[发明专利]用于确定材料的平均原子序数和质量的方法和系统

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求由Robert J.Ledoux和William Bertozzi于2004年7月8日提出的、标题为“Determination of the Average Atomic Numberand Mass of Material Using High Energy Photon Scattering”的美国临时专利申请No.60/586,351的利益，该申请通过引用而被结合在此。

技术领域

本发明涉及非侵入式扫描领域，具体涉及确定目标或者目标的一部分或多个部分的平均原子序数和质量的系统和方法，以及获得对出现在目标或者目标的一部分或多个部分中的某些元素的质量的限制的系统和方法。

背景技术

用于检查目标的非侵入式检查技术的期望特征是快速确定目标材料的原子序数(Z)和密度的能力，以及原子序数和密度的空间分布。尤其是，优选地在低辐射剂量的情况下，平均原子序数和/或质量的三维分布的快速确定是确定目标容器的内容的强大而有用的手段。这个信息可用来确定目标容器(比如，一件行李、集装箱、贮藏容器、或者用于陆、海或空运的其他容器)包含某种材料的概率，例如高-Z和/或高密度材料。知道目标容器包含这种材料可用来识别威胁。例如，容器内铅的存在可能表示藏有“脏弹”或其他放射性材料。高Z材料的存在(如铀)可能发信号告知容器内核武器的存在。此外，质量分布、平均原子序数或两者的测量可形成系列检查技术的一部分。例如，经确定与特定Z和密度类别相匹配的目标区域可用作将进一步探查这些区域的其他检查技术的输入。这样的系统可提供下列优点：以方便的时间尺度提供威胁确定。

用于货物的非侵入式检查的技术包括透射辐射(如在x射线成像中)的检测以此获得目标货物容器中密度分布的二维表示。利用散射辐射(如康普顿散射辐射)的二维成像同样已经被证实。因为二维成像的限制，常常期望获得三维的密度分布。利用核共振荧光技术的非侵入式扫描同时获得目标的二维和三维图像已经在比如“Explosives Detection Using Resonance Fluorescence ofBremsstrahlung Radiation”的美国专利No.5,115,459和“Detection ofExplosives and Other Materials Using Resonance Fluorescence，Resonance Absorption，and Other Electromagnetic Processes withBremsstrahlung Radiation”的美国专利No.5,420,905中进行了描述，上述两个申请的内容通过引用而被结合在此。

发明内容

在这里，提供了用于通过对由光子束的散射产生的散射光子能量谱的测量获得货物、集装箱、行李和其他目标的非侵入式检查的方法和系统。这里所提供的方法和系统利用了对511KeV湮灭峰值有贡献的过程或更高次过程，某些过程发生于更高的能量下，其表现为比康普顿或卢瑟福散射这样的过程更强的Z依赖性。所公开的方法和系统还受益于在超过大多数材料的K边缘的能量下发生的更大的辐射穿透，从而允许将另外对来自目标深处的信号有影响的光子目标更少的损失。这使得更大和/或更密集的目标的检查比利用在更低光子能量下操作的系统可能更切实可行。另外，这里所提供的方法可用来更快速地获得二维和三维的平均原子序数和/或密度以及对高Z材料存在的质量限制、数据以及利用比NRF成像更低的辐射剂量。

在一个方面，用于分析目标的体元中的材料的方法包含：利用光子束照亮体元；测量在第一能量范围内和第一测量方向上自体元散射的第一光子数；测量在第二能量范围内和第二测量方向上自体元散射的第二光子数；确定第一光子数与第二光子数的比率；并且利用该比率确定体元中的材料的平均原子序数。在另外的实施例中，第一能量范围包括511KeV。在另外的实施例中，第二能量范围将511KeV排除在外。在其他实施例中，第一方向与第二方向相同。

在另一个方面，用于分析目标的体元中的材料的方法包含：利用光子束照亮体元；测量在测量方向上自体元散射的光子的能量谱；确定对第一能量范围内的能量谱有贡献的第一光子数；确定对第二能量范围内的能量谱有贡献的第二光子数；计算第一光子数与第二光子数的比率；以及利用该比率确定体元中材料的平均原子序数。在另外的实施例中，第一能量范围包括511KeV。在另外的实施例中，第二能量范围将511KeV排除在外。