Die Erfindung betrifft ein radiographisches Gerät. Insbesondere betrifft die Erfindung ein radiographisches Gerät zum Nachweisen verborgener Artikel, Substanzen und Materialien. Beispielsweise kann die Erfindung zum Nachweisen von verborgenen Waffen, Sprengstoffen, Schmuggelware, Drogen und anderen Artikeln, Substanzen und Materialien in Gegenständen wie Flugzeuggepäck, Luftfracht oder Schiffscontainern verwendet werden.

Technologien basierend auf Röntgenstrahlen, Gammastrahlen und Neutronen sind vorgeschlagen worden, um dieses Problem in Angriff zu nehmen (Hussein, E. 1992, Gozani, T., 1997, An, J. et al, 2003). Die am weitesten angenommene Technologie stellt der Röntgenstrahl-Scanner dar, der ein Bild eines Gegenstandes bildet, der durch Messen der Transmission von Röntgenstrahlen durch den Gegenstand von einer Quelle zu einem räumlich segmentierten Detektor untersucht wird. Röntgenstrahlen werden am stärksten durch dichte Materialien mit hoher Ordnungszahl, wie Metalle, gedampft. Folglich sind Röntgenstrahl-Scanner ideal zum Nachweisen von Gegenständen wie Schusswaffen, Messer und andere Waffen. Röntgenstrahlen bieten jedoch eine geringe Unterscheidungskraft zwischen organischen und anorganischen Elementen. Unter Verwendung von Röntgenstrahlen ist die Trennung unerlaubter organischer Materialien, wie Sprengstoffe oder Narkotika, von allgemein gefundenen harmlosen, organischen Materialien nicht möglich.

Derzeit wird ein elementares Identifikationssystem für die Untersuchung von Gebrauchsgegenständen entwickelt, die auf Paletten verladen werden. Das NELIS (Neutron Elemental Analysis System) genannte System verwendet einen 14-MeV-Neutronegenerator und drei Gammastrahlendetektoren, um induzierte Gammastrahlen von der Ladung zu messen (Dokhale, P. A. et als, 2001; Barzilov, A. P., Womble, P. C. und Vourvopoulos, G., 2001). NELIS ist kein bildgebendes System und wird zusammen mit einem Röntgenstrahl-Scanner verwendet, um unterstützend beim Bestimmen großer Zusammensetzungsanomalien zu wirken.

Ein auf gepulster schneller Neutronenanalyse (Pulsed Fast Neutron Analysis – PFNA) basierendes Ladungsprüfsystem ist entwickelt (Gozani, T. 1997, Sawa et al., 1991) und durch die Ancore Corporation vermarktet worden. Das PFNA-System verwendet einen gebündelten Strahl von in Nanosekunden gepulsten schnellen Neutronen, wobei das resultierende Spektrum von Gammastrahlen gemessen wird. Das PFNA-Verfahren ermöglicht, dass die Verhältnisse organischer Schlüsselelemente gemessen werden können. Die in Nanosekunden gepulsten schnellen Neutronen sind erforderlich, um die spezifischen Bereiche zu lokalisieren, die zu dem gemessenen Gammastrahlensignal durch Flugzeitspektrometrie beitragen. In der Praxis ist diese Technik durch den sehr teuren und komplexen Teilchenbeschleuniger, die begrenzte Stärke der Neutronenquelle und den geringen Wirkungsgrad der Gammastrahlendetektion sowie durch die sich ergebenden geringen Scannergeschwindigkeiten begrenzt.

Neutronenradiographiesysteme haben den Vorteil, übermittelte Neutronen direkt zu messen und sind daher wirksamer, als Techniken, die die Sekundärstrahlung messen, wie Neutroneninduzierte Gammastrahlen. Die schnelle Neutronenradiographie hat das Potenzial, das „organische Bild" der Sichtlinie von Objekten zu bestimmen (Klann, 1996). Im Gegensatz zu Röntgenstrahlen werden Neutronen am stärksten durch organische Materialien gedämpft, insbesondere die mit einem hohen Wasserstoffgehalt.

Ein schnelles Neutronen- und Gammastrahl- und Radiographiesystem ist von Rynes et al (1999) entwickelt worden, um PFNA zu ergänzen. In diesem System werden die in Nanosekunden gepulsten schnellen Neutronen und Gammastrahlen von einem Beschleuniger durch den Gegenstand durchgelassen, und die nachgewiesenen Neutronen- und Grammstrahlensignale werden bei der Ankunftszeit getrennt. Es wird beansprucht, dass das resultierende System die Vorteile sowohl der Röntgenstrahlradiographie als auch der PFNA-Systeme verbindet. Es wird jedoch durch den sehr teuren und komplexen Teilchenbeschleunigter begrenzt.

Bartle (1995) hat vorgeschlagen, die schnelle Neutronen- und Gammastrahlentransmissionstechnik (Millen et al, 1990) zu verwenden, um den vorhandenen Schmuggel in Gepäckstücken etc. nachzuweisen. Diese Technik wurde jedoch für die Bildgebung nicht verwendet, und ihre praktische Anwendung für das Erkennen von Schmuggelware ist nicht untersucht worden.

Mikerov, V. I. et al (2000) haben die Möglichkeit der schnellen Neutronenradiographie unter Verwendung eines 14-MeV-Neutronengenerators und eines Leuchtbildschirm/CCD-Kameradetektionssystems untersucht. Mikerov befand, dass Anwendungen sowohl durch die geringe Nachweiseffizienz des 2 mm dicken Leuchtbildschirms für schnelle Neutronen, als auch durch die große Empfindlichkeit des Bildschirms gegenüber Röntgenstrahlen begrenzt waren, die von dem Neutronengenerator erzeugt wurden.

Neutronenradiographiesysteme, die einen 14-MeV-Generator und thermische Neutronendetektion verwenden, sind im Handel erhältlich (Le Tourneur, P., Bach, P. und Dance, W. E., 1998). Die Tatsache, dass die schnellen Neutronen vor Ausführen der Radiographie verlangsamt (thermalisiert) werden, begrenzt jedoch die Größe des Objekts, das auf ein paar cm abgebildet wird. Es sind keine schnellen Neutronenradiographiesysteme im Handel erhältlich, die eine schnelle Neutronendetektion mit sich bringen.

Die meiste zur Neutronenradiographie durchgeführte Arbeit ist im Labor unter Verwendung von Neutronen von Nuklearreaktoren oder Teilchenbeschleunigern ausgeführt worden, die nicht für Frachthandhabungsanwendungen geeignet sind (Lefevre, H. W. et al, 1996, Miller, T. G., 1997, Chen, G. und Lanza, R. C. 2000, Brzosko, J. S. et al, 1992).

Um die Fähigkeit schneller Neutronenradiographiesysteme zu verbessern, um eine Unterscheidung zwischen verschiedenen organischen Materialien bereitzustellen, sind Systeme vorgeschlagen worden, die mehrere Neutronenenergiequellen zusammen mit Detektoren mit den Mitteln zum Unterscheiden zwischen den unterschiedlichen Neutronenenergien verwenden (Chen, G. und Lanza, R. C., 2000, Buffler, 2001). Die Hauptnachteile dieser Systeme sind, dass sie auf komplexen Energie-unterscheidenden Neutronendetektoren basieren und/oder dass sie technisch ausgereifte Hochenergiebeschleuniger-basierte Neutronenquellen verwenden.

Perion et al. (Perion 2000) haben einen Scanner vorgeschlagen, der eine hochenergetische (MeV) Röntgenstrahl-Bremsstrahlung oder Radioisotop-Quelle verwendet. Indem entweder die durchschnittliche Quellenenergie durch schnelles Einsetzen und Entfernen eines Filters für geringe Ordnungszahlen moduliert wird oder die Energie nachgewiesener Röntgenstrahlen gemessen wird, ist es möglich, die Transmission durch das gescannte Objekt über zwei unterschiedliche Röntgenstrahlenergien zu messen, eine, bei der Compton-Streuung dominiert und eine, bei der die Paarbildung wesentlich ist. Diese Informationen können verwendet werden, um die Dichte und die durchschnittliche Ordnungszahl des Materials in jedem Pixel des gescannten Bilds zu folgern. Der Hauptnachteil dieser Anordnung ist der geringe Kontrast zwischen unterschiedlichen Elementen, selbst wenn sehr hochenergetische Röntgenstrahlquellen verwendet werden. Die Kosten für die Perion-Detektoranordnung wären also sehr hoch. Alternativ schlägt Perion vor, dass das Messen der Transmission sowohl von Röntgenstrahlen als auch von Neutronen (die entweder direkt in dem Bremsstrahlungsziel erzeugt werden oder durch Einsetzen eines Neutronen-erzeugenden Filters) ähnliche Informationen erzielen kann. Der Hauptnachteil dieses Verfahrens ist die geringe Energie der über (Gamma, n)-Reaktionen erzeugten Neutronen. Dies begrenzt die Fähigkeit der Neutronen, durch dicke Frachtgüter durchzudringen und erhöht die Schwierigkeit, die durchgelassenen Neutronen adäquat nachzuweisen. Insbesondere ist es unwahrscheinlich, dass der offenbarte Stapelszintillator-Detektor in der Lage wäre, Neutronen in Gegenwart eines wesentlich intensiveren Röntgenstrahls nachzuweisen. Ein Nachteil sowohl der Doppelenergie-Röntgenstrahlanordnung als auch der Röntgenstrahl/Neutronen-Anordnung ist, dass die Röntgenstrahlen und Neutronen einen großen Energiebereich abdecken. Das heißt, es ist nicht möglich, die Transmission unter Verwendung einer einfachen exponentiellen Beziehung zu modellieren und es ist nicht einfach, quantitative Querschnittsinformationen zu extrahieren, die zur Materialbestimmung verwendet werden könnten.

Aus Patentschrift US-A-5098640 ist bekannt, einen Gegenstand unter Verwendung eines Generators mit versiegelter Röhre zu untersuchen, der monoenergetische schnelle Neutronen erzeugt. Dieses Dokument schlägt überdies innerhalb des gleichen physischen Gehäuses eine Neutronenprüfvorrichtung und eine Röntgenstrahlprüfvorrichtung vor.

Überdies offenbart Dokument US-A-5519225 eine Doppelstrahlungsquelle zum abwechselnden Bestrahlen eines Gegenstandes mit Neutronen und Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen. Ein Gasionisierungsdetektor wird zum Messen beider Strahlungsarten verwendet, die abwechselnd durch den Gegenstand dringen.

Die vorliegende Erfindung ist ein radiographisches Gerät, umfassend:

eine Quelle im Wesentlichen monoenergetischer schneller Neutronen, die über die Deuterium-Tritium- oder Deuterium-Deuterium-Fusionsreaktionen erzeugt werden, umfassend einen Generator mit versiegelter Röhre oder einen ähnlichen Generator zum Erzeugen der Neutronen;

eine separate Röntgenstrahl- oder Gammastrahlquelle mit ausreichender Energie, um einen abzubildenden Gegenstand im Wesentlichen zu durchdringen;

einen Kollimatorblock, der die Neutronen- und Röntgenstrahl- und Gammastrahlquellen umgibt, abgesehen von dem Bereitstellen eines oder mehrerer Schlitze/s zum Aussenden im Wesentlichen fächerförmiger Strahlungsstrahlen;

eine Detektoranordnung umfassend eine Mehrzahl einzelner Szintillatorpixel, um die Neutronenstrahlung und die Röntgenstrahl- und Gammastrahlstrahlung, die von den jeweiligen Quellen ausgesendet werden, zu empfangen und in Lichtpulse zu konvertieren, wobei die Detektoranordnung mit den fächerförmigen Strahlungsstrahlen ausgerichtet ist, die von dem Quellenkollimator ausgesendet und kollimiert werden, um im Wesentlichen andere Strahlung zu verhindern, als die, die direkt von den Quellen übermittelt wird, die die Anordnung erreicht;

Konvertierungsmittel zum Konvertieren der Lichtpulse, die in den Szintillatoren erzeugt werden, in elektrische Signale;

Fördermittel zum Fördern des Gegenstands zwischen den Quellen und der Detektoranordnung;

Rechenmittel zum Bestimmen der Dämpfung der Neutronen- und der Röntgenstrahl- oder Gammastrahlstrahlen von den elektrischen Signalen und zum Erzeugen einer Ausgabe, die die Massenverteilung und die Zusammensetzung des Gegenstands darstellt, der sich zwischen den Quellen und der Detektoranordnung befindet; und

Anzeigemittel zum Anzeigen von Bildern, basierend auf der Massenverteilung und der Zusammensetzung des gerade gescannten Gegenstands.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Neutronen im Wesentlichen monoenergetisch sind. Somit ist es möglich, die Neutronentransmission unter Verwendung einer einfachen exponentiellen Beziehung zu modellieren, und darüber hinaus werden Informationen genauer erhalten, die für die Materialbestimmung nützlich sind.

Das Gerät gemäß mindestens einer Ausführungsform der Erfindung weist den zusätzlichen Vorteil direkter Messung der durchgelassenen Neutronen auf und ist daher wesentlich effizienter im Vergleich zu Systemen des Stands der Technik, die Sekundärstrahlung wie Neutronen-induzierte Gammastrahlen messen.

Das radiographische Gerät kann eine oder mehrere Neutronenenergien nutzen. In einem Beispiel einer Doppelneutronenenergietechnik kann das radiographische Gerät zwei Röhren nutzen, eine um im Wesentlichen 14-MeV-Neutronen über die Deuterium-Tritium-Fusionsreaktionen zu erzeugen, und eine zweite, um im Wesentlichen 2,45-MeV-Neutronen über die Deuterium-Deuterium-Fusionsreaktionen zu erzeugen. Die Messung der Neutronentransmission bei einer zweiten Energie kann genutzt werden, um die Fähigkeit der Einzelenergie-Transmissionstechnik zu verbessern.

Die Quelle der Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen kann eine Radioisotopquelle umfassen, wie ⁶⁰Co oder ¹³⁷Cs mit ausreichender Energie, um im Wesentlichen durch den abzubildenden Gegenstand durchzudringen. Die ⁶⁰Co oder ¹³⁷Cs-Quelle kann eine Energie von ungefähr 1 MeV haben, obgleich andere Energien verwendet werden können, abhängig von der Quelle. Alternativ könnte eine Röntgenstrahlröhre oder ein linearer Elektronenbeschleuniger verwendet werden, um Bremsstrahlungsstrahlung zu erzeugen.

Die Kollimation sowohl der Quelle von Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen als auch der Quelle von Neutronen agiert vorteilhafterweise so, dass die Streuung minimiert wird. Außerdem gewährleistet die angemessene Kollimation sowohl der Quellen als auch des Detektors eine schmale Strahlenbündelgeometrie und daher eine größere Genauigkeit beim Bestimmen der Dämpfung von Neutronen- und Gammastrahlen durch einen Gegenstand. Darüber hinaus bietet der stark kollimierte fächerförmige Strahl eine erhöhte Strahlungssicherheit. Der Kollimatorblock kann aus dickem Paraffin, dickem Beton, Eisenkugelbeton-Schutzblöcken, Stahl, Blei oder Ähnlichem hergestellt sein. Ähnlich kann die oder jede Detektoranordnung innerhalb eines Detektorgehäuses untergebracht sein, das einen Schlitz aufweist, um die Kollimation bereitzustellen. Die Detektor-Kollimationsschutzabdeckung kann aus Eisen bestehen und eine Dicke von mehr als 100 mm aufweisen. Die Breite des Schlitzes kann so ausgewählt sein, dass der direkte Durchgang von Neutronen und Gammastrahlen von der Quelle zum Detektor zugelassen wird, und dass die Detektoranordnung vor gestreuter Strahlung geschützt ist. Der Detektorschlitz kann ungefähr die gleiche Breite aufweisen, wie die Detektoranordnung. Die Quellen-Kollimatorschlitze können schmaler sein.

Die Detektoranordnung kann eine oder mehrere Säulen von Szintiliatorpixeln aufweisen.

Die gleiche Detektoranordnung kann sowohl Neutronen- als auch Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen erfassen. Die Energieunterscheidung kann verwendet werden, um die Signale zu unterscheiden oder der Detektor kann sequentiell an den Neutronen- und Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen arbeiten. Ein Vorteil der Verwendung der gleichen Detektoranordnung zum Erfassen von Neutronen- und Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen ist, dass eine Kostenreduktion der Detektoranordnung erreicht werden kann.

Optional können separate Detektoranordnungen verwendet werden, um die Neutronen- und Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen jeweils zu erfassen, mit oder ohne separate Detektor-Kollimatoren für Neutronen und Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen.

Die Szintillatoren können so ausgewählt sein, dass ihr spektrales Ansprechen nah an die Photodioden angepasst ist. Die Szintillatoren können überdies von einer Maske umgeben sein, um mindestens einen Teil jedes Szintillators abzudecken, wobei jede Maske eine erste Reflexionsfläche aufweist, um entwichene Lichtpulse zurück in den Szintillator zu reflektieren. Die Maske weist eine Öffnung auf, um zu ermöglichen, dass Szintillatorlicht von der Photodiode nachgewiesen wird. Die Maske kann Schichten von PTFE-Band und/oder Tyvek-Papier umfassen. Vorteilhafterweise kann der Wirkungsgrad von Kunststoffszintillatoren mit einer Maske für Neutronen größer als 10% sein. Das Material, das die Szintillatoren umgibt, fungiert, um zu gewährleisten, dass Licht, das aus den Szintillatoren entweicht, zurück reflektiert wird, um nachgewiesen zu werden. In einem Beispiel, in dem jede Detektoranordnung Kunststoffszintillatoren und Silizium-Photodioden umfasst, die Orange-Licht aussenden, kann das Gerät vorteilhafterweise einen größeren Leistungswirkungsgrad aufweisen, der es ermöglicht, dass Bilder schneller gesammelt werden. Darüber hinaus kann das Gerät bei relativ günstigeren Kosten hergestellt werden.

Silikonöl, GE-688 Schmiere, Polysiloxan, optischer Zement wie Eljen EJ-500 Z oder Ähnliches, kann verwendet werden, um die Photodioden mit den jeweiligen Szintillatoren optisch zu koppeln.

Wo das radiographische Gerät eine einzelne Detektoranordnung zum Erfassen von sowohl Neutronen als auch Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen umfasst, können die Szintillatoren Kunststoffszintillatoren oder Flüssigszintillatoren sein.

In einem weiteren Beispiel, in dem das radiographische Gerät Doppelneutronenquellen und eine Quelle von Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen umfasst, können die Szintillatoren Kunststoff- oder Flüssigszintillatoren sein. In diesem Beispiel können die Szintillatoren an Photovervielfacher gekoppelt sein.

Wo das radiographische Gerät separate Neutronen- und Gammastrahl-Detektoranordnungen umfasst, können die Neutronenszintillatoren vorzugsweise Kunststoffszintillatoren oder Flüssigszintillatoren sein, und die Gammastrahlszintillatoren können Kunststoffszintillatoren, Flüssigszintillatoren oder anorganische Szintillatoren wie Cäsiumiodid, Natriumiodid oder Wismutgermanat sein. Alternativ können die Röntgenstrahl- oder Gammastrahl-Detektoren Ionisationskammern sein.

Die Strahlung-empfangende Seitenfläche jedes Szintillators oder die „Fläche" jedes Szintillators entspricht einem einzelnen Pixel. Die Fläche jedes Szintillators kann typischerweise kleiner als ungefähr 20 mm mal 20 mm sein. Kleinere Flächen führen zu einer verbesserten räumlichen Auflösung.

Die Dicke jedes Szintillators kann im Bereich 50 bis 100 mm liegen und kann eine Funktion der Nachweiseffizienz und Lichtsammeleffizienz sein. In einem Beispiel, in dem der abzubildenden Gegenstand eine Ladeeinheit oder ULD ist, wie die, die typischerweise in Flughafenumgebungen verwendet werden, kann die Strahlung-empfangende Seitenfläche der Szintillatoranordnung Abmessungen von ungefähr 120 mm × 3300 mm aufweisen und kann ungefähr 1000 Pixel umfassen. In Kombination mit einer 14-MeV-Neutronenquellenenergie von ungefähr 10¹⁰ Neutronen/Sekunde können die Inhalte einer einzelnen ULD über einen Zeitraum von ungefähr einer Minute abgebildet werden.

Alternativ können separate Neutronen- und Gammastrahl-Szintillatoren verwendet werden, umfassend zum Beispiel ungefähr 1000 Neutronenpixel und ungefähr 500 Gammastrahlenpixel. In der Praxis können die Gammastrahlenpixel kleiner sein als die Neutronenpixel, was vorteilhafterweise räumliche Bilder hoher Auflösung bereitstellt.

In einem weiteren Beispiel können die Konvertierungsmittel Photovervielfacher und Wellenlängen-verschiebende optische Fasern (Wavelength Shifting Optical Fibres – WSF) umfassen. In diesem Beispiel kann Licht von einer Reihe oder Säule von Szintillatorstäben von dem WSF gesammelt und zu einem Photovervielfacher mit mehreren Anoden durchgelassen werden. Durch Indexieren der Reihe und Spalte, die den Lichtpuls erzeugt, kann auf den Szintillatorstab geschlossen werden, der die Strahlung abfangt.

Die Konvertierungsmittel können rauscharme Verstärker und Hochleistungsverstärker umfassen, um die Ausgangssignale zu verstärken. Die Konvertierungsmittel können einen Rechner umfassen, um die Bildverarbeitung auszuführen und die Bilder einem Bediener auf einem Rechnerbildschirm anzuzeigen.

Der Detektor kann temperaturgesteuert sein, um das Rauschen zu verringern und die Stabilität zu verbessern. Beispielsweise können die Photodioden und Vorverstärker auf ungefähr –10°C oder weniger gekühlt werden.

Wenn ein abzubildender Gegenstand gescannt wird, werden in einem Beispiel eine oder mehrere Ausgaben erhalten, die die Transmission von beispielsweise den 14-MeV-Neutronen durch den Gegenstand und die Transmission der 1-MeV-Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen durch den Gegenstand messen. Für das Doppelenergieneutronen-Scanning wird die Transmission der beispielsweise 2,45-MeV-Neutronen durch den Gegenstand ebenfalls gemessen. Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung dieser Energien alleine begrenzt.

Wo eine einzelne Detektoranordnung zum Empfangen von Strahlungsenergie von der Röntgenstrahl- oder Gammastrahlquelle und der Neutronenquelle verwendet wird, kann der Gegenstand mehr als einmal gescannt werden.

Wo separate Detektoren verwendet werden, um Strahlungsenergie von der Neutronen- und der Röntgenstrahl- oder Gammastrahlquelle zu empfangen, kann das Ausgangssignal eine erste Ausgabe von der ersten Szintillatoranordnung und eine zweite Ausgabe von der zweiten Szintillatoranordnung umfassen, wobei sich die erste Ausgabe auf die Neutronenzählrate an jedem Pixelort des Detektors und die zweite Ausgabe auf die Röntgenstrahl- oder Gammastrahlzählrate an jedem Pixelort des Detektors bezieht.

Jede Quelleneingabe kann separat verarbeitet werden. Ein einfaches Szintillatorspektrum kann separat für jedes Pixel der Anordnung gesammelt werden, um Neutronen- und Röntgenstrahl- oder Gammastrahl-Zählraten für jedes Pixel abzuleiten. Die Informationen können dann zusammengesetzt werden, um ein vollständiges zweidimensionales Neutronenbild und ein vollständiges zweidimensionales Röntgenstrahl- oder Gammastrahlbild zu bilden. Das sich ergebende Bild kann eine senkrechte Auflösung aufweisen, die von der Pixelgröße bestimmt ist, und eine horizontale Auflösung, die von der Pixelgröße und der Häufigkeit, mit der die Anordnung ausgelesen wird, bestimmt ist.

Der Rechner kann auch in der Lage sein, eine automatische Materialbestimmung durchzuführen. Beispielsweise können die Transmissionsausgaben in Massen-Dämpfungskoeffizienten-Bilder für jedes Pixel zur Anzeige auf einem Computerbildschirm mit unterschiedlichen Pixelwerten konvertiert werden, die in unterschiedlichen Farben abgebildet werden. Insbesondere können Massen-Dämpfungskoeffizienten-Bilder von den Zählraten erhalten werden, die von den Transmissionen für jede der 14-MeV-Neutronen und Röntgen- oder Gammastrahlen oder der 14-MeV-Neutronen, 2,45-MeV-Neutronen und Röntgen- oder Gammastrahlen gemessen werden.

Die Analyse der Massendämpfungskoeffizienten-Bilder erlaubt, dass eine Vielzahl anorganischer und organischer Materialien unterschieden wird. Eine solche Analyse kann das Bilden von Querschnittverhältnis-Bildern zwischen Paaren von Massendämpfungskoeffizienten-Bildern umfassen. Abhängig davon, ob einzelne oder doppelte Neutronenquellen verwendet werden, können Querschnittverhältnis-Bilder aus den Massendämpfungskoeffizienten-Bildern der Quelle von Neutronen und der Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen gebildet werden oder von den ersten und zweiten Quellen der Neutronen und der ersten oder zweiten Quelle von Neutronen und den Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen. Beispielsweise die 14-MeV-Neutronen und die Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen, die 14-MeV-Neutronen und die 2,45-MeV-Neutronen und die 2,45-MeV-Neutronen und die Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen. Vorteilhafterweise sind solche Verhältnisse unabhängig von der Masse des Gegenstands.

Die Proportionen, in denen die Querschnittverhältnis-Bilder kombiniert sind, können Bediener-angepasst sein, um den Kontrast und die Empfindlichkeit auf einen bestimmten Gegenstand zu maximieren, der in dem Bild untersucht wird.

Es kann ein Bild gebildet werden, das eine lineare Kombination von zwei Querschnittverhältnis-Bildern ist.

Es können zwei Bereiche in einem Bild bestimmt werden, die eine erste Substanz enthalten, aber nur einer der Bereiche kann eine zweite Substanz enthalten. Durch Durchführen von Querschnittsubstraktionen kann das Bild der ersten Substanz effektiv entfernt werden, wobei das Bild der zweiten Substanz zur Bestimmung zur Verfügung bleibt. Die Masse der zweiten Substanz kann von den Röntgen- oder Gammastrahl-Transmissionsdaten erhalten werden.

In einem Beispiel sind die Neutronenquelle und der Detektor stationär und das Fördermittel ist so angeordnet, dass der Gegenstand vor die Quelle von Neutronen und Gammastrahlen bewegt wird. In einem weiteren Beispiel kann der Gegenstand stationär sein und das Fördermittel ist so angeordnet, dass sich die Quelle und der Detektor synchron an beiden Seiten des Gegenstands bewegen. In noch einem weiteren Beispiel können mehrere Detektorensätze um Quellen herum angeordnet sein, die zentral angeordnet sind, um zu ermöglichen, dass Scans einer Mehrzahl separater Gegenstände gleichzeitig erhalten werden. Dies hätte den Vorteil, den Durchsatz zu verbessern. In einem solchen Beispiel kann das Fördermittel so angeordnet sein, dass die Gegenstände zwischen der Quelle von Neutronen und dem jeweiligen Detektor bewegt werden können. Alternativ können die Quellen und Detektoren um die zu untersuchenden Gegenstände gedreht werden, um zu ermöglichen, dass mehrere Ansichten erhalten werden.

Die Geschwindigkeit, bei der das Objekt vor entweder die Quelle von Neutronen oder die Quelle von Neutronen und Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen bewegt werden kann, ist teilweise abhängig von der Intensität der Neutronen- und Gammastrahlenquellen. Die Intensität der einzelnen Neutronenquelle von 14 MeV kann in der Größenordnung 10¹⁰Neutronen/Sekunde liegen oder so hoch sein, wie praktisch möglich, um die Zählstatistik zu verbessern.

Die Geschwindigkeit, bei der der Gegenstand vor die Neutronen- und Röntgenstrahl- oder Gammastrahlquelle bewegt werden kann, ist überdies abhängig von der Strahlung-empfangenden Seitenfläche der Szintillatoranordnung und der Szintillatoranzahl. Außerdem ist die Länge der Anordnung teilweise abhängig von der Länge des abzubildenden Gegenstands.

Der Gegenstand kann zwischen den Neutronen- und Gammastrahlenquellen und dem Detektor gescannt werden und kann durch einen abgeschirmten Tunnel gelangen. Das Fördermittel kann ein Paar Schienen für die Positionierung eines Rollwagens oder einer Plattform umfassen, auf dem/der der Gegenstand transportiert werden kann. Alternativ kann das Fördermittel ein Förderband oder eine ähnliche Anordnung umfassen, um dafür zu sorgen, dass Gegenstände durch den Tunnel geführt oder mittels einer Winde befördert werden. Das Fördermittel kann automatisiert sein, so dass der Gegenstand bei einer steuerbaren gleichförmigen Geschwindigkeit stroßfrei vor die Quelle von Neutronen transportiert wird.

Die Erfindung kann auf die nicht-invasive Untersuchung von Seefracht, Luftfracht-Ladeeinheiten (Unit Load Devices – ULDs) oder auf kleinere Container oder Pakete, auf das Nachweisen von Schmuggelware, Sprengstoffen und anderen Artikeln, Substanzen und Materialien angewandt werden. Sie kann eine bessere Spezifität für Schmuggelware, wie organische Materialien in in erster Linie anorganischen Matrices, bereitstellen. Sie ist insbesondere für den Nachweis von Sprengstoffen, Narkotika und anderen Schmuggelwaren geeignet, die in Flugzeuggepäck, Luftfrachtcontainern und Schiffscontainern verborgen sind.

Ein weiterer Vorteil mindestens einer Ausführungsform der Erfindung ist, dass die Verwendung eines Neutronengenerators zum Erzeugen von Neutronen ein- und ausgeschaltet werden kann.

Sie kann auch eine erhöhte Automation des Untersuchungsvorgangs bereitstellen, wobei geringere Verantwortung auf die menschlichen Bediener entfällt.

Außerdem kann sie eine schnelle Scan-Geschwindigkeit bereitstellen, so dass ein hoher Durchsatz erreicht werden kann. Sie ist einfach, kostengünstig und verwendet sichere Strahlungsquellen; und einfache, kostengünstige Strahlungs-Nachweissysteme. Sie kann bei einer hohen Nachweisgeschwindigkeit und geringer Falschalarm-Wahrscheinlichkeit arbeiten.

Nachfolgend werden verschiedene Beispiele der Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 eine perspektivische Ansicht des radiographischen Geräts ist;

2 eine schematische Darstellung eines Moduls der Detektoranordnung des radiographischen Geräts ist;

3 ein Balkendiagramm des berechneten Verhältnisses R, dem Verhältnis der 14-MeV-Neutronen- zum ⁶⁰Co Gammastrahl-Massendämpfungskoeffizienten, für eine große Anzahl harmloser Narkotika und Sprengstoffe ist;

4 der Ausdruck des berechneten Verhältnisses R, dem Verhältnis der 14-MeV-Neutronen- zum ⁶⁰Co Gammastrahl-Massendämpfungskoeffizienten, für einen Elementenbereich ist;

5 eine Anzeigeausgabe eines Gammastrahl-Scans eines Motorrads ist, 5b eine Anzeigeausgabe ist, in der das Bild gemäß dem Massendämpfungskoeffizientenverhältnis R für 14-MeV-Neutronen und Gammastrahlen gefärbt ist;

6a eine schematische Darstellung einer Auswahl Materialproben und allgemeinen Gegenständen ist, die auf Holzborden angeordnet sind; 6b eine Anzeigeausgabe eines Gammastrahl-Scans ist; 6c eine Anzeigeausgabe ist, in der das Bild gemäß dem Massendämpfungskoeffizientenverhältnis R für 14-MeV-Neutronen und Gammastrahlen gefärbt ist;

7a eine schematische Darstellung einer Auswahl Materialproben, verborgener Schmuggelware, Alkohol sowie simulierter und echter Sprengstoffe ist; 7b eine Anzeigeausgabe eines Gammastrahl-Scans ist; 7c eine Anzeigeausgabe ist, in der das Bild gemäß dem Massendämpfungskoeffizientenverhältnis R für 14-MeV-Neutronen und Gammastrahlen gefärbt ist;

8a eine Photografie einer ULD ist, die ausgewählte Haushaltselektronik-Metallartikel, Metallblöcke und verborgene Schmuggelware enthält; 8b eine Anzeigeausgabe eines Gammastrahl-Scans ist; 8c eine Anzeigeausgabe ist, in der das Bild gemäß dem Massendämpfungskoeffizientenverhältnis R für 14-MeV-Neutronen und Gammastrahlen gefärbt ist; 8d die Anzeigeausgabe von 8c ist, die weiter verarbeitet wurde, um das organische Material hervorzuheben;

9a eine Photografie einer ULD ist, die ausgewählte Haushaltsartikel und verborgene Drogen enthält; 9b eine Anzeigeausgabe eines Gammastrahl-Scans ist; 9c eine Anzeigeausgabe ist, in der das Bild gemäß dem Massendämpfungskoeffizientenverhältnis R für 14MeV-Neutronen und Gammastrahlen R gefärbt ist; 9d die Anzeigeausgabe von 9c ist, die weiter verarbeitet wurde, um das organische Material hervorzuheben;

10a eine Photografie einer ULD ist, die ausgewählte Haushaltsartikel und verborgene Drogen enthält, 10b eine Anzeigeausgabe eines Gammastrahl-Scans ist; 10c eine Anzeigeausgabe ist, in der das Bild gemäß dem Massendämpfungskoeffizientenverhältnis R für 14-MeV-Neutronen und Gammastrahlen gefärbt ist; 10d die Anzeigeausgabe von 10c ist, die weiter verarbeitet wurde, um das organische Material hervorzuheben;

11 ein Ausdruck einer großen Anzahl harmloser Narkotika und Sprengstoffe ist, in Bezug auf zwei Querschnittverhältnis-Bilder, nämlich 2,45-MeV-Neutronen-/14-MeV-Neutronenquerschnitte gegenüber 14-MeV-Neutronen-/Röntgen- oder Gammastrahl-Querschnitte;

12a ein DT-Neutronenbild einer simulierten Zählrate eines Koffers ist; 12b ein DD-Neutronenbild einer simulierten Zählrate des Koffers ist; 12c ein Röntgenstrahlenbild einer simulierten Zählrate des Koffers ist; 12d ein DT/Röntgenstrahl-Querschnittbild und 12e ein DD/DT-Querschnittbild ist; und

13a ein simuliertes 14-MeV-Neutronenbild eines Luftfrachtcontainern ist; 13b ein Röntgenstrahlenbild jeweils des gleichen Containers ist; und 13c ein kombiniertes Bild des gleichen Containers ist.

1 zeigt die allgemeine Anordnung des radiographischen Geräts 10. Das Gerät 10 umfasst zwei separate Strahlungsgeneratoren, der erste ist ein A-325 MF-Physics-Neutronengenerator, der ein D-T-Neutronen-aussendenes Modul aufweist, um eine Neutronenenergiequelle 12 zu erzeugen, die eine Energie von 14 MeV aufweist. Der Neutronengenerator wird bei einer Spannung von 80 bis 110 kV betrieben. Der zweite Strahlungsgenerator ist eine 0,82 GBq (oder 22 mCi) ⁶⁰Co-Quelle 14, um eine Gammastrahlenquelle zu erzeugen und befindet sich rechts von und neben dem Neutronengenerator. Der Neutronengenerator und die ⁶⁰Co-Quelle 14 befinden sich innerhalb eines abgeschirmten Quellengehäuses 16.

Eine 1600 mm lange und 20 mm breite Detektoranordnung 18 befindet sich in der Nähe der Strahlungsquelle und ist in einem Detektor-Abschirmungsgehäuse 20 untergebracht. Die Detektoranordnung 18, die eindeutiger in 2 gezeigt ist, ist aus acht Kunststoffszintillatorstäben 19 aufgebaut (von denen nur ein Teil gezeigt ist), die jeweils eine Strahlung-empfangende Fläche von 20 mm × 20 mm und eine Länge von 75 mm aufweisen. Die Strahlung-empfangende Fläche jedes Szintillatorstabs 19 entspricht einem einzelnen Pixel im Bildrahmen. Die Bezeichnung Bildrahmen wird verwendet, um die zweidimensionale Anordnung zu beschreiben, die die Anzahl Zählungen umfasst, die in jedem Pixel gemessen wird, akkumuliert über ein festes Zeitintervall. Die Szintillatorstäbe 19 bestehen aus einem orangefarbenenen Kunststoffszintillator, um das spektrale Ansprechen der Siliziumphotodioden 21 mit den jeweiligen Kunststoffszintillatoren abzustimmen. Die Photodioden 21 sind optisch mit den jeweiligen Szintillatoren 19 mit optischem Zement gekoppelt. Auf jede der Kombination aus orangefarbenem Szintillatorstab und Photodiode wird eine Reflexionsmaske aufgemalt, um den Verlust beliebigen Lichts zu minimieren, das aus den Szintillatorstäben entweicht.

In der primären Ausführungsform wird das Szintillationslicht, das in einem Stab 19 durch einen einfallenden Neutronen- oder Röntgen- oder Gammastrahl erzeugt wird, von einer Photodiode 21 erkannt, die an dem Ende des Stabs 19 angebracht ist. In einer ersten Abwandlung wird Licht von einer Reihe oder Spalte der Szintillatorstäbe von einer Wellenlängen-verschiebenden optischen Faser gesammelt und an die Photodioden durchgelassen. Durch Indexieren der Zeile und Spalte, die den Lichtpuls erzeugen, kann auf den Szintillatorstab geschlossen werden, der die Strahlung abfangt. In einer zweiten Abwandlung wird Licht von einer Mehrzahl Szintillatorstäbe von einer Wellenlängen-verschiebenden oder Licht-durchlässigen optischen Faser gesammelt und zu einer positionsempfindlichen Photodiode oder Multi-Anoden-Photovervielfacher geleitet, um zu ermöglichen, dass mehrere Szintillatorstäbe von einem einzelnen Detektor ausgelesen werden. In einer dritten Abwandlung wird Licht von verschiedenen Reihen oder Spalten der Szintillatorstäbe von Wellenlängen-verschiebenden optischen Fasern gesammelt und an eine positionsempfindliche Photodiode oder eine Multi-Anoden-Photovervielfacher durchgelassen. Durch Indexieren der Reihe und Spalte, die den Lichtpuls erzeugen, kann auf den Szintillatorstab geschlossen werden, der die Strahlung abfängt.

Da die jeweiligen Photodioden 21 keine innere Verstärkung aufweisen, umfasst die Signalaufbereitungselektronik 23 Vorverstärker, die zusammen mit Hochleistungsverstärkern verwendet werden, um das Ausgangssignal sowohl für Neutronen als auch für Gammastrahlen zu verstärken.

Das Gerät 10 beherbergt eine ULD 28 mit einer Breite bis zu 2,5 m und einer Höhe von 1,7 m. Jede abzubildende ULD 28 ist auf einer Plattform 30 montiert, die Laufschienen aufweist, die in ein Paar Spuren 32 eingreifen. In der Praxis könnten die ULDs in einem Flughafen gescannt werden, während sie noch immer auf ihren jeweiligen Rollwagen montiert sind, die verwendet werden, um die ULDs um den Flughafen herum zu transportieren. Die ULDs und ihre Rollwagen könnten auf eine Plattform gefahren werden, die die Strahlungsstrahlen bei einer bekannten Geschwindigkeit durchquert. Dies würde die Handhabung der ULDs am Flughafen minimieren.

Eine weitere Abschirmung in Form eines Tunnels 34 wird bereitgestellt. Der Tunnel 34 ist ausreichend lang, dass das Gerät ohne Türen an beiden Enden betrieben werden kann. Dies ermöglicht, dass die Anzahl ULDs, die durch das Gerät 10 gelangt, maximiert wird.

Kollimationsschlitze (nicht dargestellt) werden jeweils in die Quellen- und Detektorabschirmung geschnitten und dienen dazu, einen fächerförmigen Strahlungsstrahl zu bestimmen, der von den Quellen 12 und 14 in Richtung des Strahlungsdetektors 18 gerichtet ist. Der Detektor-Kollimatorschlitz 38 und der Detektor 18 erstrecken sich über die volle Höhe des Tunnels 34. Schlitze (nicht dargestellt) in den Seiten der Abschirmung 34 sind bereitgestellt und auf die Kollimatorschlitze und für den Durchgang der Strahlung von den Quellen 12, 14 zum Detektor 18 abgestimmt.

Jede Strahlungsabschirmung 16, 20 und 34 dämpft und absorbiert sowohl Gammastrahlen als auch Neutronen. Die verwendeten Abschirmungsmaterialien umfassen Beton, Eisen und Polyethylen. Die Strahlungsabschirmungen 16, 20 und 34 bieten einen radiologischen Schutz für die Bediener des Geräts oder andere Personen in seiner unmittelbaren Nähe.

Im Betrieb befinden sich abzubildende Gegenstände auf der Plattform 30, die dann durch den Tunnel 34 motorisiert wird. In dem hier beschriebenen Prototyp-Scanner in Originalgröße wird die Plattform 30 typischerweise bei einer Geschwindigkeit betrieben, so dass jedes 10 mm-Inkrement ungefähr 40 Sekunden zum Sammeln braucht. Dies entspricht einer Geschwindigkeit von 0,25 mm/sek; folglich sind ungefähr 2,5 Stunden erforderlich, um das Bild einer vollen ULD zu sammeln. In der Praxis kann die Geschwindigkeit, bei der sich die ULD durch das Gerät bewegt, um einen Faktor von über 100 erhöht werden, indem die Intensität der Neutronenquelle erhöht wird und indem die Fläche der Detektoranordnung erhöht wird.

Wenn der Gegenstand durch den Tunnel 34 gelangt, wird ein Szintillationsspektrum separat für jedes Element der 80-Pixel-Anordnung gesammelt. Diese Spektren werden ausgelesen und jedes Mal zurückgesetzt, wenn die Plattform 30 10 mm durchquert, wobei die Spektren verwendet werden, um Neutronen- und Gammastrahl-Zählraten von jedem Pixel abzuleiten. Die Informationen in jedem senkrechten Streifen werden dann zusammengesetzt, um vollständige zweidimensionale Neutronen- und Gammastrahlenbilder zu bilden.

Das resultierende Bild hat eine vertikale Auflösung von 20 mm, die durch die Pixelgröße bestimmt wird, und eine horizontale Auflösung von 10 mm, die durch die Häufigkeit bestimmt wird, mit der die 80-Pixel-Anordnung ausgelesen wird. Wie im Folgenden besprochen, wird die Entfaltung des endgültigen Bilds ausgeführt, um jedes beliebige Verzerren zu korrigieren, das als Folge der Kombination der Bewegung der Plattform 30 während des Scans und der 20 mm Breite der Pixel auftreten kann.

Angenommen, die Neutronenintensität und die Gammastrahlenintensität, die durch einen Gegenstand durchgelassen und in einem bestimmten Pixel von jedem Bild nachgewiesen werden, sind I_n beziehungsweise I_g, und die Neutronenintensität und die Gammastrahlenintensität, die in einem bestimmten Pixel von jedem Bild durchgelassen und nachgewiesen werden, ohne dass ein Gegenstand vorhanden ist, sind I_on beziehungsweise I_og.

Dann kann die Dämpfung der im Wesentlichen monoenergetischen schellen Neutronen durch einen Gegenstand der Dichte &rgr; und der Dicke x unter Verwendung folgender Gleichung berechnet werden: I_n/I_on = exp(–&mgr;₁₄ &rgr; x)(1)

Ähnlich kann die Dämpfung von im Wesentlichen monoenergetischer Gammastrahlendämpfung durch den Gegenstand geschrieben werden als: I_g/I_og = exp(–&mgr;_g &rgr; x)(2), wobei &mgr;₁₄ der Neutronen-Massendämpfungskoeffizient bei 14 MeV ist und &mgr;_g der Massendämpfungskoeffizient. Das Massendämpfungskoeffizienten-Verhältnis kann dann direkt berechnet werden: R = &mgr;₁₄/&mgr;_g = ln(I_n/I_on)/ln(I_g/I_og)(3), wobei R direkt auf die Zusammensetzung des Gegenstands bezogen ist und ermöglicht, dass eine große Vielzahl anorganischer und organischer Materialien und Elemente unterschieden wird.

3 und 4 zeigen die Fähigkeit von R, eine große Vielzahl anorganischer und organischer Materialien zu unterscheiden. Natürliche Materialien, die in erster Linie auf Kohlenhydraten basieren sind, wie Baumwolle, Papier, Holz sowie viele Lebensmittel, Protein-basierte natürliche Materialien wie Wolle, Seide und Leder sowie synthetische organische Materialien – hauptsächlich Polymere – können allgemein unterschieden werden. Wie dargestellt, sind anorganische Materialien wie Töpferwaren, Keramik und Metallartikel einfach von organischen Materialien zu unterscheiden.

Aufgrund der höheren Zählraten und der geringeren Hintergrundstreuung der Gammastrahlen, trägt das Gammastrahlenbild die meisten Informationen über die Form und die Dichte. Für jedes Pixel in dem Bild wird die Menge ln(I_g/I_0g) berechnet, die proportional zur Gesamtmasse pro Einheitsfläche des Materials entlang der Linie von der Strahlungsquelle zu dem betreffenden Pixel ist. Ein Sombrero-Schärfungsfilter wird auf dieses Bild angewandt, um die Gegenstandsdefinition zu verbessern und die Effekte der Bewegungs- und Pixelgrößenverzerrung herabzusetzen, die die horizontale Auflösung des Bilds beeinträchtigen.

Das Pixel-für-Pixel-Verhältnis der Neutronen- und Gammastrahlenbilder trägt Informationen über die durchschnittliche Zusammensetzung jedes Pixels, was unabhängig von der Menge des dazwischen liegenden Materials ist.

Aufgrund der relativ geringen Zählstatistik im Neutronenbild ist ein beträchtliches Pixel-für-Pixel-Rauschen in dem zusammengesetzten Bild vorhanden. Folglich wird ein gausscher 5×5-Pixel-Glättungsfilter auf dieses Bild angewandt. Während dies die Auflösung der Zusammensetzungsinformationen in dem endgültigen Bild herabsetzt, verbessert das erheblich die Sichtbarkeit subtiler Veränderungen der Zusammensetzung für Gegenstände mit Abmessungen von mehr als ungefähr 50 mm.

Die Ergebnisse von sechs Scans sind in 5 bis 10 gezeigt. Die Graustufen-Bilder zeigen die Ergebnisse des Gammastrahl-Scans allein und als solches die Ergebnisse, die von einem herkömmlichen Röntgenstrahl-Scanner erzielbar waren. Bereiche mit geringem oder keinem dazwischen liegenden Material sind weiß und dichtere Materialien als dunklere Grauschattierungen gezeigt. Die Farbbilder kombinieren die Gammastrahlenform- und die Dichte-Informationen zusammen mit den Zusammensetzungsinformationen von dem Neutronen-/Gammaverhältnis-Bild. Die Dichte der Farbe zeigt die Materialdichte, wobei Weiß keinem dazwischen liegenden Material entspricht und dichtere Bereiche eine gesättigte Farbe aufweisen. Die Farbe eines Pixels entspricht dem R-Wert für das Pixel, wobei geringere R-Werte blau gefärbt sind, Zwischenwerte türkis über grün bis gelb und höhere Werte orange gefärbt sind. Das exakte Abbilden zwischen R-Wert und Farbe ist für jedes Bild unterschiedlich, wobei die Farbskala so angepasst ist, dass sie für jeden Fall die maximalen Informationen zeigt. Für die ULD-Scans wird auch ein verbessertes organisches Bild vorgestellt. Dieses hebt organische Bereiche des Bilds hervor, die gelb, orange und rot gefärbt sind.

5a zeigt das Ergebnis nur des Gammastrahl-Scans eines Motorrads. 5b zeigt die kombinierten Informationen der Gammastrahl-Form und Dichte zusammen mit den Zusammensetzungsinformationen von dem Neutronen-/Gammaverhältnis-Bild-Scans eines Motorrads. Dieses Bild bietet eine gute Angabe über die bildgebenden Fähigkeiten des Geräts insgesamt. Insbesondere sind kleine Einzelheiten wie die vorderen Bremskabel 52 ziemlich eindeutig in 5b gezeigt, obgleich sie beträchtlich kleiner sind als die 20 mm Pixelgröße. Der Metallrahmen 54 und der Motor 56 des Motorrads sind in 5b blau dargestellt; wobei der Kraftstoff 58 in dem Benzintank, die Gummireifen 60, der Kunststoffsitz 62 und die Kunststoffleuchten orange dargestellt sind. Das Öl 64 in der Ölwanne (unmittelbar über dem Kippständer) wird, wenn es zusammen mit dem es umgebenden Metall gemittelt wird, grün gezeigt. Im Gegensatz dazu ist es von dem herkömmlichen Gammastrahl-Bild in 5a schwierig oder unmöglich, zwischen dem Öl 64 und der Ölwanne zu unterscheiden.

6a bis 6c zeigen eine Auswahl Materialproben und allgemeiner Gegenstände, die auf Holzborden angeordnet sind. Wie in 6c dargestellt, sind erneut Metalle wie Eisen 66, Blei 68 und Aluminium 70 dunkelblau gezeigt. Zwischenmaterialien wie Beton 72, Glas 74 (in dem Computer-Bildschirm 75) und Keramikpulver (Aluminiumoxid, Al₂O₃) 76 sind in hellerem Blau gezeigt. Die organischen Materialien, umfassend elementare Simulanzien von Heroin 77, Methamphetamin 78, Kokain 80 und TNT 82, sind schließlich in einer Vielzahl Farben von Grün bis Orange dargestellt, abhängig von dem R-Wert des Materials. Zwei Keramikstatuen auf dem oberen Bord, eine gefüllt mit Eisenkugeln 84 und die anderen mit Zucker 86 können klar unterschieden werden, beide durch die Dichte und durch die Zusammensetzung.

7a bis 7c zeigen eine weitere Auswahl Materialien, umfassend verborgene Schmuggelware, Alkohol und sowohl simulierte als auch echte (Detasheet) Sprengstoffe. Drei hohle Betonblöcke sind auf dem oberen Bord positioniert. Der linke Block enthält verborgenes organisches Material 94 (Drogenersatzstoff); der mittlere Block ist leer und der rechte Block enthält Aluminiumpulver 96. Diese drei Blöcke bieten einfache Modelle von Drogen, die in einem Keramik- oder Töpferwarengegenstand, einem hohlen leeren Gegenstand und einem hohlen leeren Gegenstand mit verstärkten Wänden verborgen sind. Während das Gammastrahl-Bild von 7b eindeutig zwischen dem leeren 95 und den gefüllten Blöcken 94 und 96 unterscheidet, kann es nicht den mit Drogenersatzstoff gefüllten Block 94 von dem mit Aluminiumoxid gefüllten Block 96 trennen. Im Gegensatz dazu enthüllt das Neutronenbild von 6c eindeutig die verborgene organische Füllung 94, die als gelbe/orangefarbene Fläche angezeigt wird. Auf der linken Seite des mittleren Bords sind zwei Behälter positioniert, einer gefüllt mit reinem Alkohol 98 (Meths) und einer mit Wasser 100 (H₂O). Der Alkohol 98 wird eindeutig als „organischer" (höherer R-Wert) angezeigt und seine Farbe ist überwiegend orange; das Wasser 100 mit einem geringeren R-Wert ist vorwiegend grün. Auf dem gleichen Bord sind der simulierte 102 und der echte 104 Sprengstoff mit der gleichen Farbe angezeigt, was darstellt, dass das Simulanz ein guter Ersatzstoff für echten Sprengstoff ist. Auf dem unteren Bord befindet sich ein Behälter, der 12 Glasflaschen enthält, von denen nur vier sichtbar sind, zwei gefüllt mit simuliertem Alkohol 106 (40% Ethanol, 60% Wasser) und zwei gefüllt mit Wasser 108. Die mit Alkohol gefüllten Flaschen 106 werden erneut mit einem höheren R-Wert angezeigt (grüner/orangefarbener) als das Wasser 108 (vorwiegend blau). Dies steht im Gegensatz zu den Flaschen, die in 7b gezeigt sind, die überwiegend nicht zu unterscheiden sind.

8a bis 8d, 9a bis 9d und 10a bis 10d zeigen die Ergebnisse der Bildgebung von ULDs, gefüllt mit einer Vielzahl Gegenständen. In allen drei Figuren ist die Füllung der ULD bewusst einfach gehalten, um die Erörterung der erhaltenen Ergebnisse zu vereinfachen. Insbesondere ist das meiste Verpackungsmaterial, das normalerweise vorhanden wäre (Kartons, Schaum, Polystyrol etc.) weggelassen worden, so dass die Gegenstände in der ULD eindeutig gesehen werden können. Es wird anerkannt, dass die meisten ULDs in der Realität wesentlich vollgestopfter wären.

8a bis 8d zeigen eine ULD gefüllt mit einer Vielzahl Haushaltselektronikwaren (ein Kühlschrank 120 und verschiedene Computer 122), Metallteile, hohle Betonblöcke 124 (die Keramikrohre oder hohle Statuen oder Figurine ersetzen) und Werkzeuge. Zwei Pakete Kunststoffperlen, die Drogen 126 ersetzen, sind in einem der Computer und in einem der Betonblöcke verborgen. Ein Propangaszylinder 128 ist ebenfalls in der ULD versteckt. 8a zeigt eine Photografie des ULD-Scanners. 8b zeigt die Ergebnisse nur des Gammastrahl-Scans. Keines der Pakete der Ersatzstoffdrogen 126 ist besonders offensichtlich. Der Propangaszylinder 128 kann aufgrund seiner Form bestimmt werden, obgleich die organische Natur seines Inhalts nicht eindeutig ist. 8c und 8d sind gemäß dem Neutronen-/Gammaverhältnis R gefärbt, folglich sind die anorganischen Materialien in 8c blau gezeigt (die Ersatzstoffdrogen 126 und der Gaszylinder 128) und die organischen Materialien orange (der Computer 122 und die Blöcke 124). Die Proportionen, in denen die zwei Bilder kombiniert sind, werden von dem Bediener angepasst, um den Kontrast und die Empfindlichkeit für organische Materialien zu maximieren, die gelb und rot gefärbt sind, und um die Effekte des Durcheinanders zu minimieren, die aus sich überlappenden Gegenständen resultieren, das Ergebnis ist in 8d dargestellt. Es können eindeutig beide Pakete verborgener Drogen 126 bestimmt werden.

9a bis 9d zeigen eine ULD mit Drogen 124, die in zwei Computern 122 und einem Kühlschrank 120 verborgen sind. Während in dem Gammastrahl-Bild von 8b gesehen werden kann, dass die oberen zwei Computer 122 etwas anders erscheinen als die unteren zwei, ist nicht eindeutig, ob dies ein echter Unterschied in der Struktur der Maschinen ist. In den 9c und 9d ist jedoch sofort offensichtlich, dass der Unterschied auf ein großes Volumen organischen Materials beruht, wie durch die helle Orange-Farbe dieser beiden Bereiche mit Drogen 124 gezeigt. Die oberen zwei Computer 122 enthalten ~ 1 kg Taschen mit Kunststoffperlen, die verpackte Drogen simulieren. Dies steht im Gegensatz zu der vorwiegend blauen (anorganisch oder geringer R-Wert) Farbe des Rests der Computerstruktur 126. Ähnlich wird von dem Gammastrahl-Bild von 9b des Kühlschranks 120 nicht deutlich, ob die Anomalie in der Mitte des Bilds Teil der Struktur des Kühlschranks ist oder nicht. In 9c und 9d ist jedoch zu sehen, dass die Anomalie 124 eindeutig organisch ist und im Gegensatz zu der vorwiegend anorganischen Struktur steht, die im Rest des Kühlschranks sichtbar ist (insbesondere der Kompressor 125 unten rechts und das Tiefkühlfach oben). In dem verbesserten organischen Bild von 9d sind die verborgenen Drogen 124 erneut eindeutig sichtbar. Außerdem ist das andere organische Material in der ULD (vor allem die Holzborde 128 hinter dem Kühlschrank 120 und dem Wasserbehälter 127 links auf den Kühlschrank 120) ebenfalls orange dargestellt.

10a bis 10d zeigen eine zweite ULD mit echten verborgenen Drogen (jeweils 1 kg Heroin und Methamphetamin). Das Heroin 130 ist in einem hohlen Betonblock 132 versteckt. Das Methamphetamin 134 ist in einer kleinen Kiste versteckt, die in einer größeren Kiste 136 platziert ist, die mit Kleidung gefüllt ist. Die organische Natur der verborgenen Drogen ist aus der Farbgebung in den Zusammensetzungsbildern von 10c und 10d offensichtlich. Das verbesserte organische Bild von 10d enthüllt erneut effektiv die verborgenen Drogen 130 und 134, insbesondere das Heroin 130, das in den Betonblöcken 132 gelb gefärbt ist. Da das Methamphetamin 134 in der Kiste 136 mit der Kleidung (direkt hinter der Vordergabel des Fahrrads 140) verborgen ist, ist die Zusammensetzungsunterscheidung in diesem Fall weniger aufschlussreich. Das Paket Drogen 134 kann jedoch aufgrund seiner Form und der höheren Dichte als potenzielle Anomalie bestimmt werden.

Das beschriebene radiographische Gerät kann auf mindestens drei Weisen zum Nachweisen und Bestimmen von Schmuggelmaterialien verwendet werden. Erstens stellen die Gammastrahl-Bilder beträchtliche Informationen über die Formen, Größen und Dichten von Gegenständen in einem Gegenstand wie einer ULD bereit. Einige verdächtige Materialien können auf dieser Basis bestimmt werden. Besondere Beispiele wären Drogenpakete, die in Räumen oder Hohlräumen hohler Gegenstände verborgen sind. Zweitens bietet die Farbgebung des Gammastrahl-Bilds auf der Grundlage von Zusammensetzungsinformationen, die von den Neutronenmessungen abgeleitet wurden, leistungsstarke zusätzliche Hinweise bei der Interpretation gescannter Bilder und der Bestimmung verdächtiger Materialien. Insbesondere wird der Nachweis organischer Materialien in vorwiegend anorganischen Gegenständen in hohem Maße vereinfacht. Drittens kann das Gerät unter gewissen Umständen verwendet werden, um das Neutronen-/Gammaverhältnis (R-Wert) verdächtiger Materialien zu messen, um weiter zu ihrer Bestimmung beizutragen. Dieser Ansatz funktioniert am besten, wenn sich um die zu messende Substanz wenig über- oder unterliegendes Material befindet oder wenn das über- und unterliegende Material in der unmittelbaren Nähe des Messbereichs ziemlich gleichmäßig ist. Unter diesen Umständen ist es möglich, eine Näherungskorrektur für die Absorption von Neutronen und Gammastrahlen in dem über- und unterliegenden Material anzustellen, um den R-Wert nur der betreffenden Substanz zu erhalten.

Eine zweite Ausführungsform wird direkt auf die Ausführungsform der schnellen Neutronentransmission mit Doppelenergie für 14 MeV und 2,45 MeV angewandt. Die folgende Diskussion gilt jedoch auch für die Doppelenergietransmission bei unterschiedlichen Energien bis 2,45 und 14 MeV. Anders als die zuvor besprochene Einzelenergie-Neutronentransmission werden jedoch drei Zählraten bei jedem Pixel gemessen, anstatt zwei im Falle der Einzelneutronentransmission und zwei Querschnittverhältnis-Bilder können berechnet werden.

Angenommen die Zählraten in einem bestimmten Pixel von jedem Bild sind r₁₄, r_2,45 beziehungsweise r_X. Diese Raten sind bezogen auf die (unbekannte) Masse Material m zwischen der Quelle und den Nachweispunkten und den (unbekannten) Massendämpfungskoeffizienten dieses Materials für 14-MeV-Neutronen, 2,45-MeV-Neutronen und Röntgen- oder Gammastrahlen, geschrieben als &mgr;₁₄, &mgr;_2,45 beziehungsweise &mgr;_X durch die Beziehungen: r₁₄ = R₁₄exp(–m&mgr;₁₄)(4) r_X = R_Xexp(–m&mgr;_X)(5) r_2,45 = R_2,45exp(–m&mgr;_2,45)(6) wobei R₁₄, R_2,45 und R_X jeweils die Zählraten für 14-MeV-Neutronen, 2,45-MeV-Neutronen und Röntgen- oder Gammastrahlen sind, wenn keine dazwischen liegenden Gegenstände vorhanden sind.

Die Querschnittverhältnisse können direkt berechnet werden: &mgr;₁₄/&mgr;_X = log(r₁₄/R₁₄)/log(r_X/R_X)(7) &mgr;_2,45/&mgr;₁₄ = log(r_2,45/R_2,45)/log(r₁₄/R₁₄)(8)

Es ist zu beachten, dass diese beiden Verhältnisse unabhängig von der Masse des Materials sind, das in dem Strahl zwischen der Quelle und dem Detektor vorhanden ist.

Die Querschnittverhältnisse, die durch die Gleichungen (7) und (8) gegeben sind, ermöglichen, dass eine große Vielzahl organischer und anorganischer Materialien unterschieden werden kann.

11 zeigt das Verhältnis des 2,45-MeV-Neutronen-Querschnitts zum 14-MeV-Neutronen-Querschnitt vs. dem Verhältnis des 14-MeV-Neutronen-Querschnitts zum Röntgen- oder Gammastrahl-Querschnitt für eine Auswahl Materialien. Die Verfügbarkeit zweier Querschnittverhältnisse verbessert überdies die Fähigkeit der Erfindung, zwischen unterschiedlichen Materialien zu unterscheiden. Folglich ermöglicht die Analyse der drei Massendämpfungskoeffizienten-Bilder, dass Informationen über die Inhalte des gerade untersuchten Gegenstands gefolgert werden.

12 zeigt den zusätzlichen Vorteil der Verwendung von Doppelneutronenenergien unter Berücksichtigung der simulierten Bilder eines Koffers 150, die in 12a bis 12e gezeigt sind. Die Bilder 12a bis 12c entsprechen den Gleichungen (4), (5) und (6) und zeigen die Transmission von 14-MeV-Neutronen, 2,45-MeV-Neutronen und Röntgen- beziehungsweise Gammastrahlen. Die Bilder 12d bis 12e entsprechen den Gleichungen (7) und (8) und zeigen den DT/Röntgenstrahl- beziehungsweise DD/DT-Querschnitt.

Der Koffer 150 ist mit Kleidung gefüllt, die sich aus Baumwolle und Wolle zusammensetzt, und enthält verschiedene harmlose und verdächtige Gegenstände. Die Flasche 152 enthält Wasser und die Flasche 154 enthält Alkohol. Die drei Blöcke, die unten rechts im Koffer 150 sichtbar sind, sind ein Papierbuch 156, Heroin 158 und RDX-Sprengstoff 160. Eine Schusswaffe 162 ist oben rechts im Koffer 150 ebenfalls sichtbar.

Von einem herkömmlichen Röntgenbild 12c ist es schwierig oder unmöglich, zwischen den Inhalten der zwei Flaschen 152, 154 oder den drei Paketen 156, 158, 160 rechts von dem Behälter zu unterscheiden, die ähnliche Dichten aufweisen. Die Neutronenbilder 12a, 12b bieten mehr Kontrast zwischen den unterschiedlichen Materialien, aber die besten Ergebnisse werden von den Querschnittverhältnis-Bildern 12d und 12e erhalten. Insbesondere verschwindet das Buch 156 wie in 12a und 12b gezeigt, in 12d und 12e, da Papier eine ähnliche Zusammensetzung wie die es umgebende Kleidung hat, wobei die Drogen 158 in 12e und die Sprengstoffe 160 in 12d und 12e eindeutig unterschieden werden können. Ein eindeutiger Unterschied ist auch in beiden 12d und 12e zwischen den Flaschen zu sehen, die Wasser 152 und Alkohol 154 enthalten.

In einer ersten Abwandlung des Doppelneutronentransmissionsverfahrens wird der Bediener ein neues Bild bilden, das eine lineare Kombination der zwei Querschnittverhältnis-Bilder ist. Die Proportionen, in denen die zwei Bilder kombiniert sind, werden von dem Bediener angepasst, um den Kontrast und die Empfindlichkeit für Schmuggelmaterialien zu maximieren und um die Effekte des Durcheinanders zu minimieren, die aus sich überlagernden Gegenständen resultieren.

13a bis 13b zeigen simulierte 14-MeV-Neutronen beziehungsweise Röntgenstrahl-Bilder eines Behälters 170, von der Seite aufgenommen. Aufgrund ihrer hohen Dichte dominieren die Stahlrohre 176 die Bilder, was es erschwert, die Umrisse des Computer-Gerätes zu sehen. Durch Bilden eines einzigen Bilds, 13c, von den zwei Querschnittverhältnis-Bildern, die durch die Gleichungen (7) und (8) gegeben sind, ist es jedoch möglich, den „Störfleck" zu entfernen, der mit den Stahlrohren 176 zusammenhängt, um die Computer-Kästen 174 erkennen zu lassen.

Dieser Ansatz kann mit Bezug auf 11 verstanden werden. Das Auswählen einer linearen Kombination aus Bildern (7) und (8) ist äquivalent zum Farbgeben von Bildpixeln gemäß Ihrem Abstand von einer willkürlich ausgerichteten Linie, die in 11 gezogen ist. Indem ausgewählt wird, dass diese Linie parallel zu zwei ausgewählten Materialien ist, ist jede beliebige Kombination dieser Materialien gleich gefärbt. In dem besprochenen Beispiel ist die Linie so gewählt, dass sie parallel zu einer Linie verläuft, die Stahl und die Polystyrolverpackung der Computer verbindet. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Stahlrohre größtenteils verschwinden, wo sie vor den Computer verlaufen. 13c zeigt die Ergebnisse dieses Prozesses.

Obgleich ein solches Beispiel der Erfindung besprochen worden ist, sollte geschätzt werden, dass solch eine Ausführungsform nur eine der vielen ist, die die Grundsätze der Erfindung verwenden. Während sich in dem zuvor genannten Beispiel die Strahlungsquellen an einer Seite des zu untersuchende Gegenstands befinden und die Detektoren an der gegenüberliegenden Seite, befinden sich in einer ersten Abwandlung die Quellen über oder unter dem zu untersuchenden Gegenstand, wobei die Detektoren auf der gegenüberliegenden Seite positioniert sind (oberhalb beziehungsweise unterhalb). In einer zweiten Abwandlung können die Quellen und Detektoren um den zu untersuchenden Gegenstand gedreht werden, um zu ermöglichen, dass mehrere Ansichten erhalten werden. In einer dritten Abwandlung werden mehrere Quellen und Detektoren verwendet, um das gleichzeitige Sammeln mehrerer Ansichten des gleichen Gegenstands zu ermöglichen. In einer vierten Abwandlung sind mehrere Sätze Detektoren um eine zentrale Quelle angeordnet, um zu ermöglichen, dass Ansichten mehrerer Gegenstände gleichzeitig erworben werden.

Natürlich können im Betrieb Gegenstände, die gescannt werden sollen, auf einem Förderband oder mittels einer Winde durch den Tunnel gebracht oder unter Verwendung eines geeigneten Mechanismus' hindurch gedrückt werden.

In der zuvor erwähnten Ausführungsform werden die zwei Strahlungsquellen sequenziell betrieben, wenn der Gegenstand durch den Analysator gescannt wird. In einer ersten Abwandlung wird der Gegenstand zweifach durch den Analysator gescannt, wobei eine Quelle für jeden Scan betrieben wird. In einer zweiten Abwandlung weist jede Quelle einen separat zugehörigen Detektor auf und der Gegenstand wird nur einmal gescannt. In einer dritten Abwandlung werden die zwei Strahlungsquellen gleichzeitig betrieben, ein einzelner Detektor wird verwendet und Energieunterscheidung wird verwendet, um die Signale aufgrund von Neutronen und Röntgen- oder Gammastrahlen zu trennen.

In der Abwandlung (Doppelneutronenenergietechnik-Ausführungsform) umfasst die Strahlungsquelle drei separate Strahlungsgeneratoren, eine, die 14-MeV-Neutronen erzeugt, eine, die 2,45-MeV-Neutronen erzeugt und die letzte, die Hochenergie-Röntgen- oder Gammastrahl-Strahlungen erzeugt. Die Neutronenquellen sind Neutronengeneratoren mit versiegelter Röhre oder andere Kompaktquellen ähnlicher Natur, die Neutronen über D-T und D-D-Fusionsreaktionen erzeugen.

Die drei Strahlungsquellen werden sequenziell betrieben, wenn der Gegenstand durch den Analysator gescannt wird. In einer ersten Abwandlung wird der Gegenstand drei Mal durch den Analysator gescannt, wobei eine Quelle für jeden Scan betrieben wird. In einer zweiten Abwandlung weist jede Quelle einen separaten zugehörigen Detektor auf, und der Gegenstand wird nur einmal gescannt. In einer dritten Abwandlung werden zwei oder mehrere Strahlungsquellen gleichzeitig mit einem einzelnen Detektor betrieben, und Energieunterscheidung wird verwendet, um die Signale von den Hochenergieneutronen, den Niederenergieneutronen und den Röntgen- oder Gammastrahlen zu unterscheiden.

Fachleute werden schätzen, dass viele Abwandlungen und/oder Modifikationen an der Erfindung vorgenommen werden können, wie in den spezifischen Ausführungsformen gezeigt, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen, wie sie allgemein beschrieben wurde. Die vorliegenden Ausführungsformen sind daher in jeder Hinsicht als veranschaulichend und nicht einschränkend zu betrachten.

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