μ子检测器阵列站的制作方法
【专利说明】μ子检测器阵列站
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本专利文件要求2013年4月29日提交的名称为“ μ子检测器阵列站”的美国临时专利申请No. 61/817，264的优先权益。所述专利申请的全部内容通过引用合并作为本专利文件公开内容的一部分。
技术领域
[0003]本专利文件涉及一种使用基于μ子（muon)断层摄影术成像和传感的系统、设备和方法。
【背景技术】
[0004]μ子是一种带电颗粒，其具有类似于电子的自旋和单位负电荷，但是具有比电子大高于两百倍的质量。μ子可以通过宇宙射线撞击大气而产生，且这样由宇宙射线产生的μ子穿透到地球表面。
【发明内容】
[0005]μ子断层摄影检测技术、系统和设备被描述用于在不同位置（例如道路检测点、仓库、飞机库、港口和其他检测点）处基于天然发生和存在的宇宙射线产生的在地球表面上的μ子来检测和识别目标材料而实施材料检测站。
[0006]在一方面，一种用于μ子断层摄影检测的系统，包括：第一壳体结构，包括μ子检测传感器的第一阵列，第一壳体结构沿与检测区域相邻的第一侧定位，所述检测区域具有容纳目标物体或交通工具的空间，其中第一阵列的μ子检测传感器测量穿过到检测区域的μ子的位置和方向；第二壳体结构，包括μ子检测传感器的第二阵列，第二壳体结构沿与检测区域相邻且与第一侧相对的第二侧定位，且在相对第一壳体结构的固定高度处，其中第二阵列的μ子检测传感器测量从检测区域行进穿过第二阵列的μ子的位置和方向；支撑结构，以定位第一壳体结构在固定高度处；以及处理单元，从μ子检测传感器的第一和第二阵列接收测得的位置和方向，且分析由在检测区域中μ子在目标物体的材料中的散射导致的μ子的散射行为，以获得在检测区域中的散射中心的断层摄影图像或空间分布。在一些实施方式中，其它示例性检测器配置可以被使用，包括但不限于，在目标物体的两侧具有一对检测器阵列，例如在物体的上方和下方和/或在目标物体的多个相对侧，例如除了在物体的上方和下方，还具有侧面对。
[0007]这些或其它特征在附图、说明书和权利要求中被更详细地描述。
【附图说明】
[0008]图IA显示了用于机动车的示例性μ子断层摄影术材料检测站的示意图。
[0009]图IB显示了示例性μ子断层摄影术材料检测站的下部检测单元的示意图。
[0010]图2显示了用于飞行器的示例性μ子断层摄影术材料检测站的示意图。
[0011]图3A显示了用于仓库或存储设施的示例性μ子断层摄影术材料检测站的示意图。
[0012]图3Β显示了用于仓库或存储设施的另一示例性μ子断层摄影术材料检测站的示意图。
[0013]图3C显示了用于仓库或存储设施的另一示例性μ子断层摄影术材料检测站的示意图。
[0014]在各附图中相同的参考标号和标记表示相同的元件。
【具体实施方式】
[0015]宇宙射线断层摄影术是一种技术，其使用高渗透性宇宙射线产生的μ子的多重库伦散射执行材料的无损检测，而不使用人工辐射。地球被来自深空的高能稳定颗粒(大部分为质子)连续撞击。这些颗粒与上层大气中的原子相互作用，以产生包括大量短寿命的子(p1n)的颗粒雨，其中子衰减产生寿命较长的μ子。μ子与物质主要通过库仑力相互作用，没有核相互作用且辐射远小于电子。这样的宇宙射线产生的颗粒通过电磁相互作用而缓慢地损失能量。因此，很多宇宙射线产生的μ子作为高渗透性带电辐射抵达地球表面。在海平面处的μ子流量为约Iμ子每平方厘米每分钟。
[0016]当μ子运动穿过材料时，亚原子颗粒的电荷的库伦散射扰乱其轨迹。总偏转取决于几个材料特性，但是显性效应为原子核的原子序数Z和材料的密度。与形成更普通物体的材料(譬如水、塑料、铝和钢)相比，μ子的轨迹被形成良好伽马射线屏蔽的材料(譬如铅和钨)和特种核材料(SNM)(譬如铀和钚)更强地影响，每个μ子承载关于它已经穿透的物体的信息。多个μ子的散射可以被测量和处理以感测这些物体的特性。当材料被定位在低Z和中等Z物质的内部时，具有高原子序数Z和高密度的材料可以被检测和识别。
[0017]来自物质中的原子核的库伦散射导致在带电颗粒穿过物质时，它们的非常大量的小角度偏转。校准的分布函数可以被用于大体描述轨迹的移位和角度改变，其取决于材料的密度和原子电荷(atomic charge)。作为实例，该分布函数可以大体为高斯分布。分布函数的宽度正比于颗粒的动量的倒数和以辐射长度测量的材料的实际密度的平方根。宇宙射线产生的μ子的该校准的分布函数可以提供μ子路径中材料上的信息，而没有高于地球背景的辐射剂量，且这样的宇宙射线产生的μ子的适当检测可以以这样的方式被实施，其对被选择的要被检测的材料(譬如良好辐射屏蔽材料)特别敏感。
[0018]μ子断层摄影系统可以被配置为在基于μ子被目标物体的散射的检测下执行目标物体的断层摄影。例如，μ子断层摄影系统可以被用于检测某种目标物体，例如诸如可以被用户威胁公众的材料，包括走私核材料。μ子断层摄影系统可以被用于与其它核材料检测器(譬如伽马或X射线检测器)结合使用，或替代它们使用。伽马和X射线检测器通过引导伽马和X射线到目标且测量穿透的伽马和X射线辐射来操作。核材料的屏蔽可以降低伽马和X射线检测器的计数率，且降低伽马和X射线的检测性能。μ子断层摄影系统可以被配置为检测被屏蔽的核材料和物体。
[0019]公开了一种材料检测站，以使用在各种场所(譬如道路检测点、仓库、机场悬挂机、海港和其它检测点)实施的μ子断层摄影检测技术、系统和设备来检测和识别在包装、货柜、交通工具等中的材料。例如，公开的材料检测站可以被用于检测目标交通工具，包括机动车、飞行器和船只，以确定目标材料的存在与否。
[0020]在一些实施方式中，材料检测站可在上部和下部检测结构中包括μ子检测传感器的阵列，其配置为特别对齐以检测目标材料，例如目标材料包括核威胁物体。例如，这样的核威胁物体的范围可以从完全组装的核武器到小量的高度屏蔽核材料。所述的材料检测站使得能够使用在壳体结构中的单个检测器系统检测屏蔽和未屏蔽的核材料，以提供检测核或其他目标设备和材料的成本有效的方式。
[0021]图1Α显示了用于机动车的μ子断层摄影术材料检测站100的示例性实施例的示意图。材料检测站100被构造为包括上部μ子断层摄影检测单元110(其包括μ子检测器150的阵列)和下部μ子断层摄影检测单元120 (其包括μ子检测器150的另一阵列)。上部检测单元110被布置在下部检测单元120上方且相对于下部检测单元120在固定位置中，其中在上部和下部检测单元110和120的相对布置之间的区域形成检测区域。在图1Α中的实例中，上部检测单元110被接合到检测站100的上部覆盖结构或集成为上部覆盖结构的一部分。检测区域被配置为尺寸设置为容纳非商用和商用机动车(包括卡车和半挂拖车组合)的空间，其具有高至且包括下列最大总尺寸和重量限制。例如，检测区域可以配置为尺寸设置为允许牵引具有多个尺寸(例如包括但不限于诸如20英尺、40英尺、45英尺、48英尺和53英尺长和8英尺宽的标准尺寸)的货柜的半卡车的空间。
[0022]站100包括多个支撑结构105，以将上部检测单元110定位和结构支撑在下部检测单元120上方。例如，支撑结构105的尺寸可以被配置为具有特定高度，以在上部和下部检测单元110和120之间提供充分距离，以有助于各种类型的目标交通工具或其它目标物体适应在检测区域内。在一些实施例中，支撑结构105可以配置为支柱或粧，类似于图1Α中所示的那些。在其它实施例中，支撑结构105可以被配置为具有壁或为壁。在其它实施例中，支撑结构105可以配置为从在下部检测单元120上方固定位置中的上部检测单元110悬垂。
[0023]站100包括一个或多个轨107，以定位目标交通工具和/或目标物体在检测区域中。一个或多个轨107可以定位在检测区域内的底平面上，以使得目标交通工具在检测区域中符合与上部和下部检测单元110和120的特别对齐。例如，在一些实施例中，一个或多个轨107可以配置为沿着站100的地板的标记(例如油漆线)。
[0024]在一些实施例中，下部检测单元120可以安装在与地面对齐的平面下方的水平处(例如在引入到检测区域并继续穿过并离开的道路的下方)，使得目标交通工具可以直接行驶到检测区域中下部检测单元120的上方，而不需要知道这一点。例如，下部检测单元120可以配置为相对于要被检测的交通工具和目标物体的操作者隐藏。类似地，例如上部检测单元也可以从视觉上隐藏，例如在建筑结构或其他组件内。
[0025]图1Β显示了在示例性μ子断层摄影材料检测站100中配置在与地面对齐的平面下方的下部检测单元120的示意图。在一些实施方式中，下部检测单元120