МИШЕНЬ, ПРЕОБРАЗУЮЩАЯ ИЗЛУЧЕНИЕ В ФОТОНЕЙТРОНЫ Российский патент 2010 года по МПК G21K5/08 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к мишеням, преобразующим излучение в фотонейтроны, в особенности к мишеням, которые используются в установках для обнаружения контрабанды и обеспечивают получение фотонейтронов с помощью рентгеновского излучения.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В наше время терроризм представляет серьезную угрозу международной и национальной стабильности. Правительства различных стран прилагают большие усилия по борьбе терроризмом. Важным направлением антитеррористической деятельности является обнаружение контрабандных товаров и материалов, таких как, например, взрывчатые вещества.

В настоящее время для обнаружения контрабанды используется технология получения изображений в рентгеновских лучах. Такая технология нашла широкое применение в системах досмотра. Многие установки, в которых используется принцип получения изображений в рентгеновских лучах, используются в аэропортах и на железнодорожных вокзалах. Поскольку рентгеновское излучение большей частью реагирует с электронами, движущимися по орбитам вокруг атомного ядра, то это излучение не обеспечивает распознавания атомных ядер. Поэтому при использовании для досмотра рентгеновских лучей можно измерить лишь плотность просвечиваемого объекта, однако элементы, составляющие этот объект, определить невозможно. На практике, если контрабандные товары или материалы перемешаны с бытовыми предметами, и плотности их примерно одинаковы, то использование в этом случае технологий получения изображений в рентгеновских лучах малоэффективно. Хотя некоторые новые технологии получения изображений в рентгеновских лучах, например просвечивание пучками излучения с двумя уровнями энергии и технология компьютерной томографии, улучшили возможности таких установок в части распознавания или различения, однако все-таки они не могут преодолеть принципиальную невозможность распознавания элементов.

Другой применяемой в настоящее время технологией обнаружения незаконно провозимых объектов является использование нейтронов. Нейтроны могут реагировать с ядрами атомов вещества, и при этом возникает характеристическое гамма-излучение. В этом случае появляется возможность определения элементов, составляющих вещество, на основе анализа энергетического спектра гамма-излучения. Недостатком нейтронных досмотровых установок является невысокое разрешение, которое в настоящее время может достигать в лучшем случае 5 см × 5 см × 5 см, что гораздо хуже разрешения, достигаемого в рентгеновских досмотровых установках (порядка 1 мм). Кроме того, автономный источник нейтронов обычно дорог, имеет небольшой срок службы, и выход нейтронов недостаточно высок.

Поэтому имеется потребность в способах и/или в установках для досмотра, которые могут объединять технологию получения изображений с помощью рентгеновских лучей и технологию, использующую нейтроны, чтобы можно было получить высокое разрешение, которое обеспечивают рентгеновские лучи, и возможность определения элементов, обеспечиваемого нейтронными досмотровыми установками. В патенте US 5078952 описывается установка обнаружения взрывчатых веществ, в которой объединены различные средства обнаружения, в том числе устройство получения изображений с помощью рентгеновских лучей и нейтронное устройство, для повышения вероятности обнаружения и снижения уровня ложных тревог. Кроме того, в указанном патенте описывается объединение данных, полученных рентгеновской и нейтронной подсистемами, в результате чего повышается общее разрешение установки. Однако в установке, раскрытой в вышеуказанном патенте, используются источники рентгеновского излучения и нейтронов, которые независимы друг от друга, и, соответственно, стоимость такой установки будет достаточно высокой.

Стоит отметить, что нейтроны получают в результате бомбардировки пучком рентгеновских лучей мишени, которая преобразует падающее на нее излучение в нейтроны. Нейтроны, получаемые в этом случае, можно назвать фотонейтронами. Такой способ получения фотонейтронов открывает возможности получения рентгеновских лучей и нейтронов с использованием одного источника, что позволяет снизить стоимость установки по сравнению с вариантом, в котором используются независимые источники рентгеновских лучей и нейтронов.

В публикации WO 98/55851 международной заявки раскрывается система обнаружения и распознавания контрабандных товаров, в которой получают изображения с помощью рентгеновского излучения и пучка фотонейтронов. Система работает в две стадии. Сначала в установке с помощью линейного ускорителя электронов получают рентгеновское излучение, и для обнаружения объекта используется технология получения изображения в рентгеновских лучах. Если ничего подозрительного не обнаружено, то досматриваемый объект пропускается; если же в досматриваемом объекте обнаружена подозрительная зона, то на пути пучка рентгеновских лучей на время устанавливают бериллиевую мишень, преобразующую излучение в фотонейтроны, и осуществляется проверка объекта путем анализа характеристического гамма-излучения, возникающего в результате реакции радиационного захвата между фотонейтронами и ядрами атомов вещества. На первой стадии досмотра используется только рентгеновское излучение. Как уже указывалось, возможности технологии получения изображения в рентгеновских лучах по обнаружению контрабанды весьма ограниченны, и поэтому вероятность обнаружения невысока. Кроме того, в установке не обеспечивается одновременное получение рентгеновского излучения и пучка фотонейтронов, вместо этого рентгеновское излучение и фотонейтроны генерируются последовательно, в две стадии. То есть на одной стадии генерируется только рентгеновское излучение, без фотонейтронов, а фотонейтроны получают на второй стадии с использованием рентгеновского излучения. Однако рентгеновские лучи, которые генерируются на второй стадии, не используются для досмотра, а только для получения нейтронов. Кроме того, полученные фотонейтроны используются для проверки только подозрительной зоны досматриваемого объекта и не используются для проверки всего объекта.

В китайской заявке №200510086764.8, поданной заявителем по настоящей заявке, описывается способ распознавания материалов с использованием быстрых нейтронов и рентгеновского излучения. В заявке описывается способ и устройство одновременной генерации рентгеновского излучения и фотонейтронов, при котором пучок рентгеновского излучения, получаемого с помощью ускорителя, разделяется на два пучка, один из которых используется для получения фотонейтронов. Однако, как указывается в заявке, обнаружение с помощью пучка нейтронов осуществляется путем анализа интенсивности фотонейтронов, которые прошли сквозь досматриваемый объект, а не по характеристическому гамма-излучению, возникающему в результате реакции между нейтронами и веществом объекта. Кроме того, при таком способе обнаружения обычно необходимо пространственно разнести на некоторое расстояние пучок рентгеновского излучения и пучок нейтронов, чтобы в процессе работы рентгеновская и нейтронная части установки не создавали помех работе друг друга.

Вышеуказанные заявки и патенты полностью включаются ссылкой в настоящую заявку.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью изобретения является создание мишени, преобразующей излучение в фотонейтроны, с повышенным выходом фотонейтронов.

В изобретении предлагается мишень, преобразующая излучение в фотонейтроны, которая испускает фотонейтроны при падении на нее рентгеновского излучения и которая имеет удлиненный корпус с первым и вторым концами, причем в процессе работы рентгеновское излучение поступает в корпус и распространяется в направлении от первого конца ко второму концу, и корпус мишени имеет такую форму, которая, по существу, соответствует распределению интенсивности пучка рентгеновского излучения, так что рентгеновские лучи, имеющие более высокую интенсивность, могут распространяться на большем расстоянии внутри корпуса мишени.

В предлагаемой в настоящем изобретении мишени, преобразующей излучение в фотонейтроны, рентгеновское излучение может быть использовано полностью, в результате чего повышается выход фотонейтронов. Таким образом, если мишень, преобразующая излучение в фотонейтроны, используется в нейтронной досмотровой установке, то скорость анализа в такой установке может быть увеличена. Предлагаемая в настоящем изобретении мишень, преобразующая излучение в фотонейтроны, может найти применение в любой области для получения фотонейтронов с использованием рентгеновского излучения, и ее применение не ограничивается только вариантами осуществления изобретения, рассмотренными в настоящем описании.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - схематический вид установки, предназначенной для обнаружения контрабанды с использованием фотонейтронов и рентгеновского излучения, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения;

фиг.2 - увеличенный схематический вид в плане мишени, преобразующей излучение в фотонейтроны, фиг.1, на котором показан проход, формируемый в этой мишени;

фиг.3 - схематический вид с торца мишени, преобразующей излучение в фотонейтроны, фиг.2;

фиг.4 - схематический вид улучшенного детектора гамма-излучения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Наиболее показательные конкретные варианты осуществления изобретения рассмотрены ниже подробно со ссылками на чертежи. Эти варианты используются лишь для иллюстрации изобретения и ни в коей мере не ограничивают его объем.

Как показано на фиг.1, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения досматриваемый объект, например закрытый контейнер 8, располагается на платформе 19. Необходимо отметить, что на фиг.1 показано сечение контейнера 8, чтобы можно было видеть находящиеся в нем товары 10. Этими товарами могут быть различные материалы, например металл 11, деревянный блок 12 и взрывчатка 13. Платформа 19 втягивается тяговым устройство 20 в зону досмотра досмотровой установки в соответствии с настоящим изобретением. Контейнер 8 обычно изготавливается из гофрированного стального или алюминиевого листа. Такой досмотр может также осуществляться в отношении других типов контейнеров, например авиационных.

Когда датчик положения (не показан) определяет, что контейнер 8 уже установлен в заданное положение, он может включить генератор рентгеновского излучения предлагаемой в настоящем изобретении установки, чтобы начать досмотр контейнера. В одном из вариантов осуществления изобретения генератор рентгеновского излучения может содержать ускоритель электронов (не показан) и мишень 2. Ускоритель электронов генерирует пучок 1 электронов, падающий на мишень 2. Мишень 2 обычно состоит из материала с высоким атомным номером, например из вольфрама или золота. После торможения атомами вольфрама или золота электроны излучают основной пучок 3 рентгеновского излучения (тормозное излучение). Как будет более подробно описано ниже, основной пучок 3 рентгеновского излучения делится на первый и второй пучки, причем первый пучок рентгеновского излучения используется для проверки объекта с использованием изображений, получаемых в рентгеновских лучах, а второй пучок рентгеновского излучения используется для проверки объекта с помощью нейтронов. Досмотр с использованием изображений, получаемых в рентгеновских лучах, подразумевает, что рентгеновские лучи пропускают через досматриваемый объект и получают информацию о плотности объекта по ослаблению рентгеновских лучей; а досмотр с использованием нейтронов подразумевает, что нейтроны реагируют с атомами вещества досматриваемого объекта, в результате чего излучается характеристическое гамма-излучение, и по этому излучению определяют элементы досматриваемого объекта. Необходимо отметить, что в установке и способе в соответствии с настоящим изобретением досмотр объекта осуществляется при одновременном осуществлении проверки с использованием рентгеновского излучения и проверки с использованием нейтронов.

На фиг.1 показан частичный разрез мишени 4, преобразующей излучение в фотонейтроны. Пучок 3 рентгеновских лучей падает на мишень 4 для получения фотонейтронов 6, и проверка контейнера 8 с использованием нейтронов осуществляется с помощью этих фотонейтронов 6. В рассматриваемом варианте осуществления изобретения мишень 4, преобразующая излучение в фотонейтроны, также используется для расщепления основного пучка 3 рентгеновского излучения на первый пучок и второй пучок.

Мишень 4, преобразующая излучение в фотонейтроны, показана схематически в увеличенном виде на фиг.2 и 3. Как можно видеть на фиг.2, мишень 4 содержит корпус 401. В одном из вариантов осуществления изобретения корпус 401 имеет удлиненную форму в направлении распространения основного пучка 3 рентгеновского излучения с первым концом 402 и вторым концом 403. В корпусе 401 имеется проход 404, проходящий сквозь корпус от первого конца 402 до второго конца 403. В вариантах осуществления изобретения, показанных на фиг.2 и 3, проход 404 представляет собой щель, полностью находящуюся в плоскости Р (перпендикулярно к плоскостям фиг.2 и 3), так что корпус 401 разделен на две отдельные части. Предпочтительно проход 404 проходит через центр симметрии корпуса 401 и делит его на две симметричные части. Проход 404 формируется между этими двумя отдельными частями. Когда основной пучок 3 рентгеновского излучения входит в корпус 401 мишени 4, преобразующей излучение в фотонейтроны, часть 405 основного пучка проходит непосредственно через мишень 4 по проходу 404 без какой-либо реакции с материалом мишени. Эта часть основного пучка рентгеновского излучения является первым пучком 405. Другая часть 406 основного пучка рентгеновского излучения входит в корпус 401 и распространяется в направлении от первого конца 402 ко второму концу 403 и при своем распространении реагирует с ядрами атомов мишени 4, преобразующей излучение в фотонейтроны. Эта часть основного пучка рентгеновского излучения является вторым пучком 406. Как можно видеть, проход 404 используется в качестве расщепителя пучка, обеспечивающего разделение основного пучка 3 рентгеновского излучения на первый пучок и второй пучок. В других вариантах осуществления изобретения, которые в настоящем описании не рассматриваются, проход 404 может иметь и другие формы. Например, проход может быть сформирован как сквозное отверстие (не показано), проходящее через корпус 401 таким образом, что оно не разделяет его на две части, или же проход может иметь другую форму, определяемую корпусом 401, однако проход должен обеспечивать прохождение через корпус 401 веерообразного пучка рентгеновского излучения, используемого для получения изображений в рентгеновских лучах.

Для того чтобы полностью использовать основной пучок 3 рентгеновского излучения, выходящий из мишени 2, так чтобы увеличить выход фотонейтронов из мишени 4, мишень 4 может быть изготовлена таким образом, чтобы ее форма примерно соответствовала распределению интенсивности основного пучка 3 рентгеновского излучения, а именно ее форма может быть такой, чтобы рентгеновские лучи, имеющие большую интенсивность, проходили в корпусе 401 мишени 4 большее расстояние. Основной пучок 3 рентгеновского излучения, выходящий из мишени 2, обычно имеет распределение интенсивности, симметричное относительно продольной оси луча 1 электронов (см. фиг.1 и 2). Кроме того, как правило, чем ближе к оси симметрии распределения интенсивности, тем выше интенсивность рентгеновского излучения.

Соответственно, если не учитывать проход 404 внутри мишени 4, она в целом имеет форму, симметричную относительно продольной оси 409. Кроме того, форма мишени, симметричная относительно продольной оси, по существу, соответствует распределению интенсивности основного пучка 3 рентгеновского излучения, симметричного относительно продольной оси. В процессе работы установки ось 409 симметрии мишени совпадает с осью симметрии распределения интенсивности основного пучка 3 рентгеновского излучения. Предпочтительно по меньшей мере часть мишени 4, преобразующей излучение в фотонейтроны, суживается в направлении второго конца 403, так что мишень 4 имеет большую длину там, где она ближе к своей оси симметрии. В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.2, мишень 4, преобразующая излучение в фотонейтроны, содержит суживающуюся часть 408, примыкающую ко второму концу 403, и цилиндрическую часть 407, примыкающую к первому концу 402, причем цилиндрическая часть 407 может быть выполнена как единое целое с суживающейся частью 408. Суживающаяся часть 408 может заканчиваться на втором конце 403. Как можно видеть на фиг.2, суживающаяся часть 408 имеет форму усеченного конуса. Цилиндрическая часть 407 и суживающаяся часть 408 имеют общую продольную центральную ось, совпадающую с осью симметрии мишени. В других вариантах суживающаяся часть 408 может иметь форму полного конуса (без усечения) или же может суживаться в иной форме, например суживающаяся часть 408 может иметь криволинейную поверхность. В других вариантах мишень 4, преобразующая излучение в фотонейтроны, также может суживаться от первого конца 402 ко второму концу 403.

Хотя на фиг.1-3 показано, что проход 404, сформированный в мишени 4, служит в качестве расщепителя пучка, однако специалистам в данной области техники будет ясно, что для разделения основного пучка 3 рентгеновского излучения на первый пучок и второй пучок могут быть использованы и другие виды расщепителей пучка. Например, может быть использован разрезной коллиматор с двумя проходами, описанный в китайской заявке №200510086764.8 заявителя по настоящей заявке. Разрезной коллиматор с двумя проходами может расщеплять основной пучок 3 рентгеновского излучения на два пучка, разнесенных на некоторое расстояние друг от друга, и на пути одного из пучков будет располагаться мишень, преобразующая излучение в фотонейтроны.

Необходимо также отметить, что признак суживающейся части мишени 4 не ограничивается только рассмотренными вариантами осуществления настоящего изобретения. Этот признак может также использоваться в любых других вариантах, в которых пучок рентгеновского излучения используется для бомбардировки мишени, чтобы получить пучок фотонейтронов. Например, этот признак может использоваться в варианте, описанном в публикации WO 98/55851 международной заявки и китайской заявки №200510086764.8, для повышения выхода фотонейтронов. В этих других вариантах применения мишень, преобразующая излучение в фотонейтроны, может иметь вышеописанный проход, служащий расщепителем пучка, или может не иметь такого прохода.

Обычно выбор энергии пучка 1 электронов определяется требуемой энергией пучка рентгеновского излучения и материалом мишени, преобразующей излучение в фотонейтроны (см. фиг.1). В зависимости от различных типов досматриваемых объектов, скорости их досмотра и требований в части безопасности работы для просвечивания объектов могут выбираться рентгеновские лучи различной энергии. С точки зрения безопасности и стоимости обычно выбирается минимально возможный уровень энергии. Ускоритель электронов (не показан) может обеспечивать энергию в диапазоне от 1 МэВ до 15 МэВ. Подходящий материал для мишени 4, преобразующей излучение в фотонейтроны, должен иметь по возможности меньший порог реакции и как можно большее сечение фотонейтронной реакции, однако эти два требования трудно выполнить одновременно. Для энергии рентгеновского излучения от 1 МэВ до 15 МэВ, которая сравнительно невелика, выход фотонейтронов будет ниже для материала мишени с большим сечением реакции и с более высоким порогом. Однако бериллий (Be) или тяжелая вода (D₂O) являются более подходящими материалами. Порог фотонейтронной реакции ⁹Be составляет всего лишь 1,67 МэВ, а порог реакции D в D₂O равен 2,223 МэВ. Основной пучок 3 рентгеновского излучения, падающий на мишень 4, осуществляет фотонейтронную реакцию с ⁹Bе или с ²H, в результате чего излучаются фотонейтроны 6. Поскольку энергетический спектр основного пучка 3 рентгеновского излучения имеет непрерывное распределение, то энергетический спектр фотонейтронов 6 также имеет непрерывное распределение. Кроме того, если используемый ускоритель электронов может генерировать пучок 1 электронов с более высокой энергией, то в этом случае мишень 4 может быть изготовлена из материала с более высоким порогом фотонейтронной реакции и с большим сечением реакции, например из различных изотопов вольфрама (W) и различных изотопов урана (U).

В одном из вариантов осуществления изобретения ускоритель электронов может генерировать пучок 1 электронов с определенной частотой. Таким образом, пучок 1 электронов будет представлять собой импульсный поток с определенной частотой. В этом случае при падении импульсного пучка 1 электронов на мишень 2 будет генерироваться поток 3 рентгеновского излучения с такой же частотой импульсов. Частота импульсов может быть определена в зависимости от скорости перемещения досматриваемого контейнера 8 и может находиться в диапазоне от 10 Гц до 1000 Гц. В одном из вариантов осуществления изобретения частота импульсов может составлять 250 Гц. Импульсы пучка 1 электронов могут иметь ширину в диапазоне от 1 мкс до 10 мкс.

Необходимо заметить, что когда основной пучок 3 рентгеновского излучения падает на мишень 4, то для генерации фотонейтронов 6 требуется очень малое время, обычно меньше 1 мкс. Поэтому фотонейтроны 6, используемые для нейтронной бомбардировки объекта, и первый пучок 405 рентгеновского излучения, используемый для получения изображений объекта в рентгеновских лучах, генерируются почти одновременно. В результате просвечивание объектов рентгеновским излучением и нейтронами осуществляется одновременно. Это очевидным образом отличается от работы установки, раскрытой в публикации WO 98/55851 международной заявки.

Поток нейтронов 6, излучаемый мишенью 4, является изотропным. Поэтому только часть получаемых фотонейтронов имеет направление в сторону досматриваемого контейнера 8. Поскольку ⁹Ве и ²H в мишени 4 имеют большее сечение рассеивания нейтронов, то фотонейтроны 6, излучаемые мишенью 4, будут двигаться также и назад, а именно в направлении, противоположном направлению основного пучка 3 рентгеновского излучения, падающего на мишень 4. Для повышения эффективности работы источника фотонейтронов 6, так чтобы они направлялись на досматриваемый контейнер 8, за мишенью 4 (возле первого конца 402 мишени 4) может быть установлен отражатель нейтронов (не показан). Отражатель нейтронов используется для отражения фотонейтронов 6, которые перемещаются в сторону от досматриваемого контейнера 8, и направления их в сторону этого контейнера.

На пути прохождения первого пучка 405 (см. фиг.1) в направлении досматриваемого контейнера 8 установлен коллиматор 5 рентгеновского излучения для придания первому пучку рентгеновского излучения плоской веерообразной формы. Коллиматор 5 рентгеновских лучей предпочтительно устанавливается рядом со вторым концом 403 корпуса 401 мишени 4 и выровнен с проходом 404. Таким образом, первый пучок 405 рентгеновского излучения коллимируется с помощью коллиматора 5, после того как первый пучок 405 пройдет через мишень по сквозному проходу 404, в результате чего формируется пучок 7, имеющий плоскую веерообразную форму. То есть пространство за пределами пучка 7 рентгеновского излучения экранируется коллиматором 5. Таким образом, воздействие рентгеновского излучения на работу подсистемы досмотра с помощью пучка нейтронов, особенно на работу детектора гамма-излучения, будет снижаться.

Ниже описывается досмотр контейнера 8 путем получения рентгеновского изображения с использованием первого пучка 405 рентгеновского излучения и нейтронного облучения (нейтронные изображения) с использованием фотонейтронов 6, генерируемых вторым пучком 406 рентгеновского излучения. Необходимо отметить, что технологии досмотра с помощью рентгеновского излучения и нейтронов (по отдельности) хорошо известны средним специалистам в данной области техники. Однако в настоящем изобретении досмотр с использованием рентгеновского излучения и нейтронов может выполняться одновременно, поскольку первый пучок 405 рентгеновского излучения и фотонейтроны 6 могут генерироваться одновременно (или почти одновременно).

Ниже сначала описывается досмотр путем получения изображения в рентгеновских лучах. Как показано на фиг.1, веерообразный пучок 7 рентгеновского излучения, а именно коллимированный первый пучок 405 рентгеновского излучения, излучается в направлении досматриваемого контейнера 8. Товары, имеющиеся внутри контейнера 8, будут ослаблять веерообразный пучок 7. Устройство измерения рентгеновского излучения будет измерять интенсивность ослабленного излучения. В качестве устройства измерения рентгеновского излучения может использоваться матрица детекторов рентгеновского излучения. Степень ослабления рентгеновского излучения отражает поглощающую способность материала по линии от мишени 2 до соответствующего детектора рентгеновского излучения в матрице 15 детекторов.

Поглощающая способность связана с плотностью и составом вещества, имеющегося в контейнере 8. С помощью матрицы 15 детекторов рентгеновского излучения можно получить двумерное изображение контейнера 8 в рентгеновских лучах. В качестве детекторов в матрице 15 могут использоваться газовые ионизационные камеры, кристаллы вольфрамата кадмия, кристаллы CsI, а также и другие типы детекторов. Как уже указывалось, пучок 1 электронов, падающих на мишень 2, имеет определенную частоту, и при этом генерируется рентгеновское излучение, пульсирующее с такой же частотой. Для каждого импульса рентгеновского излучения матрица 15 детекторов будет получать одномерное изображение некоторого сечения контейнера 8. По мере того как тяговое устройство 20 перемещает контейнер 8, из множества одномерных изображений, полученных по измерениям многих детекторов, составляется двумерное изображение контейнера 8 в рентгеновских лучах.

Бомбардировка объекта нейтронами осуществляется одновременно с просвечиванием рентгеновскими лучами. После того как нейтроны 6 излучаются мишенью 4, они будут попадать в досматриваемый контейнер 8. После попадания в досматриваемый контейнер 8 энергия фотонейтронов 6 снижается за счет рассеивания (упругое и неупругое рассеивание). В коллимировании фотонейтронов 6 перед контейнером 8 нет необходимости, поскольку они распределяются в достаточно широком диапазоне в процессе рассеивания. Излучаемые фотонейтроны 6 - это быстрые нейтроны, которые становятся медленными нейтронами в течение нескольких мкс. В результате энергия нейтронов 6 снижается до энергии тепловых нейтронов. Как правило, фотонейтроны 6 превращаются из быстрых нейтронов в тепловые нейтроны примерно за 1 мс. Затем тепловые нейтроны будут исчезать: они будут поглощаться веществом или уходить в окружающее пространство. Время существования тепловых нейтронов в пространстве находится в диапазоне от 1 мс до 30 мс. Нейтроны также могут участвовать в реакции захвата в энергетических областях быстрых и медленных нейтронов, однако сечение реакции очень мало. Когда энергия нейтронов снижается, то сечение реакции будет быстро увеличиваться, поскольку сечение захвата обратно пропорционально скорости движения нейтронов. Поскольку ускоритель электронов работает в непрерывном импульсном режиме, то тепловые нейтроны различных импульсов будут существовать совместно. Например, если ускоритель электронов работает на частоте 250 Гц, и ширина импульса составляет 5 мкс, то в конечном счете будет существовать нейтронное поле, создаваемое в пространстве, которое представляет собой импульсы быстрых нейтронов с частотой 250 Гц и шириной импульса 5 мкс и которое накладывается на примерно постоянное поле тепловых нейтронов.

В результате реакции радиационного захвата веществом тепловых нейтронов возникает характеристическое гамма-излучение. Например, ¹H может реагировать с нейтронами, в результате чего испускается характеристическое гамма-излучение с энергией 2,223 МэВ, а ¹⁴N и ¹⁷Cl могут реагировать с нейтронами, в результате чего испускается гамма-излучение с энергией 10,828 МэВ и 6,12 МэВ соответственно. Виды элементов в досматриваемом объекте могут быть определены путем измерения этих характеристических гамма-излучений. Различные материалы в досматриваемом контейнере 8 при облучении нейтронами могут испускать различные характеристические гамма-излучения. Виды таких материалов могут быть определены путем анализа энергетических спектров гамма-излучения. Например, если большое количество сигналов указывает на то, что внутри контейнера находятся элементы N и Н, то, возможно, в контейнере находятся взрывчатые вещества или "бомба из удобрения (из аммиачной селитры)", а если гамма-излучение указывает на Cl, то, возможно, в контейнере находятся наркотики, такие как героин и кокаин, которые контрабандисты обычно перевозят в форме хлорида. Кроме того, также могут быть обнаружены ядерные материалы, такие как, например, уран и плутоний, путем измерения нейтронов деления, вызванного фотонейтронами.

Измерение энергетического спектра гамма-излучения осуществляется с помощью измерительных средств. В качестве таких средств может быть использована одна или несколько матриц 14 детекторов гамма-излучения. Каждая матрица 14 детекторов содержит ряд детекторов, обеспечивающих возможность приема характеристического гамма-излучения. Кроме того, как показано на фиг.1, когда используется несколько матриц 14 детекторов гамма-излучения, они могут быть расположены по обе стороны от пути движения контейнера 8. Кроме того, матрицы 14 детекторов гамма-излучения могут отстоять на некотором расстоянии от матриц 15 детекторов рентгеновского излучения, то есть сдвинуты на некоторое расстояние от плоского веерообразного пучка 7 (первый пучок рентгеновского излучения), чтобы минимизировать влияние первого пучка рентгеновского излучения на работу детекторов гамма-излучения. Матрицы детекторов гамма-излучения обеспечивают получение распределения в плоскости определенного элемента на основе анализа спектрального сигнала гамма-излучения.

Могут использоваться самые разные типы детекторов γ-излучения, например, на основе NaI (TI), BGO, HPGe и LаВr₃.

В предлагаемой в настоящем изобретении установке используются два вида детекторов: детекторы рентгеновского излучения и детекторы гамма-излучения. Эти два типа детекторов работают в условиях, когда одновременно существуют рентгеновское излучение, гамма-излучение и нейтроны. Любые два вида излучения могут создавать помехи друг другу. В особенности, рентгеновское излучение имеет очень большую интенсивность по сравнению с гамма-излучением и потоком нейтронов, и оно может вносить помехи в спектр энергии, измеряемый детекторами гамма-излучения. Поэтому существует настоятельная необходимость экранирования детекторов гамма-излучения от нейтронов и от рентгеновского излучения.

На фиг.4 приведен схематический вид улучшенного детектора гамма-излучения, основными частями которого являются кристалл 22 (NaI) и фотоумножитель 23. Кристалл 22 имеет переднюю торцевую поверхность 30, воспринимающую гамма-излучение, заднюю торцевую поверхность 31, противолежащую передней торцевой поверхности 30, и периферийную поверхность 32. Когда на кристалл 22 падает гамма-излучение, возникает фотоэлектрический эффект, рассеяние Комптона, или эффект электронной пары. Фотоны гамма-излучения передают энергию вторичным электронам. Вторичные электроны тормозятся и вызывают ионизацию внутри кристалла. Электронные дырки, возникающие в результате ионизации, создают флюоресценцию. Фотоны флюоресценции вызывают возникновение фотоэлектронов на катоде фотоумножителя 23. Затем фотоэлектроны умножаются фотоумножителем, и на выходе ступени предусилителя формируется напряжение. Для экранирования кристалла 22 от рентгеновского излучения и от нейтронов, как показано на фиг.4, детектор гамма-излучения содержит также экранирующий материал 28, защищающий от нейтронов, который окружает, по меньшей мере, периферийную поверхность 32 кристалла 22 и оставляет открытой его переднюю торцевую поверхность 30. Предпочтительно экранирующий материал 28 окружает также заднюю торцевую поверхность 31 кристалла 22. Экранирующий материал 28, защищающий от нейтронов, обычно состоит из вещества, богатого водородом (Н). Например, олефин, полиэтилен или вода являются подходящими материалами для этой цели. Учитывая требования прочности и пожарной безопасности, обычно выбирают полиэтилен. Атомы водорода в экранирующем материале 28, имеющем большое сечение рассеивания для нейтронов, могут отражать нейтроны, и при этом они быстро снижают и поглощают энергию нейтронов. Однако после реакции радиационного захвата между экранирующим материалом 28 и нейтронами, будет испускаться характеристическое γ-излучение водорода с энергией 2,223 МэВ. Это характеристическое гамма-излучение будет создавать помехи для измерительных детекторов. Поэтому внутри экранирующего материала 28, защищающего от нейтронов, детектор гамма-излучения содержит также экран 26 защиты от рентгеновского и гамма-излучения, который окружает, по меньшей мере, периферийную поверхность кристалла детектора, оставляя открытой переднюю торцевую поверхность кристалла 22 (NaI). Предпочтительно экран 26 окружает также и заднюю торцевую поверхность 31 кристалла 22. Экран 26 защиты от рентгеновского и гамма-излучения может не только поглощать гамма-излучение, возникающее, когда материал 28 реагирует с нейтронами, но также может поглощать большую часть рентгеновского излучения, исходящего из мишени 2, и рассеянных лучей, так что для детектора гамма-излучения могут быть обеспечены нормальные рабочие условия. В качестве материала экрана 26 может использоваться тяжелый металл, атомный номер которого равен или превышает 74, например, свинец Pb или вольфрам W. Кроме того, перед передней торцевой поверхностью 30 кристалла 22 детектора гамма-излучения устанавливается экран 27, поглощающий нейтроны. В отличие от требований, предъявляемых к экранирующему материалу 28, поглощающему нейтроны, экран 27 должен поглощать нейтроны без испускания гамма-излучения с энергией 2,223 МэВ, когда нейтрон захватывается ядром водорода. Экран 27, поглощающий нейтроны, может быть изготовлен из олефина или полиэтилена и материала бор ¹⁰В, имеющего очень высокую способность по поглощению тепловых нейтронов (полиэтилен, содержащий бор), так что водород не будет иметь возможности испускать гамма-фотоны. Чтобы детектор гамма-излучения измерял только то излучение, которое приходит из зоны объекта, находящейся непосредственно перед ним, и не реагировал на излучения, приходящие с других направлений (например, рассеянные рентгеновские лучи или фоновое гамма-излучение, связанное с азотом воздуха), детектор гамма-излучения содержит коллиматор 29, расположенный перед кристаллом 22 и экраном 27, поглощающим нейтроны, для экранирования от фонового рассеянного рентгеновского излучения в окружающем пространстве, и от фонового гамма-излучения, создаваемого нейтронами в окружающем пространстве. В коллиматоре 29 имеется сквозное отверстие, выровненное с передней торцевой поверхностью 30 кристалла 22. Сквозное отверстие определяет направление распространения излучений, и на переднюю торцевую поверхность детектора будут попадать только те рентгеновские и гамма-лучи, которые проходят в направлении распространения через сквозное отверстие, то есть осуществляется коллимирование измеряемого гамма-излучения. Диаметр сквозного отверстия может быть равен диаметру кристалла 22, и его длина обычно находится в диапазоне от примерно 5 см до примерно 30 см и может быть определена в зависимости от необходимого коллимирующего действия. Коллиматор 29 обычно изготавливается из тяжелого металла (например, из свинца Рb или из вольфрама W) с атомным номером, равным или превышающим 74, или из стали.

Кроме того, в работе детектора γ-излучения может использоваться стробирующая схема управления (не показана) для управления временем измерения детектора, так чтобы время измерения не накладывалось на время выхода основного пучка рентгеновского излучения. В этом случае можно еще больше снизить мешающее воздействие рентгеновского излучения на работу детектора гамма-излучения.

По сигналам, поступающим из матрицы 15 детекторов рентгеновского излучения и из матрицы 14 детекторов гамма-излучения, можно получить изображение досматриваемого контейнера 8 в рентгеновских лучах и изображение в пучке нейтронов (нейтронное изображение). В предлагаемой в настоящем изобретении установке схема 17 обработки сигналов принимает и обрабатывает сигналы из матрицы 15 детекторов рентгеновского излучения для получения изображения контейнера 8 в рентгеновских лучах. Схема 18 обработки сигналов гамма-излучения принимает сигналы из матрицы 14 детекторов гамма-излучения для анализа энергетического спектра с целью получения двумерного нейтронное изображения, содержащего двумерное распределение элементов рассматриваемого объекта. Двумерное нейтронное изображение объединяется с двумерным рентгеновским изображением для осуществления распознавания и обнаружения контрабанды в контейнере.

В процессе досмотра объекта матрица детекторов рентгеновского излучения и матрица детекторов гамма-излучения находятся в разных положениях. В результате рентгеновское изображение и нейтронное изображение не могут быть получены одновременно при движении досматриваемого объекта. Кроме того, изображения, получаемые соответствующими матрицами детекторов гамма-излучения, различаются, поскольку матрицы детекторов гамма-излучения расположены в разных местах. При объединении рентгеновского изображения с нейтронным изображением для обеспечения улучшенного обнаружения контрабанды, учитываются следующие соображения.

Что касается разных матриц детекторов гамма-излучения, поскольку расстояния между ними известны, то взаимное расположение в пространстве нейтронных изображений также известно. Учет положений нейтронных изображений, полученных в разные моменты времени, позволяет для матриц детекторов гамма-излучения, находящихся в разных местах, получить общую картину распределения элементов в объекте.

Что касается рентгеновского изображения и нейтронного изображения, то их взаимное расположение в пространстве также известно, и поэтому можно смещать нейтронное изображение и/или рентгеновское изображение и объединять их в одно изображение, так чтобы точки в одном и другом изображениях, соответствующие одним и тем же положениям досматриваемого объекта, полностью совпадали. Таким образом, в объединенном изображении каждая его точка содержит информацию о распределении элементов досматриваемого объекта и информацию о его плотности. В предлагаемой в настоящем изобретении установке могут использоваться средства объединения изображений (не показаны) для вышеуказанного приведения рентгеновского изображения и нейтронного изображения, чтобы получить единое изображение. Таким образом, оператору нужно просматривать только одно изображение для восприятия распределения элементов досматриваемого объекта и его плотности, чтобы осуществить сравнительно точное определение местоположения возможной контрабанды в досматриваемом объекте.

В описании были рассмотрены некоторые наиболее предпочтительные варианты осуществления изобретения, однако должно быть ясно, что изобретение не ограничивается лишь этими вариантами. Специалисты в данной области техники смогут предложить различные изменения и модификации настоящего изобретения. Однако все эти модификации и изменения находятся в пределах сущности и объема настоящего изобретения.

Изобретение относится к мишеням, преобразующим излучение в фотонейтроны. Техническим результатом изобретения является создание мишени с повышенным выходом фотонейтронов. Согласно изобретению мишень испускает фотонейтроны при падении на нее рентгеновского излучения и содержит удлиненный корпус, имеющий первый и второй конец, причем в процессе работы рентгеновское излучение поступает в корпус и распространяется в направлении от первого конца ко второму концу, и корпус мишени имеет такую форму, которая, по существу, соответствует распределению интенсивности пучка рентгеновского излучения, так что рентгеновские лучи, имеющие более высокую интенсивность, могут распространяться на большем расстоянии внутри корпуса мишени. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Мишень, преобразующая излучение в фотонейтроны, которая испускает фотонейтроны при падении на нее пучка рентгеновского излучения и которая имеет удлиненный корпус с первым и вторым концами, причем в процессе работы пучок рентгеновского излучения поступает в корпус и распространяется в направлении от первого конца ко второму концу, и корпус мишени имеет такую форму, которая, по существу, соответствует распределению интенсивности пучка рентгеновского излучения, так что рентгеновские лучи, имеющие более высокую интенсивность, могут распространяться на большем расстоянии внутри корпуса мишени.

2. Мишень, преобразующая излучение в фотонейтроны, по п.1, в которой распределение интенсивности пучка рентгеновского излучения симметрично относительно продольной оси этого пучка, кроме того, корпус мишени симметричен относительно продольной оси мишени, причем симметричная форма мишени, по существу, соответствует симметричному распределению интенсивности пучка рентгеновского излучения, и в процессе работы ось симметрии мишени совпадает с осью симметрии распределения интенсивности пучка рентгеновского излучения.

3. Мишень, преобразующая излучение в фотонейтроны, по п.1 или 2, в которой по меньшей мере часть корпуса суживается в направлении второго конца удлиненного корпуса.

4. Мишень, преобразующая излучение в фотонейтроны, по п.3, в которой суживающаяся часть заканчивается на втором конце.

5. Мишень, преобразующая излучение в фотонейтроны, по п.4, в которой суживающаяся часть имеет форму конуса или усеченного конуса.

6. Мишень, преобразующая излучение в фотонейтроны, по п.3, в которой корпус содержит также цилиндрическую часть, причем суживающаяся часть примыкает ко второму концу, а цилиндрическая часть примыкает к первому концу.

7. Мишень, преобразующая излучение в фотонейтроны, по п.3, содержащая также проход, сформированный в корпусе и проходящий сквозь него от первого конца ко второму концу.

8. Мишень, преобразующая излучение в фотонейтроны, по п.7, в которой проход проходит вдоль оси симметрии корпуса мишени.