 光谱的叠加部分。 0045 图2G显示氟基TAD对铀263中被9MeVX射线直线加速器诱发的光致裂变的反应的 实际测量。 还显示了碳氟化合物探测器在用裂变源照射后， 瞬发中子活化衰减能谱261， 类似于图 2F 中显示的光谱 250。液态碳氟化合物探测器利用 19F(n,)16N 反应。当快中子 与氟相互作用， 产生 粒子和活跃的 16N 原子。再次参照图 2F，16N 以 7.1s 的半衰期衰减， 且产生两。

33、个高能量的 能谱 251、 253（67的时间 4.3MeV， 28的时间 10.4MeV） 和 67 的时间 6.1MeV 射线， 这些都很容易被检测到。 0046 再 次 参 照 图 2G， 光 谱 263 包 含 由 6.1MeV 射 线 和 来 自 19F(n,p)19O 反 应 的 4.84MeV 粒子的康普顿 （Compton） 分散谱带来的组分。 0047 缓发裂变 射线的指数级衰减能谱也显示为 262。这是伴随 9MV 直线加速器脉 冲之间的 19F(n,) 激活测量的。在该运行模式下， 直线加速器的脉冲为每秒 20-100 脉冲 ； 说 明 书 CN 103329213 A 。

34、8 6/8 页 9 每个脉冲一般为 2-4s 宽幅。在脉冲之间收集裂变缓发 射线以及碳氟化合物探测器本 身的活化氟。 0048 曲线 263 显示的是来自碳氟化合物中铀内裂变的组合的、 观测到的光谱， 它是曲 线262所显示的缓发射线光谱与曲线261显示的瞬发种子激活光谱之和。 曲线263是指 数级衰减的光谱， 具有起始于约 5.5MeV、 终结于约 10.4MeV 的大幅突增。当 “双突增” 252Cf 光谱被标准化为高于 7MeV 的前者光谱和由后者差减得来， 区别在于指数级衰减光谱代表 典型裂变缓发 射线光谱 262。5.5MeV 以上的缓发 射线能谱的分数非常小 （约 0.4%） ， 。

35、然而瞬发中子活化氟的分数却很大。5MeV 以上的能谱实质上由瞬发中子激活控制， 允许采 用一个探测器类型确定两个特征。 0049 图 2H 是显示可被采用作为本发明阈活化探测器的示例性同位素 270 的表。另外， 该表显示了每个同位素 270 的具体活化反应 271， 以及阈活化能量 272（MeV） 、 同位素 273 的半衰期， 衰减产物的能量及它们各自的密度 274， 还有产生的 射线及它们各自的密 度 275。 0050 本领域普通技术人员应该意识到的是， 根据本发明的一个方面， 使用单一探测器 系统探测多裂变特征保证了照射探头 （快中子和高能 X 射线） 的高并协性 （术语为穿透性）。

36、 被 充分利用。 要进一步意识到的是， 如果被适合地施以脉冲， 那么应用快中子能够使用差模分 析 （DDAA） 的极高敏感度 - 或者能够探测只在可裂同位素 （如， U-235， Pu-239， U-233） 内的 热中子裂变生成的瞬发中子。当裂变由特种核材料 （SNM） 内的热化源中子诱发时， DDAA 可 以以很高的效率被采用。热化过程很快， 其中生成的热中子非常有效地在几百微秒内激发 只存在于特种核材料 （SNM） 中的裂变， 如果 SNM 存在的话。热中子产生的高能裂变中子可 以被高效的包含 3He百分数计数器的涂镉探测器或者基于10B或6Li的其它可选探测器探测 到。 0051 图3。

37、是显示与本发明的实施方式相关的多个参数300的图表。 在第一实施方式中， 显示在行 301 中， 诸如照射探头的系统使用 X 射线以获得高分辨率射线照相和诱发裂变事 件， 裂变事件的特征可以被探测到， 包括使用碳氟化合物探测器探测的瞬发中子和缓发 射线以及使用热化中子探测器探测的缓发中子。 0052 在第二实施方式中， 显示在行 302 中， 单能 射线被采用作为探测辐射以激发裂 变， 并允许测量瞬发中子、 缓发中子和缓发 射线。 0053 在第三实施方式中， 显示在行 303 中， 快中子由载入粒子加速器加速产生， 例如氘 核碰撞在氘靶上， 产生高能中子以激发裂变事件。裂变事件通过来自也是由。

38、裂变过程而发 射的快中子核裂变、 热中子裂变、 缓发 射线和缓发中子生成的瞬发中子被探测到。 0054 在第四实施方式中， 显示在行 304 中， 诸如 9MeV 直线加速器的 X 射线源被采用以 通过光激中子转换产生 X 射线以及中子。两个辐射探头都激发可裂变材料内的裂变事件， 如果可裂变材料存在的话。通过以下特征来探测裂变事件 ： 快中子和热中子裂变引起的瞬 发中子、 缓发 射线和缓发中子。所有的都是由裂变过程发射的。X 射线还可以用来提供 货物的高分辨率 X 射线照相。 0055 图 4A 和 4B 显示如何实施本发明的高能量 X 射线光致裂变基于多特征的系统。图 4A 是概念图， 图 。

39、4B 提供建造好的系统的三维透视图。 0056 参照图 4A 和图 4B， 系统 400 包括附着于 C 形 X 射线检测器壳体 410 的裂变探测器 说 明 书 CN 103329213 A 9 7/8 页 10 405， 用于探测瞬发中子和缓发 射线。系统 400 进一步包括源 415 以产生辐射。在一种 实施方式中， 源 415 是 9MeV 直线加速器， 产生 X 射线扇形束。进一步， 系统 400 可选择性地 包括运送机 430， 以移动接受检查 435 的集装箱或目标穿过系统。 0057 系统 400 是双重检查系统， 其中对于第一 “基础扫瞄” ， 使用两个独立的共线的射 线照相。

40、阵列， 完全地和迅速地检查集装箱， 主阵列和 Z 型透射光谱学阵列。在一种实施方式 中， 主阵列使用544钨酸镉 （CdWO4） 探测器， 该探测器具有常规电流方式的读数器， 利用光电 二极管提供非常高空间分辨率的图像。 Z型阵列使用快速塑料闪烁体的个数中的四分之一， 快速塑料闪烁体所具有的频谱读数器使用快速光电倍增管。 0058 每个独立的射线照相阵列被用来将在图像内定位高 Z 目标， 诸如铅、 钨和铀， 这些 可能是潜在的屏蔽材料以及核材料本身。Z 型透射光谱学的方法描述在本发明的申请人于 2011 年 2 月 23 日提交的、 名为 “A High-Energy Spectroscopy。

41、-Based Inspection System and Metnods to Determine the Atomic Number of Materials（基于高能光谱学的检查 系统和方法确定材料的原子序数） ” 的共同未决的美国专利申请13/033,590中， 其全文通过 参考而并入本文。 0059 然而， 高 Z 检测技术不能将诸如铅或钨的潜在屏蔽材料与核材料区分开来。所以， 在一种实施方式中， 本发明的系统和方法提供第二阶段筛分技术以辨别核材料。检查过程 的第二步在于检查被诸如可能的警报器的自动 X 射线系统识别的位置。这通过对该位置 的比较久的固定的直接扫描来完成。在直接扫描中，。

42、 被识别为高 Z 的集装箱图像的区域通 过将集装箱精确复位到高Z目标的位置被再次检查， 且用X射线束对该区域做固定的照射。 由于 X 射线束具有终点为 9MeV 的 X 射线的连续光谱， 一些 X 射线超过了引起光致裂变需要 的能量 （大约 6MeV） 。特种核材料 （SNM） 威胁以及所有的可裂变材料都将在 X 射线束中裂变 和产生裂变。系统寻找一个或多个类型裂变特征以识别发生的裂变。这些可以是直接裂变 过程产生的瞬发中子和裂变产物衰减产生的缓发 射线， 如上文详细描述的。在一种实施 方式中， 系统400使用阵列405中的两个类型的探测器 ： 塑料闪烁体和碳氟化合物液态闪烁 体形式的氟基 T。

43、AD。塑料闪烁体仅仅可以探测缓发 射线。碳氟化合物探测器可以通过 19F(n,)16N 反应探测缓发 射线和瞬发中子，19F(n,)16N 反应具有有效的 3MeV 阈值， 因 此对大多数的源光激中子敏感。例外的是铍和氘， 其可以产生高于 3MeV 的中子。铍是将引 起中子警报， 但是没有伴随缓发 射线特征的特殊货物。标准含氢材料中的氘的本底小。 0060 如上所述， 同位异量素 16N 以 7.1 秒的半衰期 衰变。有两个主要的 衰变模 式 ： 10.4MeV 终点 （26%） 和 4.3MeV（68%） 。用碳氟化合物探测器探测瞬发裂变中子， 是以高 能 衰变近乎 100% 效率获得的， 。

44、而不是通过 （n， ） 中的 粒子反应获得的， 粒子反 应发生在 X 射线脉冲期间。使用碳氟化合物探测器探测缓发 射线和瞬发中子的主要优 点在于信号相对于裂变事件和X射线脉冲延迟。 X射线脉冲暂时致盲探测器， 但是探测器在 脉冲之间恢复。 0061 在另一种实施方式中， 基于本发明的 X 射线光致裂变基于多特征的系统被采用在 组合的和同步的的光激中子 /X 射线检查系统中， 如图 5 所示。同时用中子和 X 射线探询货 物的系统基本上获得对大范围货物种类的高性能。 0062 系统 500 包括源 505， 在一种实施方式中， 源 505 是 9MV 直线加速器。通过 X 射线 束与适当的转换器。

45、的光核相互作用， X 射线与中子同时产生。在一种实施方式中， 适当的转 说 明 书 CN 103329213 A 10 8/8 页 11 换器是绕 X 射线源建立的重水 （D2O） 转换器， 其使用钨中间电极。用 100A 的平均电子束 电流获得 1011数量级的总中子产量。应该注意的是源 505 是可移动的。裂变生成的瞬发中 子在两个独立的探测器系统中被探测到 ： 高效率 DDAA 探测器 510 和使用氟阈活化探测器 515 直接探测能量 3MeV 的中子， 如上所述。使用相同的 TAD 高效地、 并且利用附加的低成 本塑料闪烁器 525 测量缓发 射线信号。若干碘化钠分光镜探测器被采用来。

46、探测货物中 子俘获射线光谱520。 直线加速器和附加的塑料闪烁体阵列可以被垂直地移动530以扫 描或更好地对准在威胁位置。 0063 系统 500 运行时， 利用运送机构 535 使货物集装箱 （或货车） 穿过入口 525。X 射线 源一般以每秒 30 到 300 脉冲施以脉冲和制造高能的 X 射线。光激中子束由重水转换器中 的相同的 X 射线产生。如果可裂变材料存在于货物中， 那么裂变由高能的 X 射线束以及光 激中子诱发。 一般地， 光致裂变过程主要在含氢的货物内， 而中子裂变过程主要在密集的金 属的货物内。 0064 上述实施方式仅仅说明本发明的系统的多种应用。 虽然此处只描述了本发明的。

47、少 数实施方式， 但应该要理解的是本发明可以体现和为许多其它形式， 而不会脱离本发明的 精神和范围。 因此， 这些示例和实施方式应被认为是说明性的和非限制性的， 本发明可在附 加权利要求书的范围内被改进。 说 明 书 CN 103329213 A 11 1/9 页 12 图 1 图 2A 说 明 书 附 图 CN 103329213 A 12 2/9 页 13 图 2B 图 2C 说 明 书 附 图 CN 103329213 A 13 3/9 页 14 图 2D 图 2E 说 明 书 附 图 CN 103329213 A 14 4/9 页 15 图 2F 说 明 书 附 图 CN 103329213 A 15 5/9 页 16 图 2G 说 明 书 附 图 CN 103329213 A 16 6/9 页 17 图 2H 说 明 书 附 图 CN 103329213 A 17 7/9 页 18 图 3 说 明 书 附 图 CN 103329213 A 18 8/9 页 19 图 4A 说 明 书 附 图 CN 103329213 A 19 9/9 页 20 图 4B 图 5 说 明 书 附 图 CN 103329213 A 20 。