专利名称：用于非侵入性检测化学元素的方法
技术领域：
本发明涉及一种检测液体或固体中存在的至少一化学元素的非侵入性检测方法。本发明适用于，例如，在民事安全(行李检查、货物集装箱等)领域中检测一种爆裂物(或多种爆裂物)、一种化学武器(或多种化学武器)或一种药物(或多种药物)，搜寻禁运品(海关检查)，扫雷(民事安全及军事应用)，并且还适用于构成核工业产生的放射性废弃物的材料鉴别。
背景技术：
关于化学元素的非侵入性检测已知有多种方法。这些方法中有些是以应用中子测量为基石出。以应用中子测量为基础的方法当中，有些是通过检测由热中子诱发俘获伽马射线 (η, γ)来鉴别化学元素，或通过检测非弹性散射伽马射线(η，η' Y)，或在快中子所引起的其他反应之后检测伽马射线，即(η, ρ)、(η, d)、(η, t)、(η, α)等，来鉴别化学元素。在本说明的其余部分中，“非弹性伽马射线” 一词用于所有由快中子诱发的伽马射线。由于信噪比(在信号为俘获射线而噪声为非弹性射线的情况下)在脉冲之间会达到最大值，故使用一脉冲中子发生器来发射中子，在检测由热中子诱发的俘获射线上更为灵敏。此种检测类型的说明见于美国专利US 6 393 085 Bl。在这个文献中，也记载了可行的非弹性伽马射线检测，这回则是在脉冲期间，但是此方法的检测灵敏度远低于使用一伴随粒子管(TPA) ；TPA能够让受检物体从一中子的飞行时间测量就被空间定位，其原理详细记载在美国专利申请案US 2007/0241283 Al中。简言之，每一个中子均与一个α粒子同时发射，并且是往相反方向。检测α粒子使得中子发射方向得以被确定，而测量α粒子检测与中子诱发的非弹性Y射线检测的时间，使得中子飞行时间能够被确定。因此，就有了一种可供用来对发生交互作用的位置进行3D定位的方法，且因此可用来消除关注区域之外出现的事件，导致相比于脉冲探询法，信噪比得到大幅改善。然而，由于TPA发射是连续的，故利用此方法来检测俘获射线就信噪比而言并不是最佳的。有一个问题在于，这两种方法，一种以脉冲管为基础，另一种以TPA为基础，都不能以最佳的灵敏度同时检测俘获射线及非弹性射线，并从而令人满意地鉴别所有要寻找的元素。一旦完成了第一种方法，即必需再完成第二种方法，以便扩大可检测元素的范围，或者，需要改善与通过这两种方法可以检测到的那些元素的存在相关的置信水平。因此，一检测操作的总持续时间相对较长，从安全性来说，是一个大缺点。本发明并没有这个缺点。

发明内容
实际上，本发明涉及一种通过向一物体发射中子来检测物体中是否存在一化学元素的方法，其特征在于，向物体发射中子的操作由以下步骤组成首先，连续发射来自一伴随粒子中子发生器的中子，其次，发射与连续发射的中子叠加的中子脉冲；其中，中子脉冲来自一产生脉冲持续时间T2的中子脉冲的脉冲中子发生器，两个连续的中子脉冲之间相间隔的间隔时间为T4，且向物体连续发射及脉冲发射中子，产生一俘获伽马射线及一非弹性伽马射线。根据本发明的一附加特征，此方法包括-在将持续时间T2的脉冲间隔开的T4间隔时段内，使用伴随粒子技术进行非弹性伽马射线及俘获伽马射线的检测，-在相对于物体的一中子飞行时间段内，以使用伴随粒子技术的检测步骤中所检测到的非弹性伽马射线及俘获伽马射线为基础，形成一第一伽马光谱，-在与相对于物体的中子飞行时间段或相对于可能在物体附近的任何其它物体的任何其它中子飞行时间段分离的一时间段内，以使用伴随粒子技术的检测步骤中所检测到的非弹性伽马射线及俘获伽马射线为基础，形成相对于偶然符合的一随机背景噪声谱，-以相对于偶然符合的随机背景噪声谱为基础，在相对于物体的整个时间段，形成一标准化随机背景噪声谱，-减去第一伽马光谱及标准化随机背景噪声谱以形成一第二伽马光谱，及-以第二伽马光谱及可被检测出来的参考化学元素之光谱为基础，搜寻物体中是否存在一化学元素的步骤，以传送能够显示物体中是否存在化学元素的一第一数据项。根据本发明之另一附加特征，此方法还包括-首先在T2脉冲持续时间内，其次在将持续时间T2的脉冲间隔开的T4间隔时间内，使用脉冲中子探询技术来检测俘获伽马射线及非弹性伽马射线。-以在T4间隔时间内，使用脉冲中子探询技术检测到的俘获伽马射线及非弹性伽马射线为基础，形成一第三伽马光谱，-以据第三伽马光谱为基础，形成代表化学元素的至少一俘获线的一第一数据项，-以在T2脉冲持续时间内使用脉冲中子探询技术检测到的非弹性射线为基础，形成由多个能量通道构成的一第四伽马光谱，-以第四伽马光谱为基础，形成一标准化伽马光谱，其中标准化伽马光谱是通过将第四伽马光谱中的每一能量通道的内容乘以一标准化因数F而形成的，标准化因数F与在一 T4间隔时间内所发射的中子数目大致成比例，且与在一 T2持续时间内所发射的中子数目大致成反比，-以标准化伽马光谱为基础，形成一代表一非弹性伽马射线背景噪声的第二数据项，-第一数据项及第二数据项的减去步骤，-根据减去步骤的结果确认物体中是否存在化学元素的步骤，及-若确认物体中存在化学元素，则实施一附加步骤以确认步骤的结果及相对于化学元素之各个不同的俘获伽马射线的加权数据为基础，传送一能够证实或否认化学元素存在的确认结果的第二数据项，其中这些权数是根据与每一条线相关联的检测概率及干扰风险得出的。根据本发明的又一附加特征，标准化因数F由以下方程式给出F = (I4xT4) / (Ι2ΧΤ2) Χ [ (1-ΤΜ (Τ4)) / (1-ΤΜ (Τ2))]，其中ΤΜ(Τ4)及ΤΜ(Τ2)分别为，对于在Τ4间隔时间内检测伽马射线所产生的电信号进行处理的电子处理单元的一闲置时间，及对于在T2持续时间内检测伽马射线所产生的电信号进行处理的电子处理单元的一闲置时间。根据本发明方法的再一附加特征，若第一数据项或第二数据项证实化学元素存在，则一决策步骤会传送一警示信号。根据本发明的另一附加特征，若证实存在数种化学元素，则其包括一附加步骤计算被证实存在的所有或部分化学元素的相对比例。根据本发明方法的又一附加特征，使用伴随粒子技术在将T2脉冲持续时间间隔开的T4间隔时间内，对俘获伽马射线及非弹性伽马射线进行的检测，是由一个优先适合于检测非弹性伽马射线的检测器负责。根据本发明方法的又一附加特征，使用脉冲中子探询技术，首先在T2脉冲持续时间内，其次在将T2脉冲持续时间间隔开的T4间隔时间内，对俘获伽马射线及非弹性伽马射线进行的检测，是由一个优先适合于检测俘获伽马射线的检测器负责。同时使用一连续发射中子的伴随粒子中子发生器G1，及一发射中子脉冲的脉冲中子发生器G2，对于俘获射线的检测明显不利，这是因为发生器G2的脉冲之间存在剩余的中子发射，而此剩余发射是由于发生器Gl的连续发射所致。此剩余发射确实会降低信噪比 (其中信号为俘获射线而噪声为非弹性射线)。有利的是，本发明方法提出用以消除这个缺点的手段。在本发明的范围内，发生器Gl与G2的组合应用因而能够在单一采集中，对于由脉冲中子探询所检测到的俘获伽马射线及由伴随粒子法所检测到的非弹性伽马射线，获得可用在灵敏度上的测量值。因此，不用增加采集时间，可检测元素的范围就扩大了。此外， 对于用这两种方法可以检测到的元素而言，检测的置信水平获得改善。使用本发明的检测系统，可以方便地使用中子脉冲周期T的一大部分(典型的是 95%)来同时检测由热中子(俘获)及由快中子(非弹性散射及反应(η，α)、(η, ρ)等) 所诱发的两种类型的射线。


本发明的其他特征及优点将在参照附图阅读一较佳实施例时呈现出来，其中图1是使用本发明方法的一非侵入性检测系统的一示意图；图2是根据本发明的一中子发射光谱；图3是本发明之非侵入性检测方法的一处理周期的步骤；图4是伴随粒子技术的一时谱的范例；图5是图3中的处理周期中一特殊步骤的基本步骤；图6是一伽马光谱中的一伽马线检测峰；在所有图式中，相同的参考数字指示相同的元件。
具体实施例方式图1是使用本发明方法的一非侵入性检测系统的示意图。在可能含有要被检测的化学元素的物体0周围是本发明的检测系统，包括一伴随粒子中子发生器G1、一脉冲中子发生器G2、两个检测器Dl及D2、处理由检测器Dl及D2产生的信号并使这些信号成形的一电子处理电路Ε、储存由电子处理电路E所传送的数据的数据库氏、B1,化，分别储存和参考俘获线及非弹性伽马射线参考光谱相关的数据的参考数据库Bkc及Bs，及一电脑C ；电脑C以数据库B” B。B2、Bec及Bs中所含数据为基础来计算一个显示一种(或多种)化学元素或危险产物是否存在的一信号。中子发生器Gl及G2发射中子，其中有些朝向被研究物体的方向。中子发生器Gl 及G2同时运转(图2显示由中子发生器Gl及G2同时发射的中子之发射强度的经时变化)。 一伽马射线Yl由发生器Gl所发射的中子与被研究物体的交互作用产生，而一伽马射线 Y2则由发生器G2所发射的中子与被研究物体的交互作用产生。各伽马射线Yl或Y2可能是一俘获伽马射线或一非弹性伽马射线。各检测器Dl或D2能够检测一俘获及/或非弹性射线。不过，检测器Dl优先适用于通过伴随粒子法来检测非弹性伽马射线(检测器Dl因其检测效率高且时间分辨率符合要求而被择定)，而检测器D2则优先用适于通过脉冲中子探询法来检测俘获伽马射线(检测器D2因其能量分辨率符合要求而被择定)。检测器Dl为，例如，一高效率的闪烁晶体，检测器D2为，例如，一高能量分辨率的半导体晶体。图1描绘的情况是，化合物Xl的核受到来自发生器Gl的一中子的交互作用，诱发一会被检测器Dl检测到的射线Y 1射出，且第二化合物X2的核受到来自发生器G2的一中子的交互作用，诱发一会被检测器D2检测到的一射线Y2射出。从发生器Gl产生的一中子促使一射线Yl从物体0内发射，这是非弹性类型，故此射线Yl被检测器Dl检测到，而， 由发生器G2所发射的一中子因为在物体0中发生多次碰撞而减速，随后再诱发一俘获伽马射线Y2射出，此射线Y2在检测器D2被检测到。然而，本发明还涉及所有其他可能的检测情况，诸如，举例而言，一特定化学元素的核通过使用双伽马射线Yl及Y 2来检测的情况，或仅由射线Yl及Y2 二者之一来检测的情况。在氘的一连续光束Fl对一氚靶Tl的作用下，伴随粒子中子发生器Gl以一种已知的方式发射中子。中子的发射在一 α粒子与一中子同时产生的反应下进行。α粒子由属于发生器Gl的一位置敏感检测器L来检测。位置敏感检测器L由，例如，一组组装成矩阵形式的N个基本检测器dk(k= 1，2，…，N)组成。在N个检测器中检测粒子α的基本检测器dk的资料，使得α粒子的发射方向能够被精确定位。在本发明的另一实施例中，位置敏感检测器L并非由一组基本检测器，而是由一个上面设置着数个传感器的一单一的传感器单元组成，然后通过一重心计算来决定α粒子的位置。由于α粒子与中子朝大致相反的方向上射出，故知道α粒子朝哪个方向发射就能够知道中子朝哪个方向发射。只要检测器L检测到一 α粒子，显示α粒子方向的一信号Sl就被发送到电子电路Ε。信号Sl是一同步信号，其允许电子电路E响应检测器Dl所传送的一脉冲。信号Sl还包括一识别中子发射方向的数据项(基本检测器dk，如果是一矩阵检测器会检测α粒子，或者如果是一传感器单元会定出检测方位)。根据上述实施例，同步信号Sl由检测器L传送。在本发明的另一实施例中，若检测器Dl已接收到一伽马射线脉冲，同步信号Sl就由检测器Dl传送。在氘的一脉冲光束F2对一氚靶Τ2的作用下，脉冲中子发生器G2以强中子脉冲的形式发射中子。脉冲中子发生器G2还传送一复制中子脉冲的时间波形的电脉冲信号S2。 信号S2被发送给电子处理电路Ε。信号S2控制电子处理电路E以便，首先，在每一强中子脉冲期间，其次，在两个连续的强中子脉冲之间，响应并识别由检测器D2所传送的脉冲。信号S2还控制电子处理电路E以响应仅在连续的强中子脉冲间由检测器Dl所传送的脉冲。实际上，通过伴随粒子技术的信号采集不能在强中子脉冲发射期间发生，因为这会导致信噪比大幅降低。数据库Btl将检测器D2在强中子脉冲期间检测到的非弹性事件EV0，以寄存在检测器D2中的能量EO的列表形式储存起来，这些能量与检测器D2在伽马射线的作用下所产生的电脉冲的振幅成比例。在本说明的后续部分，出于简化的目的，这些能量将被称为“检测到的脉冲的能量”。数据库B1将检测器D2在强中子脉冲之间检测到的非弹性及俘获事件EV1，以检测器D2在伽马射线的作用下所产生的脉冲的能量El的列表形式储存起来。数据库4将利用伴随粒子技术，由检测器Dl在强中子脉冲之间检测到的剩余的非弹性及俘获事件EV2储存起来。如同后面将明确指出的，每一事件EV2包含一组数据，即 一伽马能量、α粒子与伴生的Y射线检测的一重合期，及提供α粒子的检测位置的一数据项。电脑C以储存在数据库Bc^B1A2中的数据及储存在数据库Βκ。及Bs中的参考数据为基础来计算警示信号S (警报)，这将在适当的时候参阅图3予以描述。图2描绘由中子发生器Gl及G2同时发射的中子的强度I。中子由管Gl连续发射，强度为14，且强中子脉冲由中子发生器G2以周期T发射。在一强中子脉冲期间，管Gl 及G2所发射的中子的总强度，在持续时间Tl (例如等于1 μ s)内从I4变化到I2，在持续时间Τ2 (例如数十微秒)内大致维持在值12，并在大致等于Tl的持续时间Τ3内从I2降至14。 在此之后，一间隔时间Τ4将一强中子脉冲的终点与随后的强中子脉冲的起点间隔开。由于 Gl及G2管发射中子同时发生的特性，故必须强调的是，不同于脉冲中子探询领域中的现有技术，强中子脉冲之间，已发射的中子数并不等于零，而是保持在一非零值。在一强中子脉冲的发射持续时间Τ2内，以及间隔开两个强中子脉冲的间隔时间 Τ4内，同步信号S2使电子电路E处于等待接收由检测器D2产生的伽马射线的状态。若一伽马射线是在强中子发射的持续时间Τ2的阶段被检测到，则最有可能是由诱发一非弹性伽马射线的快中子的反应所造成的，而起因于热中子的可能性则很低。这样的射线如果被检测到，则其能量经电子电路E测量然后被优先转换成一数字数据项的形式。代表以此方式被测量出来的能量的数字数据构成EVO事件(S卩，脉冲能量Ε0)，储存在数据库Btl中。若一伽马射线是在间隔开两个强中子脉冲的间隔时间Τ4内被检测到的，则其可能是由一俘获反应或由一非弹性反应产生的。这样的射线的能量被电子电路E测量出来然后被优先转换成一数字数据项的形式。代表以此方式被检测到的能量的数字数据构成EVl事件(即， 脉冲能量El)，储存在数据库B1中。此外，若一 α粒子是在间隔时间Τ4内被检测到的，则信号Sl会让电子电路E处于等待检测器Dl所检测到的一伽马射线的状态。若一伽马射线与α粒子被同时检测到， 则伽马射线的能量被电子电路E测量出来然后被优先转换成一数字数据项的形式。电子电路E还计算间隔开α粒子检测与伽马射线检测的间隔时间Ta γ。数据库化以数字数据形式储存检测器Dl所检测到的EV2事件。一 EV2事件收集检测到的伽马射线的能量Ε2、间隔时间Ta γ及确认α粒子被位置敏感检测器L检测到的位置的一数据项ik。这些事件的一部分是由于俘获伽马射线所致。这部分的事件优先从被观测物体的伽马光谱中除去，这将在适当的时候参阅图3予以描述。
在一周期T(T = Τ1+Τ2+Τ3+Τ4)内的所有测量构成一测量周期。在Nm个测量周期， 例如，600000个测量周期，相当于约10分钟的一总测量持续时间之后，要执行一处理周期。图3描绘本发明的一处理周期中所实施的不同步骤。一处理周期由电脑C来实施。一处理周期首先包括一组构建光谱的步骤，即-步骤1-由储存在数据库Btl中的数据构建一伽马光谱&，-步骤2-由储存在数据库B1中的数据构建一伽马光谱S1，及-步骤3-由储存在数据库化中的数据构建一没有随机噪声的伽马光谱&；其中步骤3本身由步骤4、步骤5及步骤6组成，步骤4为选择储存在数据库氏中的事件以从这些事件确认哪些是对应于受研究物体的，步骤5是从根据步骤4的结论所选定的事件来构建受研究物体的一原始伽马光谱&，一连续步骤ei、e2从储存在数据库化中的事件形成一标准化的随机噪声谱M (η)，而步骤6从原始伽马光谱&减去标准化的随机噪声谱M (η)以形成没有随机噪声的光谱&，其因而仅包括受研究物体中的快中子所诱发的非弹性事件。构建光谱的步骤1、2及3之后是光谱处理步骤，即-步骤7，以光谱&及S1为基础来搜寻一种化学元素(或多种化学元素)，及-步骤8，以光谱&为基础来搜寻一种化学元素(或多种化学元素)。光谱处理的步骤7及8，就它们的部分，随后接着决策步骤9。从储存的数据构建一个光谱的步骤被理解成，本技术领域中已知的，结合这个数据来构建事件能量的直方图的步骤。现在将描述以储存在数据库化中的数据为基础来构建没有随机噪声的光谱&的步骤3 ο储存在数据库化中的非弹性及俘获事件EV2仅由发生在中子脉冲之间的事件构成。为此，电子电路E包括根据脉冲发生器G2产生的信号S2，选择由检测器Dl在所希望的时段内检测到的事件的选择装置。如上所述，步骤3包括一个选择数据库化中所储存的事件的步骤4。选择数据库 4中储存的事件的步骤4依赖于已知的伴随粒子技术。此步骤是本技术领域中已知的步骤， 能够从数据库4中的所有事件中，确定那些涉及受研究物体的事件。根据以此方式在步骤4中选出的事件，在步骤5中构建出受研究物体的原始伽马光谱4。就像前述的步骤1及步骤2，步骤5本身也是已知的。步骤5之后的步骤6从光谱 &减去标准化随机噪声谱M (η)。标准化随机噪声谱M (η)是使用储存在数据库化中的光谱数据由连续步骤ei及％构建出来。首先从储存在数据库化中的光谱数据形成一随机噪声谱M (步骤。，然后从随机噪声谱M形成标准化随机噪声谱M (n)(步骤e2)。标准化随机噪声谱&ι(η)的形成将参考图4在下文中明确记载。图4描绘使用伴随粒子技术所获得的一时谱的范例。此图谱体现分隔α粒子检测与伽马射线检测的期间，从这些期间可以推论出中子飞行时间。作为一范例，图4之图谱包括，代表偶然符合的噪声水平b，高于上述的水平形成了峰pl、p2及p3，振幅很低的峰pi 对应于发生器Gl中感生的光子，高振幅的峰p2代表受研究物体的真符合，而中等振幅的峰P3代表非由受研究物体所致的事件。峰p2的时域宽度At是和受研究物体相关的时间间隔。步骤ei包括，例如，在一时间间隔At(Sa)内选择时谱事件，时间间隔At(Sa)相对于和受研究物体相关的时间间隔是负的，且与和受研究物体相关的时间间隔分离，并且表现在从以此方式被选定的事件来构建由于偶然符合所致的随机背景噪声谱Μ。持续时间 At(Sa)最好是大于或等于受研究物体的时间间隔At以获得更好的统计精度。接着，步骤 %包括使噪声谱M在受研究物体之时间间隔的宽度At内标准化。标准化因式等于At/ Δt(Sa)。然后，在步骤6中，从未经处理的原始谱&减去根据步骤％所得的标准化光谱 Sa(η) 0得出没有受研究物体之随机噪声的伽马光谱&。接着，使用一处理演算法从光谱& 寻找一种化学元素(或多种化学元素)的存在，此处理演算法在步骤8 (参阅图幻中以一已知方式实施。使用一数据库Bs中所含的一预建列表中所存档的参考数据来完成一种化学元素(或多种化学元素)的搜寻。数据库Bs包含可以检测到的每一种化学元素的完整的光谱数据。不同于检测器D2，检测器Dl的能量分辨率并不允许通过射线来进行处理。因此，步骤8对整个光谱&实施一反卷积，以求出每一种存在的元素的相对贡献。反卷积是用数据库Bs中所含数据，通过一调整演算法来执行。然后，利用&中的计数总值(nombre total de coups)将与一元素X相关联的&中的事件分额标准化。其后，利用与之相关联的方差ο (Fx)计算出元素X在完整光谱中的百分率!V若，例如，以下的不等式被核实，则一元素X即视同检测到σ (Fx)/Fx <50%使用光谱&及S1来搜寻一种化学元素(或多种化学元素)的步骤7 (参阅图3) 是用一处理演算法Al来执行。图5说明由演算法Al执行的基本步骤。演算法Al确定是否存在对应于参考数据库Βκ。中所存档的伽马线的化学元素。演算法Al包括使用光谱&的分析来搜寻非弹性射线的可能的干扰。在一种已知的方式中，所寻找的每一元素X都是由元素X的天然同位素所特有的一组η条能量俘获伽马线Ε1Χ，Ε2Χ，…，Enx构成其特征。在本发明的范围内，存在着对应于要找的元素的俘获线与要找的元素以外的元素之俘获线，或与发生器Gl的剩余发射在发生器G2所传送的强脉冲之间诱发的非弹性线发生干扰的风险。演算法Al的目的是要从与所关注的每一元素X相关联的谱线的一列表中，选出那些强度够且受干扰风险低的。演算法Al包括处理光谱S1的步骤ESl、使光谱&标准化的步骤N、处理标准化光谱的步骤ES2、从处理步骤ESl的结果减去处理步骤ES2的结果的减法步骤16、线验证步骤 17及确定一元素是否存在的步骤18。处理步骤ESl依序包括搜寻峰的步骤10、求出净面积的步骤11及线检测的验证步骤12。这些步骤中的每一个步骤都是本技术领域中已知的。对每一个检测到的峰而言， 在搜寻峰的步骤10之后随之以求出峰净面积A的步骤11。图6描绘一伽马谱峰。图6中所描绘的峰，其净面积A是超过康普顿背景噪声水平Bc的峰面积。若一元素X的谱线Exi 的净面积Asi(Exi)满足，例如，以下方程式，则谱线Exi视同已在图谱中被检测到σ [Asi (Exi) ]/Asi (Exi) < 50%,其中σ [Asi (Exi) ] = [Asi (Exi) +2Bcsl (Exi) ]1/2,且其中 Bcsi (Exi)为与线 Exi 相关联的康普顿背景噪声。 这个标准约相当于95 %的置信水平，且可根据所希望的误警率进行调整。
标准化步骤N的目的是消除光谱&中所含的不想要的成分。这些不想要的成分对应于发生器G2在强脉冲之间的剩余发射所诱发的非弹性射线的峰，这些峰位于一要找的元素的俘获线Elx，E2X，…，Enx中的一条附近，以致于检测器D2的能量分离功率无法使非弹性线与俘获线被区分开。标准化步骤N包括一标准化因数F的计算。标准化因数F与在隔开两个脉冲的间隔时间T4内所发射的强度I4的中子数目大致成比例，且与在一强度I2 的中子脉冲的持续时间T2内所发射的中子数目大致成反比。因数F因而可，例如，通过以下方程式给出F = (I4XT4) / (Ι2ΧΤ2) Χ [ (1-TM (T4)) / (1-TM (T2))]，其中，TM(T4)及ΤΜ(Τ2)分别为，对于在检测Τ4间隔时间内检测到伽马射线时所产生的电信号进行处理的电子处理单元E的一闲置时间，及对于在检测Τ2持续时间内检测到伽马射线时所产生的电信号进行处理的电子处理单元E的一闲置时间。因数F还可在与一检查测量条件类似的条件下执行的一校准阶段中，通过在Τ2及 Τ4持续时间内测量非弹性伽马线的强度，全凭经验取得。接着，用于计算因数F的伽马线因它们的强度、能量，并且因为不存在与俘获射线的干扰而被精确地选定。然后，通过将伽马光谱&的每一个能量通道中存在的计数(nombre de coups)乘以因数F以形成标准化的伽马光谱&(11)。处理步骤ES2紧接着标准化步骤N而来。处理步骤ES2包括，以本技术领域中已知的一种方式，搜寻标准化光谱&(η)中存在的峰(步骤13)、求出标准化光谱的峰净面积 AS0(nor) (Exi)(步骤14)，及线检测的验证步骤(步骤1 。在步骤16中，从步骤12之后所传送的线Exi的每个净俘获面积Asi (Exi)减去在步骤15之后被传送的标准化净面积Asckiot) (Ε。。若在步骤13中未检测到峰(这是最常出现的情况)，和能量Exi相关的标准化净面积、‘。^ (Exi)就会被定义成等于零。然后，根据步骤16的结论，获得一非弹性贡献的净面积 Ansi (Exi),即Ansi (Exi) = Asi (Exi) -AS0(nor) (Exi)。若以下关系，例如，被确认，则一元素X的俘获线在步骤17中被确认σ [Ansi (Exi) ] /Ansl (Exi) < 50 %，其中 σ [Ansi (Exi) ]2 = σ [Asi (Exi) ]2+ σ [AS0(nor) (Exi) ]2 = [Asi (Exi) +2Bcsl (Exi) ] +F2 [Aso (Ex ^+26 (Exi)] 数据库Bk。包括关于可检测到的每一条线的加权数据W。一元素X的一条线的加权数据W是，此线被检测到的概率、此线与来自除元素X以外的元素的相同的线发生干扰的风险，及对应于元素X的线总数，的函数。一特定元素的所有的线的权数总和等于1。步骤18 利用储存在数据库Bk中的加权数据W，及根据步骤17的结论所传送的验证信息dV (Exi)，针对每一条能量俘获线Exi,计算出乘以针对元素X所检测到的线的权数的总和。使用若干条线，且因而不限于使用强度最大的线的作法，使得强度最大的线实际上将由一非寻找对象的元素产生，未预想到可能与这条线发生干扰的风险，可以受到限制。元素X的其他可预期的线尽管可能强度较小，但是仍能够让元素的存在获得确认。原则上，强度最大的线有最高的权数W，除非它与一经常会存在于被探询物体或其所处环境中的非寻找对象的元素，发生可能已知的干扰。因此，一被寻找元素的每一条线E1X，E2X，…，Enx的权数的确定，是从检测灵敏度与干扰风险之间的折衷得出。若计算出来的被检测线之权数总和大于可调整的临界值S，则一元素X视同被检测到，S等于，例如，0.5。根据步骤18的结论传送一个二进制数据项d/以显示元素X是否已被检测到。 步骤9 (参阅图幻是一个决策步骤，使用以根据个别步骤8与7的结论而传送的数据d/及d/为基础的演算法A4来执行。若数据项d/及d/其中之一确认化学元素X存在，则根据决策步骤的结论传送一警示信号S (警报)。若能够证实或否认化学元素存在的数据元素没有一个确认其存在，则决策步骤传送一表示化学元素不存在的信号。就某些非法物质而言，是某些化学元素的比例让这些物质的存在得以被排除。为此，根据本发明方法的一种改良，是通过对某些受检测化学元素的相对比例，例如，碳(C)、氮(N)及氧(0)的相对比例进行计算，借而将药物及爆裂物与同样含有这些化学元素的无害物质区分开。
权利要求
1.一种通过向一物体发射中子来检测所述物体中是否存在一化学元素(X)的方法，其特征在于向所述物体发射中子的操作由以下步骤组成首先，连续发射来自一伴随粒子中子发生器(Gl)的中子，其次，发射与连续发射的中子叠加的中子脉冲，其中所述中子脉冲来自一产生脉冲持续时间T2的中子脉冲的脉冲中子发生器(G2)，两个连续的中子脉冲之间相间隔的间隔时间为T4，且向所述物体连续发射及脉冲发射中子，产生一俘获伽马射线及一非弹性伽马射线。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其包括-在将持续时间T2的所述脉冲间隔开的T4间隔时段内，使用伴随粒子技术进行非弹性伽马射线及俘获伽马射线的检测，-在相对于所述物体的一中子飞行时间段内，以使用所述伴随粒子技术的检测步骤中所检测到的非弹性伽马射线及俘获伽马射线为基础，形成(4，幻一第一伽马光谱(Sb)，-在与相对于所述物体的中子飞行时间段或相对于可能在所述物体附近的任何其它物体的任何其它中子飞行时间段分离的一时间段内，以使用所述伴随粒子技术的检测步骤中所检测到的非弹性伽马射线及俘获伽马射线为基础，形成(ei)相对于偶然符合的一随机背景噪声谱(Sa)，-以相对于偶然符合的随机背景噪声谱(Sa)为基础，在相对于所述物体的整个时间段，形成(e2) —标准化随机背景噪声谱(Sa(η))，-减去(6)第一伽马光谱(Sb)及标准化随机背景噪声谱(Sa(η))以形成一第二伽马光谱(Sn),^-以第二伽马光谱(Sn)及可被检测出来的参考化学元素之光谱(Bs)为基础，搜寻(8) 所述物体中是否存在一化学元素的步骤，以传送能够显示所述物体中是否存在化学元素 ⑴的一第一数据项(d/)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于其还包括-首先在T2脉冲持续时间内，其次在将持续时间T2的脉冲间隔开的T4间隔时间内，使用所述脉冲中子探询技术来检测俘获伽马射线及非弹性伽马射线，-以在T4间隔时间内，使用脉冲中子探询技术检测到的俘获伽马射线及非弹性伽马射线为基础，形成⑵一第三伽马光谱(S1),-以第三伽马光谱(S1)为基础，形成(ESl)代表化学元素(X)的至少一俘获线(ΕΛ Ε2χ，…，Εηχ)的一第一数据项(Asl(EiX)),-以在Τ2脉冲持续时间内使用所述脉冲中子探询技术检测到的非弹性射线为基础，形成⑴由多个能量通道构成的一第四伽马光谱(Stl)，-以第四伽马光谱(Stl)为基础，形成(N) —标准化伽马光谱(S(n ))，其中标准化伽马光谱(Sckiot))是通过将所述第四伽马光谱中的每一能量通道的内容乘以一标准化因数(F)而形成的，标准化因数(F)与在一 T4间隔时间内所发射的中子数目大致成比例，且与在一 T2 持续时间内所发射的中子数目大致成反比，-以标准化伽马光谱(Sckiot))为基础，形成(ES》一代表一非弹性伽马射线背景噪声的第二数据项(‘(_)(&))，-第一数据项(Asl(Eix))及第二数据项(Astlnm (ED)的减去步骤(16)， -根据所述减去步骤的结果确认(17)所述物体中是否存在化学元素(X)的步骤，及-若确认所述物体中存在化学元素(X)，则实施一附加步骤(18)以确认步骤(17)的结果及相对于化学元素(X)之各个不同的俘获伽马射线的加权数据(W(E1X)，W(E2X)···， W(Enx))为基础，传送一能够证实或否认化学元素(X)存在的确认结果的第二数据项(d/)， 其中这些权数是根据与每一条线相关联的检测概率及干扰风险得出的。
4.根据权利要求3所述的方法，其中标准化因数(F)由以下方程式给出F = (Ι4χΤ4) / (Ι2ΧΤ2) Χ [ (1-ΤΜ (Τ4)) / (1-ΤΜ (Τ2))]，其中ΤΜ(Τ4)及ΤΜ(Τ2)分别为，对于在Τ4间隔时间内检测伽马射线所产生的电信号进行处理的电子处理单元(E)的一闲置时间，及对于在Τ2持续时间内检测伽马射线所产生的电信号进行处理的电子处理单元(E)的一闲置时间。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中若第一数据项(d/)或第二数据项(d/)证实所述化学元素存在，则一决策步骤(9)会传送一警示信号(S(警报))。
6.根据权利要求5所述的方法，其中若证实存在数种化学元素，则其包括一附加步骤 计算被证实存在的所有或部分化学元素的相对比例。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其中，使用所述伴随粒子技术在将T2脉冲持续时间间隔开的T4间隔时间内，对俘获伽马射线及非弹性伽马射线进行的检测，是由一个优先适合于检测非弹性伽马射线的检测器(Dl)负责。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的方法，其中，使用所述脉冲中子探询技术，首先在T2脉冲持续时间内，其次在将T2脉冲持续时间间隔开的T4间隔时间内，对俘获伽马射线及非弹性伽马射线进行的检测，是由一个优先适合于检测俘获伽马射线的检测器(D2) 负责。
全文摘要
本发明涉及一种通过向一物体发射中子来检测物体中是否存在一化学元素的方法，其特征在于，向物体发射中子的操作由以下步骤组成首先，连续发射来自一伴随粒子中子发生器(G1)的中子，其次，发射与连续发射的中子叠加的中子脉冲；其中，中子脉冲来自一产生脉冲持续时间T2的中子脉冲的脉冲中子发生器(G2)，两个连续的中子脉冲之间相间隔的间隔时间为T4，且向物体连续发射及脉冲发射中子，产生一俘获伽马射线及一非弹性伽马射线。本发明可应用于民事安全领域中，检测爆裂物、化学武器等等。
文档编号G01N23/222GK102246024SQ200980150280
公开日2011年11月16日 申请日期2009年12月14日 优先权日2008年12月15日
发明者贝尔纳·珀罗, 赛德瑞·加拉士高 申请人:原子能与替代能源委员会