用于借由中子探询检测核材料的方法以及有关检测系统

技术领域

本发明涉及用于通过中子探询检测核材料的方法。本发明还涉及使用本发 明的方法的用于检测核材料的系统。

背景技术

可通过传统的无源测量检测核材料，这假设在核材料和进行测量的检测器 之间不存在构成防护屏的抗由核材料发射的中子和伽玛辐射的屏蔽。如果中子 发射通过屏蔽被遮蔽，则有源中子探询系统必须被设想例如通过中子探询进行 检测。

通过中子探询进行的核材料检测是通过诱发核材料中的裂变反应来进行 的。每个裂变反应引起同时发射多个中子(通常4到5个中子)和伽玛辐射(通 常6到8个伽玛光子)。同时检测由裂变反应产生的中子和伽玛辐射。核材料通 过如下事实来与非核材料加以区别：该事实为，与非核材料的情况相比，更大 量的中子和伽玛光子被同时发射。此外，由相关联的粒子技术实现的时间鉴别 使由裂变粒子造成的同时性(coincidence)能够与由非核材料造成的同时性加以 区分。

已知技术的中子和伽玛光子检测设备由布置在要被检查物体的周围的检测 器组成。检测器被接近于彼此定位，以获取满意的检测效率。在检测期间出现 的不便现象是不协和(diaphony)现象。不协和发生在当在第一检测器中检测到 的中子或伽玛光子散射到邻近的检测器中而在邻近的检测器中其也被检测到 时。由于检测到两个信号，其不对应于两个单独粒子，而对应于单个粒子，所 以这引起错误的同时性。

用于解决不协和的问题的目前解决方案是：

-移动检测器进一步远离彼此，

-建立检测器之间的壁，或再次

-系统地拒绝两个邻近的检测器的同时性。

然而，这些方案有很多缺点。由于在有用的角覆盖方面的降低，所以进一 步远离彼此地移动检测器降低了检测效率，这极大地影响检测高阶同时性的概 率。建立检测器之间的壁也降低了有用的角覆盖，这是因为分离的壁不适用于 检测。此外，这些壁增加了检测系统的尺寸和重量。最后，系统地拒绝两个邻 近的检测器的同时性基本上损害了检测效率。

文献WO 2007/144589 A2公开了高能量辐射检测器和有关方法。检测器包 括检测器像素的矩阵和读取电路组件，其收集由检测器像素检测到的电荷。

文献FR 2945631 A1公开了使用相关联的粒子管通过中子探询来分析物体 的原理。

本发明的检测方法不具有以上提及的缺点。

发明内容

实际上，本发明涉及用于通过计数在物体的中子探询之后在持续时间ΔT内 发生在物体内的事件来检测物体中的核材料的方法，其中，该方法包括通过相 关联的粒子技术来检测同时发生的脉冲的多个步骤，并且其中，在从与相关联 的粒子的检测时刻相关联的时间参考中测量的持续时间δT内进行通过相关联 的粒子技术来检测同时发生的脉冲的步骤，其特征在于，针对每个同时发生的 脉冲检测，其包括：

-识别检测同时发生的脉冲的至少一个检测器像素矩阵的检测器像素，

-检查至少三个同时发生的脉冲已经由三个不同的检测器像素检测到，并且 如果是这样的话，

-在已经检测到同时发生的脉冲的像素中搜索邻近像素，

-如果邻近像素被识别，则以孤立像素和/或邻近像素组的形式对已经检测到 同时发生的脉冲的像素进行分类，

-计数已经检测到同时发生的脉冲的孤立像素和/或邻近像素组，

-如果在计数孤立像素和/或邻近像素组的步骤中计数至少三个孤立像素和/ 或邻近像素组，则确认在持续时间δT期间发生的事件，

并且针对所有发生的同时检测，其包括：

-计数在从时间参考计数的时间阈值之上发生的确认事件的数量，

-确定在时间阈值之上检测到的散粒噪声，

-根据散粒噪声来计算报警阈值，

-基于计数步骤中计数的确认事件的数量与报警阈值的比较来确定物体中的 核材料的存在或不存在的信号的步骤，并且

-计算反应与核材料的存在或不存在的信号相关联的置信速率的概率。

根据本发明的附加特征，在时间阈值之上检测到的散粒噪声从在时间阈值 之上发生的确认事件的数量中被减去，使得物体中的核材料的存在或不存在的 信号的确定由减去散粒噪声的、计数步骤中计数的确认事件的数量与报警阈值 的比较来产生。

根据本发明的另一附加特征，计数在从时间参考计数的时间阈值之上发生 的确认事件的步骤是形成柱状图的步骤。

根据本发明的又另一附加特征，持续时间ΔT是预先预定的，使得一旦完成 持续时间ΔT，就实现在时间阈值之上发生的确认事件的数量的计数、散粒噪声 的确定、报警阈值的计算和核材料的存在或不存在的信号的确定的步骤。

根据本发明的又另一附加特征，当连续的同时检测发生时，实现在时间阈 值之上发生的确认的事件数量的计数、散粒噪声的确定、报警阈值的计算和核 材料的存在或不存在的信号的确定的步骤。

本发明还涉及使用本发明的方法的检测系统。

本发明的检测方法的主要优点是能够覆盖最大检测立体角并且当激活邻近 检测器时不拒绝事件。因此与现有技术的方法相比，这使检测性能能够最大化。

附图说明

本发明的其它特征和优点将在阅读参照附图进行的优选实施例中显现，在 这些附图中：

图1表示能够实现本发明的方法的检测系统的第一个示例的概括图；

图2表示能够实现本发明的方法的检测系统的第二个示例的概括图；

图3表示用于确认由本发明的检测方法实现的事件的流程图；

图4作为一个示例示出了由实现本发明的方法的检测系统的检测器像素进 行的粒子检测；

图5表示本发明的检测方法的第一个变型的流程图；

图6表示在本发明的检测方法的背景中得到的柱状图的形成；

图7表示本发明的检测方法的第二个变型的流程图；

具体实施方式

图1表示能够实现本发明的方法的检测系统的第一个示例的概括图；

检测系统包括：

-相关联的粒子管TPA，其在要被检查的物体1的方向上发射快中子n，

-由两个检测器像素矩阵M1、M2组成的检测器结构，其能够检测由物体1 发射的中子n_F和伽玛光子γ，

-用于获得由检测器像素矩阵递送的信号的系统，其中检测器像素矩阵以自 身已知的方式包括分别与检测器像素矩阵M1、M2相关联的两个电子数据获取 单元A1、A2，以及

-计算机K，其处理由获取系统递送的信号。

在相关联的粒子管中，α粒子与快中子n的发射同时发射。此外，已知的 是α粒子的发射方向与快中子的发射方向相反。由此得出结论与快中子相关联 的α粒子的检测提供了发射快中子的时刻信息和发射快中子的方向信息。因此， 快中子由与其相关联的α粒子“标记”。在说明书的剩余部分中，由相关联的粒子 管发射的快中子因此还称为“标记”的快中子。

两个矩阵中的每个矩阵的检测器像素是邻近的。检测器像素优选为有机闪 烁检测器。每个检测器像素的尺寸形成为使得每个检测器像素能够自身单独地 有效地检测裂变中子和伽玛光子。像素矩阵M1、M2被彼此距离很小的并排放 置，并且具有朝向要被检查的物体1的检测器表面。检测器表面定义仅由分离 矩阵的窄空间中断的单一检测表面，该空间允许由管TPA发射的标记为n的探 询中子经过。

相关联的粒子管TPA和要被检查的物体1优选地被布置在由两个矩阵M1、 M2组成的检测器结构的任何一边。检测矩阵M1、M2的面积和厚度的最优化和 像素的尺寸的最优化都取决于物理参数(闪烁器中的中子和伽玛辐射的平均交 互长度、检测效率等等)和操作限制(例如可携带性(重量、体积)和系统的 成本(测量通道的数量))。

相关联的粒子管TPA在物体1的方向上发射一连串标记为n的探询中子。 在到达物体1之前，中子n的轨迹经过分离两个像素矩阵的空间。当标记的中 子到达物体1时，如果该物体包含核材料，则核裂变反应发生在该物体中。核 裂变反应产生由矩阵M1、M2检测的快中子n_F和伽玛射线γ。由快中子和伽玛 射线的检测产生的脉冲由电子数据获取单元A1、A2和计算机K处理。如先前 已经提及的，通过相关联的粒子技术，当发射快中子n时，管TPA检测α粒子。 α粒子的检测时刻从而使得参考时刻T₀能够被定义，根据所述参考时刻T₀对该 裂变中子和伽玛光子的检测时刻进行计数。该参考时刻T₀是应用于电子数据获 取单元A1、A2和计算机K的参数。

图2表示能够实现本发明的方法的检测系统的第二个示例的概括图。在图2 的示例中，检测系统仅包括单个矩阵M，该矩阵M与单个电子数据获取单元A 相关联。在矩阵M和获取电子单元A中制成孔O，以允许由TPA在物体1的方 向上发射的快中子n经过。矩阵M中制成的孔具有至少一个检测器像素的尺寸。 孔相对于由矩阵M呈现的检测器表面优选地处于中心。

图1和图2中表示的检测系统是本发明的优选实施例。然而，本发明涉及 其它实施例，例如如下系统：该系统包括单个全检测器矩阵(“全”矩阵应当理解 成表示没有孔的矩阵)，其相对于快中子n的传播轴线偏心(这此时对应于图1 中两个矩阵M1、M2中的一个不存在的情况)，或另如下系统：该系统包括至少 三个彼此分离的矩阵(这对应于图1中至少存在一个附加矩阵的情况，该附加 矩阵靠近矩阵M1、M2以扩大检测平面)。

图3表示用于确认由本发明的检测方法实现的事件的方法的流程图。

事件确认方法包括下面的连续步骤：

-步骤E1：通过相关联的粒子技术进行的α粒子检测，其中α粒子的检测导 致参考时间T₀的获取，其触发用于检测同时性的时间窗口δT的打开，

-步骤E2：计数与检测到的α粒子同时发生的脉冲，

-步骤E3：识别已经递送同时发生的脉冲的检测系统的像素，

-步骤E4：在于检验至少三个同时发生的脉冲是否来源于三个不同的检测器 像素，并且如果是，

-步骤E5：搜索已经递送了同时发生的脉冲的这些像素中的邻近像素，

-步骤E6：以在步骤E5中发现的孤立像素和/或邻近像素组的形式对已经检 测到同时发生的脉冲的像素进行分类，

-步骤E7：计数已经检测到同时发生的脉冲的孤立像素和/或邻近像素组， 以及

-步骤E8：一旦在步骤E7中计数至少三个孤立像素和/或邻近像素组，则确 认事件。

在本发明的上下文中，如果像素矩阵中的两个像素具有共同的给定的边或 给定的角，则它们被称为是“邻近的”。当本发明的系统包括并排布置的两个像素 矩阵时，第一个矩阵的像素的列面向另一个矩阵的像素的列。对于像素属于其 的像素矩阵而言，像素的列的每个像素根据以上提及的规则邻近于像素，并且 对于相对放置的像素矩阵而言，像素的列的每个像素邻近于在像素的面向列中 的任意像素。当本发明涉及具有孔的像素矩阵时，孔边缘上的每个像素根据以 上提及的规则邻近于矩阵像素，并且，此外，除了与其对齐的像素(该像素位 于邻近于该孔边缘上的每个像素的一个或多个像素之外)之外，还邻近于孔的 边缘上的所有其它的像素。同样地，在本发明的上下文中，如果在没有任何邻 近于像素的情况下检测到脉冲，则该像素称为是“孤立”。

优选地，当确认事件时，无论其是否包括来源于孤立像素和/或邻近像素组 的脉冲，与确认的事件相关联的从时刻T₀计数的时刻T₁都任意地被定义为当检 测到第一个脉冲时的时刻。

图4作为一个非限制性的示例示出了通过图1中表示的检测系统的检测器 像素来检测粒子。

所有检测到的粒子(中子和/或伽玛射线)是与α粒子同时发生的粒子。矩 阵M1、M2是例如8×8矩阵。然而，更一般地，本发明的上下文中使用的矩阵 是I×J矩阵，其中I和J为任何整数值。矩阵M1的像素是参考的X_ij(横行i 和列行j的像素)并且矩阵M2的像素是参考的Y_ij(横行i和列行j的像素)。

在矩阵M1中：

-给定的粒子首先在像素X₇₃中被检测，并且然后在像素X₇₄、X₆₄、X₆₃中被 检测，

-粒子在像素X₁₄中被检测，并且

-粒子在像素X₂₈中被检测。

在矩阵M2中：

-给定的粒子首先被像素Y₂₄检测，并且然后被像素Y₁₅和Y₁₄检测，

-粒子被像素X₆₆检测，

-粒子被像素X₆₇检测，并且

-在像素X₂₈中检测到的粒子还在像素Y₃₁中被检测。

在矩阵M1的情况中，认为粒子被像素X₁₄检测并且单个粒子被像素X₇₃、 X₇₄、X₆₄和X₆₃检测。在矩阵M2的情况中，认为单个粒子被像素Y₂₄、Y₁₅和 Y₁₄检测并且单个粒子被像素Y₆₆和Y₆₇检测。在同时考虑矩阵M1和M2的情况 下，认为单个粒子被像素X₂₈和Y₆₁检测。

图5表示本发明的检测方法的第一个变型的流程图。

针对预先确定的持续时间ΔT(例如等于10分钟)重复以上提及的步骤 E1-E8。随后计数在整个持续时间ΔT上超过时间阈值T_s发生的确认事件的数量 N_C(步骤E9)。时间阈值T_s定义为如下的时刻：低于该时刻，被认为已经出现 的大部分事件不是在核材料中发生的裂变反应。低于时刻T_s发生了的大部分事 件则被认为是归因于在围绕核材料的非裂变材料中发生的反应(例如，非弹性 散射反应(n，n’γ))。实际上，虽然核材料存在于所分析的物体中，但是事实上， 后者隐藏在良好外表的包装(包裹、行包、运输容器等)中，并且此外，其由 旨在形成抗中子和伽玛辐射的有效屏幕的特定材料(例如，聚乙烯、铁或铅) 来围绕。在这些材料的情况中，由于多个伽玛和中子射线在与标记的中子相互 作用之后可能同时发射，所以在接近于时刻T₀的时刻处检测到的撞击的数量通 常很高，并且，虽然在时刻T_s之前可能检测到真正地由于裂变反应造成的事件， 但是如果把这些事件考虑进入，错误报警的风险将会更高。取决于被检查的物 体的尺寸以及检测器像素和被检查的物体之间的距离，因而定义了时间阈值T_s， 其从时间T₀计算，而不考虑低于时间T₀的事件。

在重复步骤E1-E8同时，进行存在于获取窗口δT之外的随机噪声b的测量 (步骤E10)。例如在先于时刻T₀的时间间隔(“负”时间)上以本身已知的方式 进行随机噪声b的这些测量。根据噪声b的测量，然后确定在整个持续时间ΔT 上在连续时刻T_s之外存在的噪声B(步骤E11)。

在步骤E9和E11的最后，即，在持续时间ΔT结束时，步骤E12从步骤E9 中计数的Nc事件减去噪声B。步骤E12产生确认的事件的数量N。

在计算确认的事件的数量N的步骤E12同时，计算报警阈值S_al的步骤E13 发生。根据噪声B的值将报警阈值S_al计算为例如等于两倍的噪声B的标准偏差。 然后将确认的事件的数量N与报警阈值S_al进行比较。

通过比较N和S_al，得到指示核材料存在(如果S_al≤N)或不存在(如果S_al＞N)的信号S_m。信号S_m伴随有概率P，该概率P表达了必须认为核材料存在 或不存在的置信水平，即当宣布核材料存在时错误报警的风险和当宣布核材料 不存在时不检测的风险。以本身已知的方式从N和噪声B来计算概率P。

图6表示本发明的检测方法的第二个变型的流程图。

根据本发明的检测方法的第二个变型，未预先确定持续时间ΔT，并且当在 连续获取窗口中发生的检测被进行时，进行在连续时刻T_s之外发生的所计数的 确认事件的数量与报警阈值的比较。在该情况中，当进行连续检测时随时间而 实现的步骤E17、E15、E16、E18、E19和E20分别对应于在整个预先确定持续 时间ΔT上实现的本发明方法的第一变型的步骤E9、E10、E11、E12、E13和 E14。

步骤E18实时地导致正获得的计数的无噪声事件的数量N(t)，该事件可以 对应于核材料中发生的裂变反应。在步骤E19中从噪声B(t)计算报警阈值S_al(t)。 然后在步骤E20中将数值N(t)与报警阈值S_al(t)进行比较。E20导致反应了核材 料的存在或不存在的信号S_m(t)和反应了必须考虑的信号S_m(t)的置信水平的概率 P(t)。当数值N(t)保持小于S_al(t)时，信号S_m(t)指示在物体中不存在核材料并且进 行新的确认的步骤。数值N(t)一达到报警阈值S_al(t)，信号S_m(t)就用信号通知核 材料存在，并且概率P(t)给出与该信息相关联的置信率。随后计数被中断。根据 操作者的决策，计数也可以是连续的，以评估与关于核材料存在的信息相关联 的置信率的变化。相反地，当信号S_m(t)指示不存在核材料并且与关于核材料不 存在的信息相关联的置信率高于相当长的持续时间时，建议操作者其中断计数。

根据上述本发明方法的第一个和第二个变型，关于核材料存在或不存在的 信号的确定由在时间阈值T_s之上发生的确认事件的数量与报警阈值的比较来产 生，其中，确认事件的数量和报警阈值各自减少了散粒噪声B。在本发明的另一 个实施例中，在这些值没有减少散粒噪声的情况下，关于核材料存在或不存在 的信号的确定由在时间阈值T_s之上发生的确认的事件的数量与散粒噪声的比较 来产生。事件的数量N_C和报警阈值的比较也导致获得指示被检查的物体中的核 材料的存在或不存在的信号。还计算必须考虑所获得的信号的概率。

图7作为一个示例表示根据本发明的优选实施例获得的柱状图。

在这种情况下，对确认事件进行计数的步骤是在持续时间ΔT期间发生的所 有确认事件的柱状图的形成的步骤。如先前所提及的，由从时刻T₀计数的时刻 T₁来在柱状图中定位每个事件。对只位于时刻T_s之外的事件中的确认事件进行 计数。获取窗口的持续时间δt例如等于76ns并且时间T_s例如等于20ns。在图7 中可以清晰地看到阈值T_s之下的大数量的撞击的检测。图7的柱状图包括噪声 事件(噪声等级Sb)，其在间隔ΔT上的积累是上面提及的噪声B的测量。