μ子檢測(cè)器陣列站的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】μ子檢測(cè)器陣列站
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本專(zhuān)利文件要求2013年4月29日提交的名稱(chēng)為“ μ子檢測(cè)器陣列站”的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)No. 61/817，264的優(yōu)先權(quán)益。所述專(zhuān)利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用合并作為本專(zhuān)利文件公開(kāi)內(nèi)容的一部分。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本專(zhuān)利文件涉及一種使用基于μ子（muon)斷層攝影術(shù)成像和傳感的系統(tǒng)、設(shè)備和方法。
【背景技術(shù)】
[0004]μ子是一種帶電顆粒，其具有類(lèi)似于電子的自旋和單位負(fù)電荷，但是具有比電子大高于兩百倍的質(zhì)量。μ子可以通過(guò)宇宙射線撞擊大氣而產(chǎn)生，且這樣由宇宙射線產(chǎn)生的μ子穿透到地球表面。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]μ子斷層攝影檢測(cè)技術(shù)、系統(tǒng)和設(shè)備被描述用于在不同位置（例如道路檢測(cè)點(diǎn)、倉(cāng)庫(kù)、飛機(jī)庫(kù)、港口和其他檢測(cè)點(diǎn)）處基于天然發(fā)生和存在的宇宙射線產(chǎn)生的在地球表面上的μ子來(lái)檢測(cè)和識(shí)別目標(biāo)材料而實(shí)施材料檢測(cè)站。
[0006]在一方面，一種用于μ子斷層攝影檢測(cè)的系統(tǒng)，包括：第一殼體結(jié)構(gòu)，包括μ子檢測(cè)傳感器的第一陣列，第一殼體結(jié)構(gòu)沿與檢測(cè)區(qū)域相鄰的第一側(cè)定位，所述檢測(cè)區(qū)域具有容納目標(biāo)物體或交通工具的空間，其中第一陣列的μ子檢測(cè)傳感器測(cè)量穿過(guò)到檢測(cè)區(qū)域的μ子的位置和方向；第二殼體結(jié)構(gòu)，包括μ子檢測(cè)傳感器的第二陣列，第二殼體結(jié)構(gòu)沿與檢測(cè)區(qū)域相鄰且與第一側(cè)相對(duì)的第二側(cè)定位，且在相對(duì)第一殼體結(jié)構(gòu)的固定高度處，其中第二陣列的μ子檢測(cè)傳感器測(cè)量從檢測(cè)區(qū)域行進(jìn)穿過(guò)第二陣列的μ子的位置和方向；支撐結(jié)構(gòu)，以定位第一殼體結(jié)構(gòu)在固定高度處；以及處理單元，從μ子檢測(cè)傳感器的第一和第二陣列接收測(cè)得的位置和方向，且分析由在檢測(cè)區(qū)域中μ子在目標(biāo)物體的材料中的散射導(dǎo)致的μ子的散射行為，以獲得在檢測(cè)區(qū)域中的散射中心的斷層攝影圖像或空間分布。在一些實(shí)施方式中，其它示例性檢測(cè)器配置可以被使用，包括但不限于，在目標(biāo)物體的兩側(cè)具有一對(duì)檢測(cè)器陣列，例如在物體的上方和下方和/或在目標(biāo)物體的多個(gè)相對(duì)側(cè)，例如除了在物體的上方和下方，還具有側(cè)面對(duì)。
[0007]這些或其它特征在附圖、說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求中被更詳細(xì)地描述。
【附圖說(shuō)明】
[0008]圖IA顯示了用于機(jī)動(dòng)車(chē)的示例性μ子斷層攝影術(shù)材料檢測(cè)站的示意圖。
[0009]圖IB顯示了示例性μ子斷層攝影術(shù)材料檢測(cè)站的下部檢測(cè)單元的示意圖。
[0010]圖2顯示了用于飛行器的示例性μ子斷層攝影術(shù)材料檢測(cè)站的示意圖。
[0011]圖3A顯示了用于倉(cāng)庫(kù)或存儲(chǔ)設(shè)施的示例性μ子斷層攝影術(shù)材料檢測(cè)站的示意圖。
[0012]圖3Β顯示了用于倉(cāng)庫(kù)或存儲(chǔ)設(shè)施的另一示例性μ子斷層攝影術(shù)材料檢測(cè)站的示意圖。
[0013]圖3C顯示了用于倉(cāng)庫(kù)或存儲(chǔ)設(shè)施的另一示例性μ子斷層攝影術(shù)材料檢測(cè)站的示意圖。
[0014]在各附圖中相同的參考標(biāo)號(hào)和標(biāo)記表示相同的元件。
【具體實(shí)施方式】
[0015]宇宙射線斷層攝影術(shù)是一種技術(shù)，其使用高滲透性宇宙射線產(chǎn)生的μ子的多重庫(kù)倫散射執(zhí)行材料的無(wú)損檢測(cè)，而不使用人工輻射。地球被來(lái)自深空的高能穩(wěn)定顆粒(大部分為質(zhì)子)連續(xù)撞擊。這些顆粒與上層大氣中的原子相互作用，以產(chǎn)生包括大量短壽命的子(p1n)的顆粒雨，其中子衰減產(chǎn)生壽命較長(zhǎng)的μ子。μ子與物質(zhì)主要通過(guò)庫(kù)侖力相互作用，沒(méi)有核相互作用且輻射遠(yuǎn)小于電子。這樣的宇宙射線產(chǎn)生的顆粒通過(guò)電磁相互作用而緩慢地?fù)p失能量。因此，很多宇宙射線產(chǎn)生的μ子作為高滲透性帶電輻射抵達(dá)地球表面。在海平面處的μ子流量為約Iμ子每平方厘米每分鐘。
[0016]當(dāng)μ子運(yùn)動(dòng)穿過(guò)材料時(shí)，亞原子顆粒的電荷的庫(kù)倫散射擾亂其軌跡?？偲D(zhuǎn)取決于幾個(gè)材料特性，但是顯性效應(yīng)為原子核的原子序數(shù)Z和材料的密度。與形成更普通物體的材料(譬如水、塑料、鋁和鋼)相比，μ子的軌跡被形成良好伽馬射線屏蔽的材料(譬如鉛和鎢)和特種核材料(SNM)(譬如鈾和钚)更強(qiáng)地影響，每個(gè)μ子承載關(guān)于它已經(jīng)穿透的物體的信息。多個(gè)μ子的散射可以被測(cè)量和處理以感測(cè)這些物體的特性。當(dāng)材料被定位在低Z和中等Z物質(zhì)的內(nèi)部時(shí)，具有高原子序數(shù)Z和高密度的材料可以被檢測(cè)和識(shí)別。
[0017]來(lái)自物質(zhì)中的原子核的庫(kù)倫散射導(dǎo)致在帶電顆粒穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，它們的非常大量的小角度偏轉(zhuǎn)。校準(zhǔn)的分布函數(shù)可以被用于大體描述軌跡的移位和角度改變，其取決于材料的密度和原子電荷(atomic charge)。作為實(shí)例，該分布函數(shù)可以大體為高斯分布。分布函數(shù)的寬度正比于顆粒的動(dòng)量的倒數(shù)和以輻射長(zhǎng)度測(cè)量的材料的實(shí)際密度的平方根。宇宙射線產(chǎn)生的μ子的該校準(zhǔn)的分布函數(shù)可以提供μ子路徑中材料上的信息，而沒(méi)有高于地球背景的輻射劑量，且這樣的宇宙射線產(chǎn)生的μ子的適當(dāng)檢測(cè)可以以這樣的方式被實(shí)施，其對(duì)被選擇的要被檢測(cè)的材料(譬如良好輻射屏蔽材料)特別敏感。
[0018]μ子斷層攝影系統(tǒng)可以被配置為在基于μ子被目標(biāo)物體的散射的檢測(cè)下執(zhí)行目標(biāo)物體的斷層攝影。例如，μ子斷層攝影系統(tǒng)可以被用于檢測(cè)某種目標(biāo)物體，例如諸如可以被用戶威脅公眾的材料，包括走私核材料。μ子斷層攝影系統(tǒng)可以被用于與其它核材料檢測(cè)器(譬如伽馬或X射線檢測(cè)器)結(jié)合使用，或替代它們使用。伽馬和X射線檢測(cè)器通過(guò)引導(dǎo)伽馬和X射線到目標(biāo)且測(cè)量穿透的伽馬和X射線輻射來(lái)操作。核材料的屏蔽可以降低伽馬和X射線檢測(cè)器的計(jì)數(shù)率，且降低伽馬和X射線的檢測(cè)性能。μ子斷層攝影系統(tǒng)可以被配置為檢測(cè)被屏蔽的核材料和物體。
[0019]公開(kāi)了一種材料檢測(cè)站，以使用在各種場(chǎng)所(譬如道路檢測(cè)點(diǎn)、倉(cāng)庫(kù)、機(jī)場(chǎng)懸掛機(jī)、海港和其它檢測(cè)點(diǎn))實(shí)施的μ子斷層攝影檢測(cè)技術(shù)、系統(tǒng)和設(shè)備來(lái)檢測(cè)和識(shí)別在包裝、貨柜、交通工具等中的材料。例如，公開(kāi)的材料檢測(cè)站可以被用于檢測(cè)目標(biāo)交通工具，包括機(jī)動(dòng)車(chē)、飛行器和船只，以確定目標(biāo)材料的存在與否。
[0020]在一些實(shí)施方式中，材料檢測(cè)站可在上部和下部檢測(cè)結(jié)構(gòu)中包括μ子檢測(cè)傳感器的陣列，其配置為特別對(duì)齊以檢測(cè)目標(biāo)材料，例如目標(biāo)材料包括核威脅物體。例如，這樣的核威脅物體的范圍可以從完全組裝的核武器到小量的高度屏蔽核材料。所述的材料檢測(cè)站使得能夠使用在殼體結(jié)構(gòu)中的單個(gè)檢測(cè)器系統(tǒng)檢測(cè)屏蔽和未屏蔽的核材料，以提供檢測(cè)核或其他目標(biāo)設(shè)備和材料的成本有效的方式。
[0021]圖1Α顯示了用于機(jī)動(dòng)車(chē)的μ子斷層攝影術(shù)材料檢測(cè)站100的示例性實(shí)施例的示意圖。材料檢測(cè)站100被構(gòu)造為包括上部μ子斷層攝影檢測(cè)單元110(其包括μ子檢測(cè)器150的陣列)和下部μ子斷層攝影檢測(cè)單元120 (其包括μ子檢測(cè)器150的另一陣列)。上部檢測(cè)單元110被布置在下部檢測(cè)單元120上方且相對(duì)于下部檢測(cè)單元120在固定位置中，其中在上部和下部檢測(cè)單元110和120的相對(duì)布置之間的區(qū)域形成檢測(cè)區(qū)域。在圖1Α中的實(shí)例中，上部檢測(cè)單元110被接合到檢測(cè)站100的上部覆蓋結(jié)構(gòu)或集成為上部覆蓋結(jié)構(gòu)的一部分。檢測(cè)區(qū)域被配置為尺寸設(shè)置為容納非商用和商用機(jī)動(dòng)車(chē)(包括卡車(chē)和半掛拖車(chē)組合)的空間，其具有高至且包括下列最大總尺寸和重量限制。例如，檢測(cè)區(qū)域可以配置為尺寸設(shè)置為允許牽引具有多個(gè)尺寸(例如包括但不限于諸如20英尺、40英尺、45英尺、48英尺和53英尺長(zhǎng)和8英尺寬的標(biāo)準(zhǔn)尺寸)的貨柜的半卡車(chē)的空間。
[0022]站100包括多個(gè)支撐結(jié)構(gòu)105，以將上部檢測(cè)單元110定位和結(jié)構(gòu)支撐在下部檢測(cè)單元120上方。例如，支撐結(jié)構(gòu)105的尺寸可以被配置為具有特定高度，以在上部和下部檢測(cè)單元110和120之間提供充分距離，以有助于各種類(lèi)型的目標(biāo)交通工具或其它目標(biāo)物體適應(yīng)在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)。在一些實(shí)施例中，支撐結(jié)構(gòu)105可以配置為支柱或粧，類(lèi)似于圖1Α中所示的那些。在其它實(shí)施例中，支撐結(jié)構(gòu)105可以被配置為具有壁或?yàn)楸凇Ｔ谄渌鼘?shí)施例中，支撐結(jié)構(gòu)105可以配置為從在下部檢測(cè)單元120上方固定位置中的上部檢測(cè)單元110懸垂。
[0023]站100包括一個(gè)或多個(gè)軌107，以定位目標(biāo)交通工具和/或目標(biāo)物體在檢測(cè)區(qū)域中。一個(gè)或多個(gè)軌107可以定位在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的底平面上，以使得目標(biāo)交通工具在檢測(cè)區(qū)域中符合與上部和下部檢測(cè)單元110和120的特別對(duì)齊。例如，在一些實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)軌107可以配置為沿著站100的地板的標(biāo)記(例如油漆線)。
[0024]在一些實(shí)施例中，下部檢測(cè)單元120可以安裝在與地面對(duì)齊的平面下方的水平處(例如在引入到檢測(cè)區(qū)域并繼續(xù)穿過(guò)并離開(kāi)的道路的下方)，使得目標(biāo)交通工具可以直接行駛到檢測(cè)區(qū)域中下部檢測(cè)單元120的上方，而不需要知道這一點(diǎn)。例如，下部檢測(cè)單元120可以配置為相對(duì)于要被檢測(cè)的交通工具和目標(biāo)物體的操作者隱藏。類(lèi)似地，例如上部檢測(cè)單元也可以從視覺(jué)上隱藏，例如在建筑結(jié)構(gòu)或其他組件內(nèi)。
[0025]圖1Β顯示了在示例性μ子斷層攝影材料檢測(cè)站100中配置在與地面對(duì)齊的平面下方的下部檢測(cè)單元120的示意圖。在一些實(shí)施方式中，下部檢測(cè)單元120