专利名称：探测放射性材料的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及一种用于探测放射性材料的方法和装置，更具体地涉及一种用于探测放射性材料在从一个地方运输到另一个地方期间，在轮船或集装箱内的存在性的方法和装置。
背景技术：
人们越来越担心恐怖分子或其他人可能在不久将来的某个时候试图将放射性或核材料输入美国或其他国家，这些放射性或核材料可能随后被用于制造用于执行恐怖主义目的的核武器。一种运输该放射性或核材料的方法是将该材料隐藏在貌似无害的货物之间或之内。例如，该核材料可以放置在海路、铁路、航空或卡车运输货物通常采用的标准的密封的货物集装箱中。核材料可以和其他无害货物一起放置在此类密封的货物集装箱中，其中该集装箱被放置在例如一艘大型集装箱轮船中，而该轮船可以从一地至另一地运输一千个或更多此类集装箱。通常情况下，现有的货物检查系统在该集装箱轮船的卸货港(port of debarkation)或进口港(port of entry)采用。因为通常一艘大型集装箱轮船运输的集装箱数目非常大，用现有的检查仪器和人员来彻底检查每一集装箱中任何类型的包括放射性或核材料的违禁品的存在性很困难，如果不是不可能的话。为了有助于对每一集装箱进行更彻底或更细致的检查，而在进口港增加检查装置和人员是不现实的，原因是在检查每一此类集装箱中所耗费的时间和在运输集装箱过程中不可接受的延误，以及集装箱轮船的装载和卸载中的潜在的巨大支持装置(back ups)。
本发明通过提供一种在集装箱被从一地运送到另一地的同时，探测密封集装箱中的放射性或核材料的方法和装置，克服了现有的集装箱检查系统的相关问题。这样，可以在运送过程中鉴别潜在的威胁，从而实现了在该放射性或核材料进入一国的疆域之前对其采取适当的行动。
发明内容
简而言之，本发明包括一种放射性材料探测系统，该系统包括多个放射性材料探测装置和一个指令中心。每一装置都被设置在一个货物容器之中或之上。每一装置包括一个能依据一个信号而无线地发射信息的无线发射器、一个具有传感器输出的辐射传感器、一个设定为接受来自辐射传感器的传感器输出并将信号发送至无线发射器发射的探测控制器，以及一个与控制器和无线发射器中的一个电耦合的识别标签。辐射传感器被配置为在预定或指定的时间段内探测辐射，并且识别标签被配置为给无线发射器发射的信息提供识别数据或位置数据。指令中心被设定为直接或间接地从多个放射性材料探测装置的每一个无线发射器接收无线发射的信息。该系统被配置为通过源于多个放射性材料探测装置检测到的信息建立一个背景辐射空间，以识别多个放射性材料探测装置间的异常物的方法，被设定为探测发出辐射的裂变或核材料。系统具有可调节的灵敏度。
另一方面，本发明包括一种放射性材料探测装置，该装置包括多个放射性材料探测装置和一个指令中心。每一装置都被布置在一个货物容器之中或之上。每一装置包括一个能依据一个信号无线发射信息的无线发射器、一个具有传感器输出的辐射传感器、一个设定为接受来自辐射传感器的传感器输出并将信号发送至无线发射器发射的探测控制器，以及一个与控制器和发射器中的其中一个电耦合的识别标签。辐射传感器被设定为在预定或指定的时间段内探测辐射，识别标签被设定为给无线发射器发射的信息提供识别数据或位置数据。指令中心被设定为直接或间接地接收来自多个放射性材料探测装置的无线发射器无线发射的信息。该系统配置为通过源于多个放射性材料探测装置检测到的信息建立一个背景辐射空间的方式探测发出辐射的裂变或核材料，以在多个放射性材料探测装置中识别异常物。该放射性材料探测系统可以在系统在一个货物容器中探测到核异常的情况下，从一个被动探测系统重新配置到一个至少部分主动的探测系统。
本发明还包括一种用放射性材料探测系统在多个货物容器中探测放射性材料的方法。该放射性材料探测系统包括一个指令中心和多个放射性材料探测装置。每一装置具有一个发射器，一个探测控制器和一个设定为在预定或指定的时间段内探测辐射的辐射传感器。系统具有可调节的灵敏度。该方法包括在每一放射性材料探测装置探测辐射；在指令中心在预定或指定的时间段内接收来自每一放射性材料探测装置探测到的信息；以及调节背景或宇宙辐射，以助于识别可能预示着核放射性材料存在的异常或不常见的数据。
下述的对本发明的优选实施方案的具体描述将结合附图的阅读而得到更好的理解。为了说明本发明，附图中显示了目前优选的实施方案。然而应该理解，本发明不限于所示的准确的安排和手段。
附图中图1是放射性材料探测系统的原理框图，该系统具有多个放射性材料探测装置，该装置被放置在三维矩阵中的多个待检测物体上；图2是依据本发明的一个优选实施方案的放射性材料探测装置的示意性原理框图；图3是依据本发明的一个优选实施方案的主单元/主模块或接收器站的示意性原理框图；以及图4是用于监测放射性材料探测系统和其他信息的指令中心的示意性原理框图。
具体实施例方式
参见附图，其中相同的附图标记在附图中表示相同的元件，图1-图3中显示了依据本发明的放射性材料探测系统10的图示。所述放射性材料探测系统10(图1)包括多个放射性材料探测装置20(图2)和一个主单元/主模块40(图3)。每一放射性材料探测装置20包括一个发射器26，一个辐射探测器或传感器24，一个探测控制器30和一个识别标签或ID识别物28。每一发射器26都能依据一个信号发射信息。优选地，发射器26用无线电频率、红外线、光波、微波、电压、电流以及类似的形式发射信息。每一辐射传感器24具有一传感器输出并被配置为在预定时间段中探测辐射。优选地，辐射传感器24被配置为根据探测到的辐射量成比例地变化传感器输出。探测到的辐射量可以是强度值或在预定时间段中探测到的累计值。每一探测控制器30都被配置为从其相关的辐射传感器24接受输出并将其各自的输出信号发送至其各自的发射器26以用于发射。每一识别标签28都与控制器30和发射器26中的至少一个电耦合，并被配置为对发射器26发射的信息提供识别数据和/或位置数据。所述识别数据可包括待检测物体12的唯一识别符，还可包括关于待测物体12的内容、所有权、来源地和/或目的地的信息。优选地，辐射传感器24根据探测到的辐射量成比例地改变传感器输出。
主单元/主模块40包括一个接收器42，一个例如主控制单元40的发射器48的指示输出，以及一个主控制器或信号处理系统46。接收器42被配置为接收从放射性材料探测装置20的每一发射器26发射的信息。主控制器46被耦合至接收器42并且被配置为基于接收到的信息的状态驱动一个指示输出或发射器48。指示输出48可以连接至一远程或本地指示灯、报警器控制面板、显示装置、声音产生装置(即喇叭或蜂鸣器)，以及类似的装置。指示输出48还可以为连接至诸如移动电话系统、电话系统、有线计算机网络、卫星系统、无线电系统以及类似的系统的远程通讯系统(例如参见图4)的一个发射器。
优选地，如图1所示，多个放射性材料探测装置20的多个子集被设置在多个待测物体12上，多个待测物体12被以下述方式布设，即布设在相邻待测物体12上的多个放射性材料探测装置20的子集能探测与其最接近的其他相邻的待测物体12的至少一部分。例如，多个放射性材料探测装置20的第一子集可被布置在第一待测物体12上，多个放射性材料探测装置20的第二子集可被布置在第二待测物体12上。第一和第二待测物体12以多个放射性材料探测装置20的第一子集能够探测第二待测物体12的至少一部分并且反之亦然的方式布置。优选地，多个放射性材料探测装置20的至少三个被布置在每一待测物体12上，且以最小化从待测物体12内的任一点至所述三个放射性材料探测装置20中的一个的距离的方式设置在待测物体12上。预计多个放射性材料探测系统10可通过一个用于监测多个楼层、区域、建筑物、货舱以及类似场所的监督监测站(supervisory monitoring)或控制站相互连接。
在一个可能的实施方式中，图1可为本领域普通技术人员熟知类型的一艘典型的集装箱轮船100中的货舱的图示。如图1所示，集装箱轮船100被用于在其货舱中，在某些情况下在其甲板上，容纳多个通常的预定大小约10英尺×10英尺×40英尺的箱形集装箱或其他待测物体12。集装箱12在装到集装箱轮船100之前被预先装载有待从一地向另一地运输的货物。通常，预装有货物的集装箱12在放到集装箱轮船100之前被密封。集装箱轮船100的货舱的大小被调整为能以并排、首尾相连的关系容纳多个此类集装箱12，其他的集装箱12逐个向上堆叠，从而有效地形成一个三维集装箱矩阵14，以便充分利用集装箱轮船100的可用空间，获得最大的运输效率。为了对叠放的集装箱12提供足够的支持，以及充分地保护每一集装箱12中运输的货物免受在集装箱12的运输以及装载/卸载过程中可能产生的损伤，集装箱12通常由钢或其他刚性、高强度材料制成。一艘典型的大型集装箱轮船100可以容纳一千个或更多的从一地运输至另一地的集装箱12。如上所述，由于每一集装箱轮船100上的集装箱12的尺寸和集装箱12的数目缘故，在集装箱12为进一步运输被从集装箱轮船100上卸载下来的时候，充分地检查每个和全部的集装箱中的包括放射性材料的违禁品是非常困难的，如果不是不可能的话。
本发明提供了一种在集装箱轮船100(或其他运输形式)在从一地至另一地运输集装箱12，诸如从起点港S至目的港D和/或多个中间港口时，集装箱轮船100上的该集装箱12内部放射性或核材料存在性的方法和系统。通常，一艘已装载的集装箱轮船100在第一地离开港口的时间直到该集装箱轮船100进入第二地的港口的时间的集装箱轮船100的海洋运输时间至少为几天，并可能多达十天或更多天。对于西欧和美国之间的船运来说，至一个美国东海岸港口的通常运输时间在九至十一天的范围内。本发明利用了相对较长的运输时间，以促进有序的、彻底的探测集装箱12中放射性或核材料的存在性，而不在集装箱轮船100的离开或到达港产生任何不可接受的延误或港口积压。这样，可在轮船100还在海上航行的时候，即远未抵达或进入港口之时采取适当的措施。此外，由于当轮船100还在海上时就能探测核或放射性材料的存在性，所述轮船100可在目的港D之外被控制住，以防止该材料进入一个国家或将其转向一个安全的港口做进一步探测。
图2是依据本发明的一个优选实施方案的传感器装置20的原理框图。传感器装置20被包含在壳体22中，该壳体优选为密封的且由诸如聚合物材料的通常的刚性的高强度材料制成。优选地，传感器壳体22能防止篡改(tamper resistant)且包括一个用于通过一快速、视觉地或其他检测判断壳体22是否已被打开或已被篡改的机构，和或一个探测篡改的内部电子装置。壳体22被配置成固定在集装箱12的内部或外部的预定位置。可采用本领域普通技术人员熟知的各种技术和方法将壳体22固定在集装箱12上，包括使用一种或多种诸如螺钉、螺栓、夹子等机械扣件，使用粘合剂或环氧粘合剂、吸盘、磁附着装置或任何合适的附着装置或技术。优选地，壳体22被配置为暂时固定到集装箱12的内部或外部表面上。这样，放射性材料探测装置20可为可携带的装置。然而，壳体22永久性固定到集装箱12上的情况也在本发明的范围和精神之内。优选地，在壳体22固定于集装箱12之上的位置是，壳体22不会影响集装箱12的装载或卸载，或在三维矩阵14中堆叠集装箱12。优选地，壳体22与集装箱12或其他待测物体相比相对较小。
再次参考图2，壳体22包含在集装箱轮船10从一港口移动至另一港口期间被动探测放射性材料存在性所必需的元件。在本实施方案中，壳体22包括一个伽马辐射探测灵敏元件或传感器24、一个发射器26、一个识别元件或ID识别物28、一个控制器30，一个位置元件或识别物32以及一个用于给所需的其他元件提供工作电源的电源34。优选地，该伽马辐射传感器元件24是一个能测知可能存在于传感器装置20固定的集装箱12的内部或附近的放射性材料发出的伽马射线存在性的自容(self-contained)的被动装置。该伽马辐射探测元件24优选为本领域普通技术人员通常熟知的类型且可从多种途径获得。所述伽马辐射探测元件24提供了与探测到的伽马辐射成比例的电输出信号。从伽马辐射探测元件24的输出被用作发射器26的输入。辐射传感器24的输出也可在传送至发射器26之前在一预定或指令的时间间隔内进行累积。适用的信号处理元件(signal conditioning components)(未显示)可置于伽马辐射探测元件24和发射器26之间。
伽马辐射探测元件24的目的在于最大化灵敏度，并从而最大化对违禁的放射性或核材料的(核燃料)的探测能力。然而，敏感的伽马射线探测器也可对于某些商业上可接受的材料中通常作为痕量元素出现的特定的放射性同位素敏感。出现在钾肥中的钾40以及粘土(clay)中的痕量放射性的衰变产物是可能被伽马辐射探测元件24探测到的商业上可接受的材料的实例。同样可合法地在货物集装箱中航运的用于医学或工业应用的人造放射性材料也可被探测到。因而，通过本系统的伽马辐射探测元件24探测可能会产生对貌似的秘密核燃料的错误探测。
一种最小化此类假阳性探测发生的方法是在使用伽马辐射探测元件24的同时，使用一个单独的对中子敏感的探测器。绝大部分的天然产生的放射性元素和绝大部分的人造放射性同位素都不发射中子，而核燃料却发射中子。这样在使用伽马辐射探测元件24检测的同时使用中子检测元件允许在核燃料和其他放射源之间区别开来。
鉴别伽马辐射探测元件24的潜在假阳性探测结果的另一种方法同样是通过探测伽马射线光谱特性。每一种放射性同位素都发出具有可鉴别特性的能谱的伽马射线。通过探测伽马射线谱，可以容易地鉴别特定来源的材料。探测可以表现为连续光谱(spectrum continuum)或更简单地在适当选择的不连续能量接收器(energy bins)中。在特定的能量窗(energy windows)中记录辐射的探测器和相关的电子仪器是商业上可得到的。例如，能量峰为1.466MEV的钾40可简便地与其他同位素，尤其与具有不同的能量峰的核燃料区分。其他天然产生和人造的同位素可以用相同的方法区分。辐射源和探测器之间的重屏蔽(heavyshielding)(例如，“高Z材料”)的存在会潜在地劣化(degrade)和拖尾(smear)特征谱线，因而降低光谱鉴别的有效性。然而，商业上可接受的，可合法航运的天然产生的材料，诸如钾，有可能在货物集装箱中被统一分送而不被故意屏蔽。因此，一些辐射还是能无遮挡地达到探测器，因而提供了一种探测相关的能谱和识别标记的方法。人造辐射源也具有特征辐射标记且在观念上将在装运舱单上声明，以协助假阳性探测的发生。
尽管部分地由于较长的探测时间和高灵敏度的探测器结构，本发明相关的所采用的探测元件24非常灵敏，但是集装箱12的全部或部分内部的故意的厚重的屏蔽还是一个潜在的问题。要使此类屏蔽最为有效，它必须同时含有伽马和中子衰减部件。伽马衰减材料必须非常致密且具有高原子数，诸如铅或类似的致密材料。另一方面，中子衰减材料必须是低原子重量但具有大的体积。就集装箱重量和体积的两者的限制而言，这种伽马辐射和中子之间的冲突的屏蔽要求是不现实的。为满足重量限制，伽马辐射需要的高密度屏蔽必须恰好集中在核燃料的周围。这在集装箱12中导致不均衡的高重量与转动惯量比。因此，可以通过测量集装箱12的重量与转动惯量比探测集装箱12中的厚重屏蔽。任何具有异常高的重量转动惯量比的集装箱12都有可能具有故意的屏蔽而可被鉴定并用于进一步分析。这样，当测得的转动惯量偏离预定偏移量时，探测控制器30或主单元/主模块46可确定在某一特定的待测物体12中有重屏蔽的使用。为了排除厚重屏蔽引起的伽马辐射探测元件24的灵敏度的降低，本发明包括用于在将集装箱12装载到集装箱轮船100之前，在装船港口测量每一货物集装箱12的质量和转动惯量的至少一个但优选三个力矩的装置(未显示)。这样，对临界质量/转动惯量集中的测量可认为是一种假阳性条件的可能的探测。
或者，可以对航运的每一集装箱12进行旋转惯量测试。旋转惯量测试包括简单的提起集装箱12的一个或多个边缘并测量对一给定的提升力的运动和/或加速度。该测试可沿一个或多个轴进行。任何屏蔽材料的密度都可以用一个简单的算法以及测量数据和集装箱12的总重量确定。计算提供了一个代表集装箱12的总重量的集中度的指标-集中的重量可能是高密度屏蔽(即“高Z材料”或类似物质)。这样，当测得的转动惯量偏离预定的偏移量时，探测控制器30或主单元/主模块46可确定在某一特定的待测物体12中使用了重型屏蔽。这项技术可用于测试用于源自轮船的集装箱，卡车，汽车，航空货物集装箱，以及几乎任何其他内含的材料的细节可能被遮掩而不能观察或不能得到的航运环境或非航运环境的探测系统的假阴性。
可以采用中子探测器或其它适用的传感器替代或加上伽马辐射探测元件24。如果中子探测器和伽马辐射探测元件24联合使用，两种类型的辐射都可测量，其测量的信息可以在单独的通道上提供或在复合在单一渠道中提供。此外，伽马辐射探测元件24、中子探测器和/或其他传感器具有自我诊断机制，以周期性地确认正常功能并提供一种针对任何潜在的篡改和/或破坏的指示。缺乏来自伽马辐射探测元件24，中子探测器或其他传感器的适当的输出信号意味着相关的集装箱12是可疑的。
发射器26被配置为接受来自伽马和/或中子辐射探测元件24的输出信号，并将该信号以本领域普通技术人员熟知的方式发射。优选地，发射器26为无线电频率类型。然而，本领域普通技术人员将理解发射器26可以是诸如红外线或声学发射器的其它类型。或者，发射器26可为用于和卫星传输相关的类型和/或蜂窝式便携电话所使用的类型。或者，发射器26可使用展布频谱或其它有效的商业通讯方法，以便于协助向和/或来自排列成阵列、矩阵、基群或类似组织中的的多个发射器26的传输。发射器26还可以是一个具有发送和接收信号能力的收发器的一部分。任何接收的信号都将被送至控制器30，以便用于执行接受到的命令。所采用的发射器26的具体类型不应被认为是对本发明的限制。优选地，发射器26包括一内建的天线或者其他发射元件。也可以使用一个单独的天线(未显示)。
为了传输识别信息，识别元件或ID识别物28也可与发射器26相连。优选地，可以利用识别元件28和发射器26的组合唯一地标记每一传感器装置20。识别元件28可以使用包括使用特定的发射器频率，使用数字识别技术或类似的技术在内的各种技术中的任何一种。因此，识别元件28使用的特定方法和技术不应视为对本发明的限制。
为允许识别传感器20的物理位置，也可包括一个位置元件或位置识别物32。同样，可采用任何本领域技术人员熟知的标准技术和装置来实现位置元件32的功能。来自位置元件32的位置信息也通过发射器26发射。也可以通过本领域技术人员知道的条形编码或其他方法将位置信息输入接受站(图3)。
采用控制器30是为了控制伽马辐射探测元件24、发射器26、识别元件28和位置元件32的运转。控制器30可以是一个微处理器，ASIC，或任何适用的、已知控制装置，该控制装置已经用软件或固件编程以用于向传感器装置20内的其它元件提供必要的控制信号。例如，在一个实施方案中，控制器30可控制发射器26发送识别信息和/或从伽马辐射探测元件24接收信息的时间选择。此外，控制器30可控制其他元件的操作以最小化电池寿命。其他控制方案或方法对本领域普通技术人员将是现而易见的。
电源34优选为含有足够电能的自容的电池，它至少在集装箱轮船10的航运时间内能对传感器装置20内的其他元件供电。优选地，该电池是可充电式的。然而，也可选用非可充电的电池。电源34还包括电池的必要保护电路，包括电压调节器，短路保护等，以及用于给电池充电的必要电路。尽管在目前优选的实施方案中，采用了电池作为主电源，本领域普通技术人员将理解也可采用诸如太阳能电池或类似的其他电源。本领域普通技术人员同样会理解，可周期性地对传感器装置20提供外置电源以允许由伽马辐射探测元件24获得的数据的某种“爆发性”发送。因而，本领域普通技术人员会理解任何适用的电源都可选用。
如上所述，容纳传感器装置20的各种部件的壳体22被配置为固定到集装箱12上。图1示出了一个集装箱，其中三个单独的传感器装置20被固定在集装箱12的不同侧面上的三个间隔的位置上。特别地，第一传感器装置20被固定在集装箱的第一侧面面板上距第一末端大约三分之一距离的位置上，第二传感器装置被固定在集装箱12的末端面板上，而第三传感器装置20被固定在集装箱12的顶部面板上距集装箱12的第二末端大约三分之一距离的位置。或者，第一和第三传感器装置20可固定在集装箱的同一侧面上。通过用这种方法固定三个传感器装置20，可获得对集装箱12内部和其周边附近的完全覆盖。本领域技术人员将理解对一个集装箱12，可以使用更少或更多数目的传感器装置20，例如，每个集装箱12一个。此外，单个传感器装置20也可用于探测两个或更多个集装箱中核材料的存在性。
正如上文讨论的，本发明的主要构思涉及利用更长探测时间并防止任何核或放射性材料进入一个国家或港口而在运输中探测放射性或核材料在集装箱12内的存在性。为实现这样的结果，提供了一个接收器站40。接收器站优选位于集装箱轮船10上面。然而，本领域普通技术人员将理解，如果需要的话，接收器站40可位于诸如一个陆基点的其他位置。所有需要的仅是接收器站40具有从在每一集装箱轮船10内的每一传感器装置20的发射器26直接或诸如通过卫星连接或类似的非直接地接收信号的能力。
如图3最好地显示的那样，接收器站40包括接收器42，解码器44和信息处理系统46。接收器40优选为和发射器26同一类型，以便于接收器40能接收每一传感器装置20的发射器26发射的信号。优选地，接收器42包括一个内置的天线，或者可提供单独的天线(未显示)。接收器42为每一传感器装置20接收并解调从发射器26接收到的信号。然而，也可使用特殊用途的处理器。然后该解调信号被发送至同样为本领域普通技术人员知晓的类型的解码器44。解码器44有效地解码接收的信号，并将其转化为数字格式，然后将其发送至信息处理系统46。在本实施方案中，该信息处理系统是一台包括允许分析从每一传感器装置20接收到的信息信号的适用软件的个人电脑。优选地，信息处理系统46包括一个数据库，该数据库利用每一传感器的识别元件28提供的识别信息与每一个单独的传感器装置20连接。接收的信息构成了一个背景辐射空间。优选地，信息系统46接收并在数据库中储存从每一传感器装置20的伽马和中子辐射探测元件24获得的信息。可选地，指令中心220(图4)接收并储存一个从每一传感器装置20获得的信息的数据库和/或用于每一信息系统46。从每一传感器装置20获得的信息允许信息系统46对背景或宇宙辐射作出调整，以便于协助对有可能表明放射性材料存在的异常或不常见的数据的鉴别。信息处理系统46中可用的软件分析从每一伽马和中子辐射探测元件24接收的信息，以达到确定背景辐射和任何可能表明放射性或核材料存在的此类异常的目的。通常，整套传感器装置20将测量来自每一探测位置的放射性货物和背景辐射的任何信号的总和。背景辐射水平可以在每一探测位置被高度精确地测定，其方法是通过将平滑曲线与在构成上述背景辐射空间的集装箱或待测物体以及固定在其上的相关的传感器装置20的整个矩阵中测得的辐射曲线拟合。任何探测器或传感器装置20的辐射计数对光滑背景辐射水平的偏离为局部放射性的指示。如果探测到放射性或核材料的存在，信息处理系统46会对集装箱轮船100的船上人员或利用指示输出或发射器48对中心机构220发出报警信号。该指示输出48可以是移动电话、卫星无线电、因特网连接或可用于将报警信号发送至所需位置的任何适用的装置。信息处理系统46还包括利用来自位置元件32的信息确定集装箱轮船100上传感器装置20利用三维集装箱矩阵14探测放射性材料存在性的特定位置的软件。用这种方式，方便了可能含有放射性材料的特定集装箱12的鉴别。如果元件26的实施方案是一个收发器的话，发射器48也可具有将指令信号发送至固定在集装箱20上的元件26的能力。这样，主单元/主模块40可以是一个监控装置或一个控制装置。
本领域普通技术人员将理解，虽然已经描述了一个用于在轮船上的集装箱12中探测放射性材料存在性的系统的特定的优选实施方案，本发明的基本构思在其他情况下也是适用的。例如，一些基本的方法和技术可用于探测通过诸如铁路、航空、卡车等其它方式运输的集装箱12中的放射性或核材料的存在性。此外，通过简单地将传感器装置20放置在不同的位置中，例如，轮船的货舱或用于运输散装运输物的储存的位置，同样的方法可选用于探测诸如非集装箱、散装运输的非集装箱环境中的放射性或核材料的存在性。这样，本领域普通技术人员将理解，本发明的基本构思在于最大程度地利用运输时间，以达到探测放射性材料存在性并由此消除或至少最小化在抵达港口或其他地方时，逐个检查集装箱或散装运输物的需要的目的。优选的本发明也可用于非模块化的散装运输，例如在一艘轮船100上，通过有规则地装载和间隔探测器装置20，使其具有较大的探测面积并因而具有更大的探测范围的方法。如果阵列也具有方向性，在更大空间中确定特定点的位置可以通过三角测量完成。轮船100中的位置测定大大地提高的介入的方便性。每一模块还如先前一样连接至中央中继点。较大的阵列能补偿阵列定位的减小的规则度并能利用运输时间以达到探测准确度具有实质性提高的最有效的探测，并且在有可能作出灵活的反应的运输途中为检查机关的介入做准备。
正如本领域技术人员所知，整个系统的发送可通过将发送至以及来自探测装置20和接收器站40以及控制中心220的所有通讯恰当编码而使其更加安全。
每一传感器或探测器24可在生产过程中校准为与同位素校准标准物比较响应特定能谱。该校准标准物也可被固定或布置在每一传感器或探测器24之上或附近，以在测量过程中作为比较的连续参照。此外，传感器或探测器24也可设定为用于本领域熟知的现场校准(fieldcalibration)或标准型(standardization)。另外，每一传感器或探测器24可带有自动温度校准或补偿特性以便有助于在较宽的温度范围内产生一致的结果。
本发明的性能可通过利用来自装运载货单和其他来源222(图4)的涉及内含物的类型、发货人、目的地、以往货物历史等信息结合伽马辐射探测元件24和相关的元件进一步提高。一个使用此类信息的实例涉及上述的人造放射源的载货单或高密度的临界浓度。来自本发明的数据和来自其他来源222的信息的组合提高了探测核燃料的可能性并把假阳性和假阴性的可能性降到最低限度。
此处描述的放射性材料探测系统10可与诸如化学和生物探测器、防篡改安全系统和其他货物安全系统中可使用的信息系统的其他货物安全系统联合或结合使用。上述的放射性材料探测系统10也可引入人类传感器技术。例如，在传感器壳体22中或在单独的壳体中可包括的声学传感器或麦克风、气味传感器、运动传感器或任何其他类型的可探测人的存在性的传感器。此类传感器可连续工作或可被控制器30或被接收器站40激活，以确认在集装箱12内是否存在偷渡者或“看护者”。同时探测集装箱12内人的存在性以及探测集装箱12中的放射性材料提供了对放射性材料探测系统10成功使用的额外的确认。因此，本发明被预期可与设定为在一个待测物体12，如上文描述的集装箱12中探测活体存在性的活体探测器(live being detector)联合使用。
裂变或“脏”核废料的成功探测是一些变量的函数裂变强度(fissile strength)，目标的屏蔽，周边材料对目标的衰减，探测装置的面积，以及可利用的探测时间。最后的变量，探测时间，在成功的探测中能超越(overcome)其他所有变量。
传感器装置20也可与用于确定传感器装置20可固定在其上的集装箱12，卡车或其他待测物体等的位置的GPS系统一起使用。此外，传感器装置20可用于指示集装箱的密封被破坏与否。
当本发明作为通讯链接的系统200(communication-linked system200)(图4)时，该系统200也可被用于执行其它的主要的或次要的功能诸如商业GPS定位、保护运输装置不被秘密开启以及简单的后勤信息调查。链接的数据可以与航运信息载货单的数据库比较，以确定目标航运的运输中涉及的各方，从而验证甚至还在航运中的快速的调查并完成对合法货物的目标鉴别。
图4显示了包括货物集装箱监控系统10和控制中心220的放射性材料探测系统200。货物集装箱监控系统10包括多个放射性材料探测装置20和一个主单元/主模块40。所述多个放射性材料探测装置20每个都具有无线发射器26，设定在预定或指定的时间段内探测辐射的辐射传感器24，设定为将探测的辐射发送至无线发射器26以用于发射的探测控制器30，以及与控制器30和无线发射器26中的一个电耦合并设定为对无线发射器26发射的信息提供识别数据或位置数据的识别标签28。该主单元/主模块40具有一个设定为接收从多个放射性材料探测装置20的每一无线发射器26无线发射的信息的接收器42，一个收发器48和一个主控制器46，该主控制器46与接收器42耦合且被设定为通过收发器48发送从放射性材料探测装置20接收到的信息。控制中心220与主单元/主模块40的收发器48保持通讯。控制中心220被配置为接收来自至少一个不同于主单元/主模块40的附加源222的数据并异步地分析来自至少一个附加源222的数据以及来自放射性材料探测装置20的信息以便探测某一特定集装箱12内的放射性材料。收发器48通过利用一个或多个蜂窝移动通讯系统、无线计算机网络、红外线系统、超声波系统、卫星系统以及无线电系统与控制中心220保持通讯。
在放射性材料探测系统10在一个集装箱12或传感器装置20的矩阵14内探测到核异常的情况下，此处描述的放射性材料探测系统10也可重新设定为一个主动探测系统，例如使用伽马射线或中子发生器主动激发集装箱。在这种情况下，已就位的传感器装置20至少暂时地被重设成主动探测系统，以确认该异常不是假阳性。如果集装箱12在轮船100上，该轮船100将在海上被拦截，以确认该核异常不是假阳性或该异常物是由担心的真实的核裂变材料引起。在探测到异常的传感器装置20的矩阵14内的区域或异常的集装箱12附近可放置额外的传感器装置20，以提高感兴趣的区域的传感器分辨率和数据采集，从而协助确定该核异常是假阳性还是一次真正的威胁。由于现代集装箱轮船100上的几乎所有的集装箱12都可至少部分地被检查人员或类似人员接近，因而暂时在该异常的集装箱12附近放置一个伽马射线或中子发射器60也是可能的。伽马射线或中子发生器会使在该区域中的任何核裂变材料发出光谱特性曲线形式的伽马射线或中子，这将有助于确认该核异常是假阳性还是一次真正的威胁。核裂变材料存在性的确认也可单独用热敏(heat sensing)热成像技术或结合已经或暂时放置在探测到核异常的区域的传感器装置20，用如上文所述的方法实现。已就位的不同于传感器装置20的额外的敏感传感器装置20可加入到嫌疑集装箱12周围，以提高该异常区域的传感器分辨率。在对某一特定的集装箱12采取拦截措施前，可采用任何上述方法，尤其在集装箱还在运输中且有时间进行不移动或不开启该异常集装箱12而进行传感器确认的情况下。这样，该放射性材料探测系统10可以在系统在货物容器内探测到核异常的情况下，从一个被动探测系统重新设置成一个至少部分主动的探测系统。
另外，可以在特定情况下或用于特定运输路线时提高该放射性材料探测系统10的灵敏度。例如，如果向/来自某特定目的地的某特定的海运路线存在增加的安全威胁的话，传感器装置20的灵敏度可以增加或提高，以达到探测更低辐射浓度的目的。虽然这可能导致更大数目的假阳性，此类行动也将探测到更小量的通过屏蔽部分隐藏的核裂变材料或裂变核燃料。传感器装置20的灵敏度调节可通过来自主单元/主模块40的命令，通过来自指令中心220的远程指令或通过在指令中心改变设置点(setpoint)而在每一传感器装置20局部发生。优选地，该指令中心仅接收来自传感器装置20的阵列14的数据且指令中心220改变探测到或捕捉到该核异常的水平。一个或多个传感器装置20的更新(update)或扫描时间，或一个或多个传感器装置20内的功能中的一种，诸如改变中于传感器的每单位时间的更新数目。犹如此处使用的那样，增加灵敏度意味着可将更低的辐射水平作为放射性异常或警报探测并报告。该提高灵敏度的指令或命令也可是自动的。例如，指令中心220可运行一种动态的和/或实时的、以规则为基础的(rules-based)控制程序，该控制程序与一个政府或国际官方恐怖主义威胁预警系统或类似的系统(外部数据222)保持通讯。在威胁警报系统在全球或某一特定地理区域增加安全关切水平的情况下，指令中心220将同样在全球的放射性材料探测系统10或在某一特定地理区域内的放射性材料探测系统10发出自动的指令，要求增加传感器装置20的灵敏度。当然，这种警报系统的灵敏度提高也可通过对轮船100、火车、仓库以及类似的具有放射性材料探测系统10的地方发布命令提高相关的传感器装置20的灵敏度设置的方法程序性地进行。
本领域技术人员应当知道可对上述的实施方案进行各种修改，而不偏离本发明的广泛构思。因此，因当理解本发明并不限于公开的特定的实施方案，而意在涵盖所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的各种变化。
权利要求
1.一种放射性材料探测系统(200)，该系统包括多个放射性材料探测装置(20)，每一装置(20)都被设置在一个货物容器(12)之中或之上，每一装置(20)包括一个能依据一个信号无线发射信息的无线发射器(26)；一个具有一传感器输出的辐射传感器(24)，该辐射传感器(24)被设定为在预定或指定的时间段探测辐射；以及一个设定为接受来自辐射传感器(24)的传感器输出并将信号发送至无线发射器(26)发射的探测控制器(30)；以及一个与控制器和发射器中的其中一个电耦合的识别标签(28，32)，该识别标签(28，32)被设定为给无线发射器(26)发射的信息提供识别数据或位置数据；以及一个设定为直接或间接地接收来自多个放射性材料探测装置(20)的无线发射器(26)无线发射的信息的指令中心(220)，该系统(200)通过源于多个放射性材料探测装置(20)检测到的信息建立一个背景辐射空间，以辨别多个放射性材料探测装置(20)间的异常的方法，被设定为探测发出辐射的裂变或核材料，该系统(200)具有可调节的灵敏度。
2.如权利要求1所述的放射性材料探测系统(200)，其特征在于，该放射性材料探测系统(200)的灵敏度在特定情况下或用于特定运输路线时被提高。
3.如权利要求2所述的放射性材料探测系统(200)，其特征在于，该放射性材料探测系统(200)的灵敏度调节通过来自指令中心(220)的指令或通过在指令中心(220)改变设置点而在每一传感器装置(20)局部进行。
4.如权利要求1所述的放射性材料探测系统(200)，其特征在于，指令中心(220)接收并储存一个从每一传感器装置(20)获得的信息的数据库，从每一传感器装置(20)接收的信息被指令中心(220)利用，用于对背景或宇宙辐射作出调整，以便于协助对有可能表明放射性材料存在的异常或不常见的数据的鉴别。
5.如权利要求1所述的放射性材料探测系统(200)，其特征在于，该放射性材料探测系统(200)在系统(200)在货物容器(12)内探测到核异常的情况下，被重新设置成一个主动探测系统。
6.如权利要求5所述的放射性材料探测系统(200)，还包括中子发生器(60)和伽马射线发生器(60)中的一个。
7.如权利要求1所述的放射性材料探测系统(200)，其特征在于，其灵敏度通过改变该多个放射性材料探测装置(20)中的一个或多个的每单位时间的多个更新而调整。
8.如权利要求1所述的放射性材料探测系统(200)，其特征在于，其灵敏度通过改变至少一个辐射传感器(24)的每单位时间的多个更新而调整。
9.如权利要求1所述的放射性材料探测系统(200)，其特征在于，当货物容器(12)在轮船(100)上时，该轮船(100)在海上被拦截，以确认该核异常不是假阳性或该异常由担心的真实的核裂变材料引起。
10.如权利要求1所述的放射性材料探测系统(200)，在探测到异常时，还包括一个暂时布置在货物容器(12)附近的伽马射线或中子发生器。
11.一种放射性材料探测系统(200)，该系统包括多个放射性材料探测装置(20)，每一装置(20)都被布置在一个货物容器(12)之中或之上且每一装置(20)包括一个能依据一个信号无线发射信息的无线发射器(26)；一个具有传感器输出的辐射传感器(24)，该辐射传感器(24)被设定为在预定或指定的时间段探测辐射；以及一个设定为接收来自辐射传感器(24)的传感器输出并将信号发送至无线发射器(26)发射的探测控制器(30)；以及一个与控制器和发射器中的其中一个电耦合的识别标签(28，32)，该识别标签(28，32)被设定为给无线发射器(26)发射的信息提供识别数据或位置数据；以及一个设定为直接或间接地接收来自多个放射性材料探测装置(20)的无线发射器(26)无线发射的信息的指令中心(220)，该系统(200)通过源于多个放射性材料探测装置(20)检测到的信息建立一个背景辐射空间，以辨别多个放射性材料探测装置(20)间的异常的方法，被设定为探测发出辐射的裂变或核材料，该放射性材料探测系统(200)在系统(200)在货物容器(12)内探测到核异常的情况下可从一个被动探测系统重新设置成一个至少部分主动的探测系统。
12.如权利要求11所述的放射性材料探测系统，还包括中子发生器(60)和伽马射线发生器(60)中的一个。
13.一种使用放射性材料探测系统(200)在多个货物容器(12)中探测放射性材料的方法，该放射性材料探测系统(200)包括一个指令中心(220)和多个放射性材料探测装置(20)，每一装置(20)具有一个无线发射器(26)，一个探测控制器(30)和一个设定为在预定或指定的时间段探测辐射的辐射传感器(24)，该系统(200)具有可调节的灵敏度，该方法包括在每一放射性材料探测装置(20)探测辐射；在指令中心(220)在预定或指定的时间段接收来自每一放射性材料探测装置(20)探测到的信息；以及调节背景或宇宙辐射，以助于识别可能预示着核放射性材料存在的异常或不常见的数据。
14.如权利要求13所述的方法，还包括在特定情况下或用于特定运输路线时提高放射性材料探测系统(200)的灵敏度。
15.如权利要求13所述的方法，还包括至少暂时地将指令中心(220)和多个放射性材料探测装置(20)重新设置成一个主动探测系统，以确认该异常不是假阳性。
16.如权利要求13所述的方法，还包括在多个货物容器(12)之间的一个异常容器(12)附近或探测到异常的多个货物容器(12)内的区域附近放置附加的传感器装置(20)，以提高传感器分辨率和用于多个货物容器(12)中的异常容器(12)或探测到异常的多个货物容器(12)内的区域的数据收集，从而协助确定该核异常是假阳性还是一次真正的威胁。
17.如权利要求13所述的方法，还包括在多个货物容器(12)中的异常容器(12)或在探测到异常的多个货物容器(12)的区域内附近暂时放置一个伽马射线或中子发生器(60)。
18.如权利要求13所述的方法，还包括在每一传感器装置(20)局部调节传感器装置(20)的灵敏度。
19.如权利要求13所述的方法，还包括通过来自指令中心(220)的指令或通过在指令中心(220)改变设置点而调节传感器装置(20)的灵敏度。
20.如权利要求13所述的方法，还包括根据指令中心(220)处理的事件或设置点自动调节传感器装置(20)的灵敏度。
全文摘要
一种放射性材料探测系统(200)，该系统包括多个放射性材料探测装置(20)和一个指令中心(220)。每一装置(20)都被布置在一个货物容器(12)之中或之上。每一装置(20)包括一个无线发射器(20)、一个辐射传感器(24)、一个探测控制器(30)以及一个识别标签(28，32)。辐射传感器(24)被设定为在预定或指定时间段内探测辐射。指令中心(220)被设定为直接或间接地接收来自多个放射性材料探测装置(20)的无线发射器(26)无线发射的信息。系统(200)被设定为探测发出辐射的裂变或核材料。在货物容器内探测到核异常的情况下，系统(200)可从一个被动探测系统被重新设置成一个至少部分主动的探测系统。
文档编号G08B1/08GK1879038SQ200480023211
公开日2006年12月13日 申请日期2004年8月11日 优先权日2003年8月13日
发明者戴尔·F·夏皮罗, 杰里·小博尹 申请人:俄亥俄州昆塔尔公司