使用宇宙射线电子和μ子的散射和停止辨别低原子重量材料

摘要

公开了用于构建在低‑原子‑质量材料的范围上的宇宙射线带电粒子(包括宇宙射线电子和/或宇宙射线μ子)的散射和停止关系、并且基于构建的散射和停止关系检测和识别暴露于宇宙射线带电粒子的感兴趣的体积(VOI)的内容物的技术、系统和设备。在一个方面，公开了用于构建暴露于宇宙射线带电粒子的一范围的低密度材料的散射‑停止关系的处理。该技术首先确定暴露于来自宇宙射线的带电粒子的在该低密度材料范围内的每种材料的散射参数和停止参数。该技术然后基于与该低密度材料范围相关联的确定的散射和停止参数对，建立该低密度材料范围的宇宙射线带电粒子的散射‑停止关系。

说明书

相关申请的交叉引用

本专利文档要求2014年2月26日提交的美国临时专利申请No.61/945,061；2014年8月11日提交的美国临时专利申请No.62/036,050；和2014年11月5日提交的美国临时专利申请No.62/075,788的优先权的权益。上述专利申请的全部内容通过引用合并为本文档的公开的一部分。

技术领域

本公开中描述的主题总的涉及用于基于宇宙射线断层扫描(tomography)成像和感测的系统、设备和处理。更具体地，公开的技术提供以不仅可以检测并且特性化重核(heavy nuclei)的密集聚集(assemblage)而且可以检测并且特性化中等原子质量材料和轻原子质量材料的聚集的方式应用宇宙射线断层扫描的技术。

背景技术

宇宙射线成像和感测是利用高穿透宇宙射线产生的诸如μ子的带电粒子的多次库仑散射以不使用人工辐射而执行材料的无损检测的技术。地球连续不断地被来自外太空的能量稳定的带电粒子、主要是质子轰击。这些带电粒子在上层大气中与原子相互作用，以产生包括很多短寿命的介子的带电粒子的簇射，其衰减产生更长寿命的μ子。μ子主要通过库仑力与物质相互作用，不具有核相互作用并且容易地比电子辐射少得多。这样的宇宙射线产生的带电粒子通过电磁相互作用缓慢地损失能量。结果，很多宇宙射线产生的μ子由于高穿透带电辐射而到达地球的表面。在海平面的μ子通量是每分钟每cm²大约1μ子。

发明内容

公开了用于构建在低-原子-质量材料的范围上的宇宙射线电子和μ子的散射和停止关系、并且基于构建的散射和停止关系检测和识别暴露于包括电子和μ子的宇宙射线产生的带电粒子的VOI的内容物的技术、系统和设备。

在一个方面，公开了用于构建暴露于宇宙射线带电粒子的一范围的低密度材料的散射-停止关系的处理。该处理包括确定在暴露于来自宇宙射线的带电粒子的在一范围的低密度材料范围内的给定材料的散射参数和停止参数。该处理包括创建材料的VOI。该处理包括对于在宇宙射线检测器内部的VOI，确定与材料的VOI相互作用的带电粒子的散射参数，以表示进入和离开VOI的一组宇宙射线带电粒子。该处理包括确定与材料的VOI相互作用的宇宙射线带电粒子的停止参数，以表示进入VOI并且在VOI内部停止的一组宇宙射线带电粒子。该处理包括基于与该范围的低密度材料相关联的确定的散射和停止参数对，建立该范围的低密度材料的宇宙射线带电粒子的散射-停止关系。

在一些实现方式中，该处理包括通过在常规集装箱内部放置材料来创建该材料的VOI。

在一些实现方式中，常规集装箱包括出货集装箱、车辆或者包装箱之一。

在一些实现方式中，该处理包括当常规集装箱为空时，通过分别测量与常规集装箱相互作用的宇宙射线带电粒子的散射和停止参数，确定该常规集装箱的影响。

在一些实现方式中，在该范围的低密度材料中的材料具有基本等于或者小于铝的密度的密度。

在一些实现方式中，散射和停止参数对的值随着该范围的低密度材料的密度而基本单调增加。

在一些实现方式中，该处理包括通过使用基于宇宙射线的检测系统，确定带电粒子的散射参数。基于宇宙射线的检测系统包括在关于VOI的第一位置处的第一组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器，用以检测穿透第一组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器并且进入VOI的入射宇宙射线带电粒子的事件。基于宇宙射线的检测系统包括在关于VOI并且与第一位置相对的位置处的第二组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器，用以检测离开VOI的离去宇宙射线带电粒子的事件。基于宇宙射线的检测系统包括信号处理单元，用以接收来自第一组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器的入射宇宙射线带电粒子的信号和来自第二组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器的离去宇宙射线带电粒子的信号。该信号处理单元可以至少基于接收到的离去宇宙射线带电粒子的信号，确定散射参数。

在一些实现方式中，该检测处理可以包括通过使用接收到的来自第一组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器的入射宇宙射线带电粒子的信号以确定入射宇宙射线带电粒子的数目、并且使用接收到的来自第二组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器的离去宇宙射线带电粒子的信号以确定散射宇宙射线带电粒子的数目，来确定宇宙射线带电粒子的停止参数。该处理包括通过从入射宇宙射线带电粒子的数目减去散射宇宙射线带电粒子的数目，计算停止宇宙射线带电粒子的原始数目。

在一些实现方式中，该处理可以包括校正停止宇宙射线带电粒子的原始数目，以补偿在宇宙射线检测器内部的VOI的放置位置的影响。在宇宙射线检测器的边缘附近的放置位置可能由于位置敏感宇宙射线带电粒子检测器没有检测到的增加数目的散射宇宙射线带电粒子而趋于过度估计停止宇宙射线带电粒子的原始数目。

在一些实现方式中，该处理可以包括将停止宇宙射线带电粒子的原始数目除以确定的散射宇宙射线带电粒子的数目以对于在位置敏感宇宙射线检测器的不同位置处的检测效率的变化归一化，来补偿VOI的放置位置的影响。

在一些实现方式中，该处理包括校正停止带电粒子的原始数目，以补偿诸如VOI的厚度或者通过VOI中的材料的平均路径长度的样本性质的影响。

在一些实现方式中，该处理包括校正确定的散射和停止参数，以补偿VOI的几何形状影响。

在一些实现方式中，宇宙射线带电粒子包括宇宙射线电子和/或宇宙射线μ子。

在另一方面，用于识别暴露于宇宙射线带电粒子的VOI的内容物的处理包括从与VOI相互作用的入射宇宙射线带电粒子确定散射宇宙射线带电粒子的数目。该处理包括从与VOI相互作用的入射宇宙射线带电粒子确定停止宇宙射线带电粒子的数目。该处理包括将散射和停止宇宙射线带电粒子的数目与对于暴露于宇宙射线带电粒子的一范围的低密度材料获取的宇宙射线带电粒子的建立的散射-停止关系相比较，以确定VOI的内容物是否匹配该范围的低密度材料中的材料。

在一些实现方式中，VOI放置在集装箱内部。

在一些实现方式中，集装箱可以包括出货集装箱、车辆或者包装箱之一。

在一些实现方式中，该处理包括校正集装箱对确定的散射和停止宇宙射线带电粒子的数目的影响。

在一些实现方式中，该处理包括通过使用宇宙射线带电粒子检测系统，确定散射宇宙射线带电粒子的数目。宇宙射线带电粒子检测系统包括在关于VOI的第一位置处的第一组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器，用以检测穿透第一组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器并且进入VOI的入射宇宙射线带电粒子的事件。该系统包括在关于VOI的并且与第一位置相对的第二位置处的第二组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器，用以检测离开VOI的离去宇宙射线带电粒子的事件。该系统包括信号处理单元，用以接收来自第一组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器的入射宇宙射线带电粒子的信号和来自第二组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器的离去宇宙射线带电粒子的信号。该信号处理单元可以至少基于接收到的离去宇宙射线带电粒子的信号，确定散射宇宙射线带电粒子的数目。

在一些实现方式中，该处理包括通过使用接收到的来自第一组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器的入射宇宙射线带电粒子的信号以确定入射宇宙射线带电粒子的数目，确定停止宇宙射线带电粒子的数目。该处理可以包括通过从确定的入射宇宙射线带电粒子的数目减去确定的散射宇宙射线带电粒子的数目，计算停止宇宙射线带电粒子的原始数目。

在一些实现方式中，该处理还包括校正停止宇宙射线带电粒子的原始数目，以补偿VOI在宇宙射线带电粒子检测器系统内部的放置位置的影响。在宇宙射线检测器的边缘附近的放置位置可能由于宇宙射线检测器系统没有检测到的增加数目的散射宇宙射线带电粒子而趋于过度估计停止宇宙射线带电粒子的原始数目。

在一些实现方式中，该系统包括通过将停止宇宙射线带电粒子的原始数目除以确定的散射宇宙射线带电粒子的数目以对于在宇宙射线检测器系统的不同位置处的检测效率的变化归一化，补偿VOI的放置位置的影响。

在一些实现方式中，该处理包括校正停止宇宙射线带电粒子的原始数目，以补偿包括VOI的厚度的样本性质的影响。在一些实现方式中，该处理包括校正停止宇宙射线带电粒子的原始数目，以补偿包括通过样本中的材料的平均路径长度的样本性质的影响。

在一些实现方式中，该处理包括校正确定的散射和停止参数，以补偿VOI的几何形状影响。

在一些实现方式中，该处理包括使用确定的停止宇宙射线带电粒子的数目来估计VOI的厚度。在一些实现方式中，可以确定通过VOI中的材料的平均路径长度以归一化VOI中的材料的停止力。

在一些实现方式中，该处理包括当确定的散射和停止宇宙射线带电粒子的数目落入对于所述范围的低-密度材料的建立的预定散射-停止关系内时，将VOI的内容物分类为低密度材料。

在一些实现方式中，上述宇宙射线带电粒子包括宇宙射线电子和/或宇宙射线μ子。

在另一方面，用于检测和识别暴露于宇宙射线带电粒子的VOI的内容物的检测系统包括在关于VOI的第一位置处的第一组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器，用以检测穿透第一组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器并且进入VOI的入射宇宙射线带电粒子的事件。该检测系统包括在关于VOI的并且与第一位置相对的第二位置处的第二组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器，用以检测离开VOI的离去宇宙射线带电粒子的事件。该检测系统包括信号处理单元，该信号处理单元接收来自第一组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器的入射宇宙射线带电粒子的信号和来自第二组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器的离去宇宙射线带电粒子的信号，该信号处理单元配置为基于接收到的入射宇宙射线带电粒子和离去宇宙射线带电粒子的信号，确定散射宇宙射线带电粒子的数目和停止宇宙射线带电粒子的数目。

在一些实现方式中，该信号处理单元可以基于接收到的来自第一组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器的入射宇宙射线带电粒子的信号，确定入射宇宙射线带电粒子的数目。该信号处理单元可以基于接收到的离去宇宙射线带电粒子的信号，确定散射宇宙射线带电粒子的数目。该信号处理单元可以通过从确定的入射宇宙射线带电粒子的数目减去确定的散射宇宙射线带电粒子的数目，计算停止宇宙射线带电粒子的原始数目。

在一些实现方式中，信号处理单元可以通过由散射宇宙射线带电粒子的数目归一化停止宇宙射线带电粒子的原始数目，校正停止宇宙射线带电粒子的原始数目以补偿没有检测到的散射宇宙射线带电粒子。

在一些实现方式中，第一组和第二组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器包括一组漂移管。

在一些实现方式中，第一组和第二组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器包括可以用以检测宇宙射线μ子和宇宙射线电子二者的一组漂移管。

在一些实现方式中，宇宙射线带电粒子包括宇宙射线电子和/或宇宙射线μ子。

附图说明

图1示出根据本文描述的一些实施例的示例性宇宙射线粒子断层扫描系统.

图2A示出在海平面的宇宙射线电子能量谱的数据绘图。

图2B示出垂直(0°)和低入射角(75°)μ子的宇宙射线μ子动量谱的数据绘图。

图3示出根据本文描述的一些实施例的在出货集装箱内部放置的宽范围材料(蓝色)的测量的数据绘图，其中针对宇宙射线粒子的停止绘制了宇宙射线粒子的散射。

图4示出根据本文描述的一些实施例的在汽车的车厢内部放置的宽范围材料(蓝色)的测量的数据绘图，其中针对宇宙射线粒子的停止绘制了宇宙射线粒子的散射。

图5呈现图示根据本文描述的一些实施例的使用宇宙射线粒子识别在VOI内部的内容物(content)的处理的流程图。

图6示出测量的且用公式拟合的大多数元素的示例性辐射长度。

图7示出绘制为元素的密度的函数的预测散射。

图8示出作为材料的密度的函数的示例性预测散射。

图9示出作为元素的散射的函数的预测散射除以密度的示例性比率。

图10示出入射μ子或电子的三个示例。

图11示出入射在材料和元素上的宇宙射线电子和μ子的仿真的示例性结果。

图12示出针对散射绘制出的散射与停止的比率。

图13示出装载有材料的汽车的重新构建的图像。

图14示出汽车的四个不同扫描的重新构建。

图15示出装载有大部分是托盘大小的材料并且被扫描的二十英尺的集装箱。

图16示出具有从2-20kg不同的托盘纸、砂砾、桶装水、钢货架和5SNM替代品(DU)的20英尺集装箱的示例性重新构建。

图17示出具有覆盖4个侧面的六和八英尺漂移管的示例性车辆可安装传感器。

图18示出材料的示例性散射与停止比率相对于散射。

图19示出这些材料的示例性散射相对于停止。

图20示出作为归一化的钾质量(仅钾成分的质量)的函数的钾盐中检测到的伽马辐射信号。

具体实施方式

随着μ子移动穿过材料，亚原子粒子的电荷的库仑散射干扰μ子的轨道(trajectory)。总偏转依赖于几个材料性质，但主要影响是原子核的原子数目Z以及材料的密度。比起受到构成诸如水、塑料、铝和钢之类的更普通的物体的材料的影响，μ子的轨道更强烈地受到形成良好伽马射线屏蔽的诸如铅和钨的材料和诸如铀和钚的特殊核材料(SNM)的影响。每个μ子承载关于μ子已经穿透的材料的信息。多个μ子的散射可以被测量并且被处理以检测被穿透的材料的性质。当具有高原子数目Z和高密度的材料位于低Z和中等Z物质内部时，该材料可以被检测到并且被识别。

除了μ子之外，宇宙射线也生成电子。电子质量不大，并且一般具有比μ子更低的动量，因此在给定材料中散射得更多。由于它们的较大散射，电子可以用以区分材料，特别是可能不明显地散射μ子的具有低到中等的Z和密度的那些材料。

来自物质中的原子核的库仑散射在带电粒子通过物质时得到很大数目的带电粒子的小角度偏转。在一些示例中，相关分布函数可以用于近似地特性化取决于材料的密度和原子电荷的轨道的位移和角度改变。作为示例，该分布函数可以被近似为高斯分布。分布函数的宽度与带电粒子的动量的逆和辐射长度中测量出的材料的真实密度的平方根成比例。宇宙射线产生的粒子(例如，μ子和电子)的相关分布函数可以提供有关不具有高于地球背景的辐射剂量的粒子的路径中的材料的信息，并且可以以对要被检测的诸如良好辐射屏蔽材料的所选材料尤其敏感的方式，实现这样的宇宙射线产生的粒子的适当检测。

在宇宙射线成像和感测的一些示例中，μ子断层扫描系统可以基于通过在检测下的体积或者区域中的特定目标材料的宇宙射线粒子的散射，执行对该体积或者区域的断层扫描。例如，宇宙射线断层扫描系统可以用于检测特定目标材料，诸如可能用于对公众造成威胁的材料，包括走私的核原料。宇宙射线断层扫描检测器系统可以与诸如伽马或者X射线检测器之类的其他核材料检测器联合使用或者作为对其他核材料检测器的替代。伽马和X射线检测器通过将伽马和X射线辐射引导到感兴趣的体积或者区域中的目标材料并且测量穿透的伽马和X射线辐射来工作。核材料的屏蔽可以降低伽马和X射线检测器中的计数率，并且降低伽马和X射线检测器的检测性能。宇宙射线断层扫描检测系统可以检测被屏蔽的核材料和物体。

示例性宇宙射线带电粒子断层扫描检测系统可以包括宇宙射线带电粒子检测器，以检测和跟踪周围宇宙射线产生的带电粒子，诸如穿越通过感兴趣的体积(VOI)的μ子和电子。宇宙射线带电粒子检测器可以包括漂移管传感器的阵列，以使得能够对VOI进行断层扫描成像。宇宙射线带电粒子、例如主要是μ子和电子簇射(shower)通过VOI，并且各个粒子轨迹(track)的测量可以用以使用粒子散射重新构建VOI中的材料的原子数目(Z)和密度的三维分布。

公开的技术包括用于以下的技术、系统和设备：使用位置敏感的宇宙射线带电粒子检测器阵列以构建在宽范围的低原子质量材料上的宇宙射线带电粒子的散射和停止关系，并且基于所构建的该范围的低原子质量材料的散射和停止关系检测和识别暴露于宇宙射线带电粒子的VOI的内容物。

公开的技术可以用于以不仅可以检测和特性化密集材料(钨、铅和铀)而且可以检测和特性化中等原子质量和轻原子质量材料(诸如金属部件、常规爆炸物和其他常用材料)的方式应用宇宙射线断层扫描。特性化可以使得能够在商业上允许的内容物和违禁品(爆炸物、非法药物、现金和贵金属)之间区分。在一个方面，公开的技术提供使用宇宙射线的μ子分量以审查(interrogate)VOI的多模式无源检测系统(MMPDS)。高能量的μ子基本上没有散射地通过轻原子质量的材料，并且仅被工业中使用的常规金属轻微地散射。电子明显地被轻元素散射并且被足够厚度的包含中等原子质量元素(主要是金属)的材料停止。公开的技术可以用以开发有用的参数，指定样本的“停止力”。包括直到铝的材料的低密度状况(regime)通过很小的散射但是停止力的强变化而被特性化。中等到高密度状况示出比在停止力的变化更大的散射变化。发射的伽马射线的检测是一些材料的另一有用特征。在确定给定材料的停止力时，可以确定通过材料的平均路径长度或者可以估计样本厚度。

在另一方面，公开了构建暴露于宇宙射线带电粒子的低密度材料范围的散射-停止关系的处理。该处理包括确定在暴露于来自宇宙射线的带电粒子的该低-密度材料范围内的给定材料的散射参数和停止参数。该处理包括创建暴露于宇宙射线带电粒子的材料的VOI。该处理包括确定与材料暴露于宇宙射线带电粒子的VOI相互作用的带电粒子的散射参数，以表示进入和离开VOI的一组宇宙射线带电粒子。该处理包括确定与VOI相互作用的宇宙射线带电粒子的停止参数，以表示在VOI内部进入和停止的一组宇宙射线带电粒子。该处理包括基于与低密度材料范围相关联的所确定的散射和停止参数对，建立该低密度材料范围的宇宙射线带电粒子的散射-停止关系。

在另一方面，识别暴露于宇宙射线带电粒子的集装箱(container)内部的VOI的处理包括确定与VOI相互作用的散射的宇宙射线带电粒子的数目。该处理包括确定与VOI相互作用的停止的宇宙射线带电粒子的数目。该处理包括将确定的散射和停止的宇宙射线带电粒子的数目与建立的对于暴露于宇宙射线带电粒子的低密度材料范围获取的宇宙射线带电粒子的散射-停止关系比较，以确定VOI是否匹配该低密度材料范围中的材料。

在另一方面，检测在暴露于宇宙射线带电粒子的集装箱内部的VOI的检测系统包括在相对于VOI的第一位置处的第一组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器，用以检测穿透该第一组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器并且进入VOI的入射宇宙射线带电粒子的事件。该检测系统包括在相对于VOI的并且与第一位置相对的第二位置处的第二组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器，用以检测离开VOI的离去(outgoing)宇宙射线带电粒子的事件。检测系统包括信号处理单元，该信号处理单元接收来自第一组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器的该入射宇宙射线带电粒子的信号以及来自第二组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器的该离去宇宙射线带电粒子的信号。信号处理单元可以基于接收到的入射宇宙射线带电粒子和离去宇宙射线带电粒子的信号，确定散射宇宙射线带电粒子的数目和停止宇宙射线带电粒子的数目。

穿过与物质相关联的VOI的宇宙射线带电粒子(诸如电子和μ子)通过从物质的原子散射并且被它们吸收(“停止”)而相互作用。主要依赖于宇宙射线的μ子分量的技术可以用以审查(interrogate)感兴趣的体积(VOI)。因为μ子是高能量且大的，μ子可以基本上不散射地通过轻原子质量的材料，并且典型地仅被工业中使用的常规金属(例如，铝、铁、钢等)轻微地散射。大量的散射和吸收一般仅发生在μ子遇到足够厚度的诸如铅和钨之类的重元素和诸如铀和钚之类的特殊核材料(SNM)时。

可以实现技术以构建在宽范围的原子质量和材料密度上的宇宙射线带电粒子的散射和停止之间的关系。由于当在不同的原子质量材料中散射和停止时宇宙射线产生的μ子和电子的有区别的行为，可以实现宇宙射线断层扫描系统以使用宇宙射线产生的μ子和电子分别检测中到高原子质量和低原子质量材料。例如，可以获取μ子和也出现在宇宙射线中的较轻的、较小能量的电子二者的关系。电子可以相当大地被低原子质量元素(例如，碳、氧等)散射并且被包含中等原子质量元素(例如，金属等)的足够厚度的材料停止。因此，可以在宽范围的低原子质量材料上构建电子和/或μ子的散射和停止之间的关系，而在宽范围的中等或高原子质量材料上构建μ子的散射和停止之间的关系。通过组合μ子和电子二者的散射和停止响应，可以超出特殊核材料(SNM)扩大材料检测和特性化的范围，以覆盖其他类型的违禁品。

在一些实现方式中，VOI中的停止和散射信号的比较可以允许识别VOI中的材料和/或将材料分类为低、中或高密度。此外，停止信号可以用以估计检测到的材料的厚度。VOI中的杂波(clutter)的存在可能使该信号失真。然而，该失真可以通过使用VOI中的停止和散射的映射以及停止和散射之间的比率来减轻，以改进物体检测和分类。在一些实现方式中，经过给定材料的平均路径长度可以用以归一化停止和散射信号的比较。

在本公开中，术语“低原子质量材料”、“低-原子-质量材料”和“低密度材料”可以指代诸如碳和氧之类的单一低原子质量元素制成的材料和诸如有机材料、药品和爆炸物之类的具有低密度的化合物或混合物两者。类似地，术语“中等原子质量材料”、“中-原子-质量材料”和“中等密度材料”可以指代诸如铝和铁之类的由单一中等-原子-质量元素制成的材料或诸如钢和某些其他合金之类的具有中等密度的化合物或混合物。此外，术语“高原子质量材料”、“高-原子-质量材料”和“高密度材料”可以指代诸如铅、钨、铀或钚之类的单一高-原子-质量元素制成的材料或诸如高密度合金之类的具有高密度的化合物或混合物。在一些实现方式中，低密度或者低原子质量材料指代具有基本上等于或者小于铝的密度的密度的任何材料。因此，这些低密度材料可以包括所有有机材料，包括但不限于诸如非法药物和常规爆炸物之类的走私品。公开的技术呈现这些低密度材料的散射与停止的线性关系的存在。

可以实现本申请中描述的宇宙射线带电粒子检测系统、设备和方法，以在各种应用中检测诸如核材料之类的特定物体或材料的存在并且获取这样的物体或者材料的断层扫描信息，包括但不限于在安全检查点、边境通道和其他地点处针对范围可以从完全组装的核武器到小量的高屏蔽的核材料的核威胁物品而检测包装箱、集装箱、载人车辆。本申请中描述的特征可以用以构建各种粒子检测系统。

例如，粒子检测系统可以包括：用于放置要检查的物体的物体保持区域、在相对于物体保持区域的第一位置处用于测量进入物体保持区域的入射或者进入的宇宙射线带电粒子的位置和方向的第一组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器、在相对于物体保持区域的与第一位置相对的第二位置处用于测量从物体保持区域离开的离去宇宙射线带电粒子的位置和方向的第二组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器、以及可以包括例如微处理器以接收来自第一组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器的与进入的μ子相关联的测量的信号和来自第二组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器的与离去的宇宙射线带电粒子相关联的测量的信号的数据的信号处理单元。作为一个示例，可以实现第一组和第二组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器以包括布置为允许在第一方向上的至少三个带电粒子位置测量和在与第一方向不同的第二方向上的至少三个带电粒子位置测量的漂移管。信号处理单元可以基于测量的宇宙射线带电粒子的进入和离开位置和方向，分析由物体保持区域内的材料的宇宙射线带电粒子的散射引起的宇宙射线带电粒子的散射行为，以获取物体保持区域内的散射中心的断层扫描轮廓或者空间分布。

获取的散射中心的断层扫描轮廓或者空间分布可以用以揭示在物体保持区域中的一个或者多个物体或材料的存在或者不存在、诸如包括核材料或者设备的具有高原子数目的材料的存在或者不存在。第一和第二位置敏感宇宙射线带电粒子检测器可以以各种配置实现，包括诸如填充有可以由μ子或者电子离子化的气体的漂移管之类的漂移单元。这样的系统可以用以利用自然发生的宇宙射线带电粒子作为带电粒子源用于检测物体保持区域中的一个或者多个物体。

在入口监视的应用中，例示性实施例提供了以降低的成本并且以增加的效率潜在使能进行鲁棒的核材料检测的途径。另外，该途径可以潜在提供辐射入口监视器，该辐射入口监视器能够通过测量不存在潜在被屏蔽包装箱和不存在辐射特征二者而确定给定车辆或者货物是否没有核威胁。

附图中所示的例示性实施例的入口监视系统采用利用漂移管的宇宙射线产生的带电粒子跟踪。如下面将更详细说明的，入口监视系统利用漂移管以使得能够跟踪经过一体积的诸如μ子和电子之类的宇宙射线带电粒子并且检测伽马射线。有利地，这些入口监视系统可以有效地提供宇宙射线放射摄影术装置与无源或者有源伽马辐射计数器的组合功能，以提供针对核威胁的鲁棒的检测器。这消除了对两个分离的仪器的需要。

宇宙射线产生的μ子和电子可以提供不高于地球背景的辐射剂量的信息，并且这样的诸如μ子和电子之类的宇宙射线产生的带电粒子的适当检测可以以对于良好屏蔽的材料尤其敏感的方式实现。检测系统可以配置为基于目标物体的μ子和电子的散射，执行被检查的目标物体的断层扫描。该系统可以配置为执行断层扫描以局部化(localize)散射。断层扫描位置分辨率可以近似表示如下：

Δx＝θ_RMSL

其中

θ_RMS＝散射角的均方根(rms)，以及

L＝检测装置的检测下的体积的大小。

例如，对于示例性的0.02弧度的rms散射角和200cm的装置大小，断层扫描位置分辨率是0.02×200cm＝4cm。

在一个途径中，角度分辨率由基于珀斯统计的以下公式确定：

$\frac{\Delta \theta }{\theta }=\frac{1}{\sqrt{2N}}$

其中：

θ＝rms散射角，

N＝经过感兴趣区域的宇宙射线产生的μ子和/或电子的数目。

例如，对于N＝100(与计数一分钟后的10x10cm²分辨率元素对应)的角度分辨率是Δθ＝0.07θ。

设计为从取自不同方向的多个投影构建物体的图像或者模型的断层扫描方法可以实现在宇宙射线带电粒子检测系统中，以基于由进入和离开感兴趣体积的宇宙射线带电粒子提供的数据提供感兴趣体积的离散断层扫描重构。在一些实现方式中，蒙特卡洛仿真技术可以用以研究应用并且缩短扫描时间。在实现本专利文献中描述的宇宙射线断层扫描成像时也可以使用其他随机处理方法。

基于宇宙射线的带电粒子检测系统

公开的技术可以利用宇宙射线背景辐射，用于审查VOI或者感兴趣区域(ROI)，诸如海上货物集装箱和其他货物运输工具，以检测包括核武器和常规大规模杀伤武器(WMD)的目标材料。图1图示利用宇宙射线带电粒子检测VOI或者ROI中的目标材料的示例性检测系统100。示例性系统100跟踪在经过VOI或者ROI之前和之后在与大气的宇宙射线相互作用中生成的μ子和电子。VOI或者ROI中测量出的多次库伦散射和衰减相互作用被用于重新构建被扫描体积中的材料的三维分布。该分布可以不干扰没有商业流程而揭示WMD的存在以及成分和前体物(precursor)。

根据公开的技术的系统100利用在VOI之上和之下的诸如漂移管的大阵列之类的带电粒子检测器。例如，系统100包括布置在要成像的体积101之上的一组两个或者更多的平面或者层110的进入位置敏感宇宙射线带电粒子检测器112，用于提供进入宇宙射线带电粒子轨迹130和131的位置和角度(即，3D空间中的方向)。进入位置敏感宇宙射线带电粒子检测器112可以关于两个不同的方向、例如在沿着x和y轴的两个正交坐标中测量进入宇宙射线带电粒子轨迹130和131的位置和角度。宇宙射线带电粒子(例如，μ子和电子)穿过VOI 103可以位于其中的体积101，并且取决于占据它们穿过的体积103的材料而被散射到一程度。另一组两个或更多平面或者层120的离去宇宙射线带电粒子检测器122被定位在体积101之下，并且与进入宇宙射线带电粒子检测器112的平面或者层110相对，以记录离去或者离开的宇宙射线带电粒子位置和方向。检测器112和122中的漂移管被布置为允许在第一方向上的至少三个带电粒子位置测量和在与第一方向不同并且可以与第一方向正交的第二方向上的至少三个带电粒子位置测量。侧面检测器(未示出)可以用以检测更多的在水平方向上穿过体积101的水平取向的μ子轨迹。根据进入和离去检测器信号测量来计算每个带电粒子的散射角。

在一些实现方式中，每个漂移管可以使用简单金属(例如，铝)管实现，简单金属(例如，铝)管具有在简单铝管的中心向下串起的细导线。每个管填充有气体以将这些离子化电子的受控离子化和传播(漂移)提供到导线，并且被永久密封。在操作时，电压被施加到导线。横穿气体体积的带电粒子使气体离子化。来自该离子化的电子以可预测的速率朝向导线漂移，并且在导线附近雪崩(avalanche)，以提供在导线端部可测量的脉冲。在一个示例中，漂移管可以提供与宽度5cm并且长度达12米的导线垂直的亚毫米位置分辨率，以相对低的成本提供对于非常大的扫描体积的几何接受性。管被放置在正交层中以在三维中跟踪带电粒子。

例如计算机的信号处理单元140提供在系统100中，以接收由位置敏感宇宙射线带电粒子检测器112测量的进入宇宙射线带电粒子的信号和由位置敏感宇宙射线带电粒子检测器122测量的离去宇宙射线带电粒子的信号的数据。信号处理单元140可以基于测量的宇宙射线带电粒子的进入和离去位置和方向，分析体积101中的宇宙射线带电粒子的散射，以获取反映了体积101内的散射强度或者辐射长度的散射密度的断层扫描轮廓或者空间分布。获取的体积101内的散射密度的断层扫描轮廓或者空间分布可以揭示体积101内的VOI 103的内容物。图1示出漂移管112和122位于体积101的顶部(体积101之上)和底部(体积101之下)。在一些实现方式中，可以在关于体积101横向地或者水平地定位的侧面上实现附加的漂移管检测器，以形成包装箱、车辆或者货物集装箱可以进入其中以由系统扫描的盒状或者四侧面的检测结构。

本申请中描述的图1的系统100和其他系统的信号处理单元140可以处理从与横穿过被检查的体积(例如，包装箱、集装箱或者车辆)的宇宙射线带电粒子相关联的位置敏感宇宙射线带电粒子检测器接收到的信号，以执行各种操作。对于由感兴趣的体积中的材料或者物体引起的多次库伦散射和衰减评估进入和离去粒子轨迹。使用成像技术处理这些数据，以重新构建VOI中的3D材料分布。然后该分布被自动评估，以确定定义的威胁的存在。

例如，信号处理单元140可以处理从位置敏感宇宙射线带电粒子检测器接收到的信号，以重新构建诸如横越通过体积101的μ子或者电子之类的宇宙射线带电粒子的轨迹。信号处理单元140可以基于从位置敏感宇宙射线带电粒子检测器112接收到的信号，测量进入宇宙射线带电粒子的动量。信号处理单元140可以基于从位置敏感宇宙射线带电粒子检测器122接收到的信号，测量离去宇宙射线带电粒子的动量。信号处理单元140可以确定体积101的散射密度的空间分布。来自信号处理单元140处理从位置敏感宇宙射线带电粒子接收到的信号的结果可以用以构建断层扫描轮廓并且测量体积101的各种性质。

此外，用于重新构建横越或者经过具有一组漂移单元的宇宙射线带电粒子检测器的宇宙射线带电粒子的轨迹的处理可以包括碰撞信号，该碰撞信号表示由宇宙射线带电粒子碰撞的漂移单元的识别符和对应的碰撞时间。宇宙射线带电粒子轨迹重新构建处理可以包括在时间上分组被标识为与经过对应的位置敏感宇宙射线带电粒子检测器的具体宇宙射线带电粒子的轨迹相关联的漂移单元碰撞。宇宙射线带电粒子轨道重新构建处理可以包括初始地估计该具体宇宙射线带电粒子碰撞给定漂移单元时的时刻的时间零点值。宇宙射线带电粒子轨道重新构建处理可以包括基于碰撞的时间零点值的估计、漂移时间转换数据和时间，确定漂移半径。宇宙射线带电粒子轨道重新构建处理可以包括将线性跟踪拟合(fit)到与具体时间零点值对应的漂移半径。此外，宇宙射线带电粒子轨道重新构建处理可以包括搜索和选择与对于具体带电粒子进行的感知的接近最佳或者理想的轨迹拟合相关的时间零点值并计算时间零点和跟踪参数的误差。基于时间零点拟合的轨迹的重新构建提供了经过位置敏感宇宙射线带电粒子检测器的宇宙射线带电粒子的重新构建的线性轨道，而不需要使用快速检测器(诸如具有闪烁体开关(scintillator paddle)的光电倍增管)或者检测至最接近的几纳秒的通过装置的μ子的通过以提供时间零点的某些其他快速检测器。

此外，用于基于来自位置敏感宇宙射线带电粒子检测器的信号(即，检测器信号)测量进入或者离去宇宙射线带电粒子的动量的处理可以包括例如配置位置敏感宇宙射线带电粒子检测器以散射经过位置敏感宇宙射线带电粒子检测器的宇宙射线带电粒子。用于基于检测器信号测量进入或者离去宇宙射线带电粒子的动量的处理包括测量位置敏感检测器中带电粒子的散射。测量散射可以包括获取散射的宇宙射线带电粒子的至少三个位置测量。用于基于检测器信号测量进入或者离去宇宙射线带电粒子的动量的处理包括从位置测量确定宇宙射线带电粒子的至少一个轨迹。用于基于检测器信号测量进入或者离去宇宙射线带电粒子的动量的处理包括从至少一个轨迹确定带电粒子的至少一个动量测量。该技术可以用以基于宇宙射线带电粒子的轨迹来确定宇宙射线带电粒子的动量。不用使用检测器中的附加金属片，从在位置敏感宇宙射线带电粒子检测器本身处的宇宙射线带电粒子的散射来确定宇宙射线带电粒子的轨迹。

此外，可以通过获取与经过物体体积的宇宙射线带电粒子的散射角度和估计的动量对应的预定宇宙射线带电粒子断层扫描数据，从宇宙射线带电粒子断层扫描数据来确定体积的散射密度的空间分布。从宇宙射线带电粒子断层扫描数据确定体积的散射密度的空间分布可以包括提供带电粒子散射的概率分布，用于在诸如期望最大化(ML/EM)技术之类的图像重构技术中使用，概率分布是基于统计的多个散射模型。此外，从宇宙射线带电粒子断层扫描数据确定体积的散射密度的空间分布可以包括例如通过使用期望最大化(ML/EM)技术确定基本上最大似然估计来确定物体体积密度的估计。从宇宙射线带电粒子断层扫描数据确定体积的散射密度的空间分布可以包括输出重新构建的物体体积散射密度。重新构建的物体体积散射密度可以用以从重新构建的体积密度轮廓中识别占据感兴趣的体积的物体的存在和/或类型。各种应用包括对于其中可以由带电粒子跟踪器扫描车辆或者货物的各种国土安全检查应用的宇宙射线带电粒子断层扫描。

信号处理单元140的断层扫描处理部分可以实现在与检测器112和122相同位置处的计算机中。可替代地，信号处理单元140的断层扫描处理部分可以实现在连接在诸如私有网络或者诸如因特网的公共网络的计算机网络上的远程计算机中。

在图1中，进入宇宙射线带电粒子检测器112可以检测进入体积101的入射宇宙射线带电粒子130和131中的每个的X-Y位置、角度、速度和动量，而离去宇宙射线带电粒子检测器122可以检测经过体积101的离去带电粒子130的每个的X-Y位置、角度、速度和动量。信号处理单元140可以处理由位置敏感宇宙射线带电粒子检测器112和122收集的位置、角度、速度和动量数据，以将每个入射带电粒子130与对应的离去宇宙射线带电粒子130相匹配。此外，信号处理单元140可以处理由位置敏感宇宙射线带电粒子检测器112和122收集的位置、角度、速度和动量数据，以识别由VOI 103散射的诸如宇宙射线带电粒子130’的那些离去宇宙射线带电粒子130，并且生成入射宇宙射线带电粒子的散射数目。信号处理单元140可以处理由位置敏感宇宙射线带电粒子检测器112和122收集的位置、角度、速度和动量数据，以识别在VOI 103内部停止的入射宇宙射线带电粒子131，并且生成入射宇宙射线带电粒子的停止数目。

可以用以基于测量的宇宙射线粒子的散射和停止特性来检测和识别暴露于宇宙射线粒子的VOI的内容物的宇宙射线粒子断层扫描系统的进一步细节在2007年10月26日提交的题为“PARTICLE DETECTION AND APPLICATIONS IN SECURITY AND PORTAL MONITORING”的美国专利No.8,247,767中描述，其内容以引用的方式并入作为本申请的说明书的一部分。

到达地球表面的大部分宇宙射线带电粒子是作为更大质量粒子和上层大气之间的相互作用的二次产品的簇射而产生的μ子和电子。这两种宇宙射线带电粒子基本占据能量谱的不同部分，而某些重叠可以存在。图2A示出海平面的宇宙射线电子能量谱的数据绘图(来自C.Grimani等,“Measurements of the absolute energy spectra of cosmic-ray positrons and electrons above 7GeV”,Astron.Astrophys.392,287-294,2002)。如图2A中所示，大多数电子具有在大约0.3和1GeV(即，千兆电子伏特)之间的能量。图2B示出对于垂直(0°)和低入射角度(75°)μ子的宇宙射线μ子动量谱的数据绘图(来自J.Beringer,“Cosmic Rays”,Particle Data Group,Lawrence Berkeley Lab,2012,可在pdg.lbl.gov/2012/reviews/rpp2012-rev-cosmic-rays.pdf访问)。如图2B中可以看见，大多数μ子具有在大约0.5和200GeV之间的能量。还可以从这些绘图观察到电子具有大约0.7GeV的平均能量，并且μ子具有大约3.7GeV的平均能量。电子和μ子谱中的重叠表示总流量中的一小部分。

多模式无源检测系统(MMPDS)和检测处理

因为由公开的μ子和电子检测系统执行的检测和/或成像技术完全是无源的，例如，依赖于自然的环境宇宙射线以及依赖于伽马射线的自然发射和/或来自目标物体的材料的中子的诱导发射，所以公开的检测系统也可以称为多模式无源检测系统(MMPDS)。MMPDS的漂移管可以用以感测宇宙射线电子。更具体地，用以感测宇宙射线μ子的MMPDS的漂移管这里可以用以感测宇宙射线电子。

公开的技术包括以不仅可以检测和特性化重核的密集聚集(类似特殊核材料，SNM)而且可以检测和特性化中等和轻-原子-质量材料(诸如，金属部件、常规爆炸物和有机材料)的聚集。特性化可以使得能够在商业允许的内容和违禁品(爆炸物、非法药物等)之间区分。公开的MMPDS可以主要依靠宇宙射线的μ子成分来审查VOI。高能量的μ子基本上无散射地通过轻原子质量的材料，并且仅被工业上使用的常规爆炸物微弱地散射。实质的散射和吸收仅当μ子遇到足够厚度的重元素特性的铅和SNM时发生。因为电子相当大地被轻元素散射并且被足够厚的包含中等原子质量元素(金属等)的材料停止，所以组合μ子和电子的响应可以将材料检测和特性化的范围超出SNM而扩大到其他类型的违禁品。

本专利文档中公开的MMPDS可以测量经过VOI的μ子和电子的散射信号和停止信号二者。在一些实现方式中，为了在低密度材料范围上建立宇宙射线带电粒子的散射与停止的关系，低密度材料范围内的给定材料被特性化以获取散射参数和停止参数。被特性化的给定材料可以放置在集装箱之内，这创建测量环境以模拟宇宙射线成像和检测的实际环境。例如，集装箱可以是出货集装箱、货物集装箱、车辆的车厢(诸如，车辆的货厢)或者包装箱。在一些实施例中，可以单独测量空的集装箱以建立背景测量。同一集装箱可以用于围起不同材料的VOI。可以基于确定的散射和停止参数对建立低密度材料的范围的散射停止关系。

对于作为测量的给定材料，MMPDS可以用于当VOI暴露于宇宙射线带电粒子时确定宇宙射线带电粒子(包括宇宙射线电子和宇宙射线μ子)的散射和停止。在一些实施例中，确定宇宙射线带电粒子的散射包括使用位于VOI之上的MMPDS的第一组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器来检测穿透第一组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器而进入VOI的入射宇宙射线带电粒子的事件，并使用位于VOI之下并且与第一组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器相对的MMPDS的第二组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器来检测离开VOI的离去宇宙射线带电粒子的事件。MMPDS的信号处理单元可以用以接收来自第一组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器的入射宇宙射线带电粒子的信号和来自第二组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器的离去宇宙射线带电粒子的信号。该信号处理单元可以基于接收到的进入宇宙射线带电粒子和离去宇宙射线带电粒子的信号，确定宇宙射线带电粒子的散射参数。例如，接收到的来自第一组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器的入射宇宙射线带电粒子的信号可以用以确定入射宇宙射线带电粒子的数目，并且接收到的来自第二组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器的离去宇宙射线带电粒子的信号可以用以确定散射宇宙射线带电粒子的数目。入射宇宙射线带电粒子和散射宇宙射线带电粒子的数目之间的差别可以被用作停止的宇宙射线带电粒子的测量。该差别可以称为“原始停止数目”。

公开的技术的一个方面提供用于确定与VOI相关联的物体的带电粒子停止参数的技术。该技术考虑到在MMPDS内的物体几何形状和放置的影响。原始停止数目可能受到MMPDS内的物体放置的影响。当物体位于MMPDS的边缘附近时，增加数目的散射(即，未停止的)轨迹可以不经过位置敏感宇宙射线带电粒子检测器而离开物体。因此，上面描述的原始停止数目可能趋于过度估计(overestimate)这样的物体放置中的停止，这是因为检测到更少的散射轨迹。为了减轻该问题，开发了称为“停止力”的样本的停止参数以减轻MMPDS内的样本几何形状和放置位置的影响。

可以通过调整原始停止数目以适当地考虑没有检测到的散射轨迹来获取停止力。在一个实现方式中，可以通过将停止轨迹的数目的原始测量(或“停止轨迹的原始数目”)除以检测到的散射轨迹的数目来获取物体的停止力。停止轨迹的原始数目可以计算为检测到的入射轨迹的数目减去检测到的散射轨迹的数目。因为在MMPDS的所有部件中，不是所有散射轨迹同样有效地被检测到(特别是在MMPDS的检测器阵列的边缘附近的)，所以将停止轨迹的原始数目除以散射轨迹的数目对于在MMPDS的不同位置处的检测效率的变化归一化。例如，当物体放置在MMPDS的中心附近时，停止轨迹的对应原始数据趋于更大，但其由更大数目的散射轨迹通过停止力参数而调整。另一方面，当物体放置在MMPDS的边缘附近时，停止轨迹的对应原始数目可能更小，但其由更小数目的散射轨迹通过停止力参数而调整。

停止力模型

在一些实现方式中，物体的停止力表达如下：

其中，<p>是入射宇宙射线的平均动量，并且停止轨迹的原始数目被获取作为检测到的入射轨迹的数目减去检测到的散射轨迹的数目。公式(1)的停止力计算不仅考虑上面描述的物体放置影响，也对于样本性质的影响归一化。例如，公式(1)中的样本性质可以是样本厚度。样本厚度可以是已知值或者使用其他手段估计的(比如从重新构建图像获取的)。上面描述的停止力计算用以获取下面的图3和4中示出的停止参数，其也使用已知厚度的样本。在一些实现方式中，公式(1)的样本停止力计算对于包括通过样本中的材料的平均路径长度的样本性质的影响归一化。使用由检测系统跟踪的平均路径长度，可以精确地获取公式(1)的停止力计算。

图3示出根据这里描述的一些实施例的放置在出货集装箱内部的宽范围的材料的测量的数据绘图(蓝色菱形形状)，其中针对宇宙射线粒子的停止绘制了宇宙射线粒子的散射。如图3中可以看到，材料的范围从空气(即，空集装箱)延伸到铝。数据绘图的中部附近的红色符号(正方形形状)示出常规烈性爆炸物TNT、RDX和PETN的建模、预测的地点(locus)。在所示示例中，测量在出货集装箱内部的数据，因此绘图中的所有数据点包括集装箱的金属壁的影响。空集装箱提供最接近原点的数据点。因为集装箱的壁用相对薄的金属片构建，体积主要是空气。此外，该数据绘图示出在低-密度材料的范围上的宇宙射线粒子的散射和停止之间的明显单调关系。该单调关系近似是线性的。宇宙射线粒子的散射和停止二者看起来是随着材料的原子质量而单调增加。在一些实施例中，使用基于公式(1)对于相对检测器的样本放置部位的影响而调整的停止宇宙射线带电粒子的原始数目，获取宇宙射线带电粒子的停止信号。

图4示出放置在汽车的车厢内部的宽范围的材料的测量的数据绘图(蓝色菱形形状)，其中，针对宇宙射线带电粒子的停止绘制了宇宙射线带电粒子的散射。在左下侧，我们看到空检测器和空车厢的最低点，其给出由于检测器元素和汽车车厢区域的散射和停止引起的背景信号的测量。材料主要朝右上侧扩散。红色正方形来自被放置在它们被预测为所位于之处的爆炸物的仿真。如图4中示出，集装箱的影响变得更显著，这是因为其封闭更小的体积。可能是作为相对于车厢内部的内容物而增加的汽车的金属内容物的结果，关系好像获得了一点非线性。然而，整体关系仍然是单调的并且近似线性的。

一旦已经对于低-密度材料的范围测量了散射-停止关系，则测量的关系可以用以检测和识别暴露于带电粒子的VOI内部的内容物。图5呈现例示使用宇宙射线带电粒子识别VOI内部的内容物的示例性处理的流程图。该处理可以包括扫描定位在诸如MMPDS的宇宙射线带电粒子检测器内部的VOI(502)。该处理包括测量与VOI相互作用的宇宙射线带电粒子的散射信号(504)。此外，该处理包括测量与VOI相互作用的宇宙射线粒子的停止信号(506)。

例如，MMPDS可以用以在散射和停止的宇宙射线带电粒子(包括宇宙射线电子和宇宙射线μ子)的数量方面测量散射和停止信号。MMPDS可以包括位于VOI之上的MMPDS的第一组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器，用以检测穿透第一组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器并且进入VOI的入射宇宙射线带电粒子的事件。MMPDS可以包括位于VOI之下并且与第一组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器相对的第二组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器，用以检测离开VOI的离去宇宙射线带电粒子的事件。MMPDS的信号处理单元可以接收来自第一组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器的入射宇宙射线带电粒子的信号和来自第二组位置敏感宇宙射线带电粒子检测器的离去宇宙射线带电粒子的信号。信号处理单元可以基于接收到的离去宇宙射线带电粒子的信号确定每个区域每个单位时间的散射宇宙射线带电粒子的数目，并且可以依据入射宇宙射线带电粒子的数目基于散射宇宙射线带电粒子的数目，确定每区域每单位时间的停止宇宙射线带电粒子的原始数目。在一些实施例中，可以基于公式(1)，对于相对位置敏感宇宙射线带电粒子检测器的VOI定位的影响，调整停止宇宙射线带电粒子的原始数目。

该处理可以包括确定对于VOI测量的散射和停止信号是否落入低-密度材料的范围的预定散射-停止关系的范围内(508)。当确定对于VOI测量的散射和停止信号落入低-密度材料的范围的预定散射-停止关系的范围内时，VOI内部的内容物可以被分类为低-密度材料(510)，并且VOI的散射和停止信号对可以与低-密度材料的预定散射-停止信号比较，以确定VOI的内容物是否匹配特性化的低-密度材料之一(512)。测量的停止信号可以用以推断或者估计内容物的厚度。在一些实现方式中，可以确定通过材料的平均路径长度以归一化停止和散射信号的比较。当测量的散射和停止信号落在预定的散射-停止关系的范围之外时，VOI的内容物可以被分类为中等或者高密度材料(514)。

材料识别可以包括对于被检测的物体的几何形状影响的补偿或者减轻处理，以改进检测的精确性。对于形状像水平平面(例如，片、平板)的物体，基本所有宇宙射线产生的带电粒子随着它们穿透物体而横越相同的厚度(或者被相同的厚度停止)。然而，其水平范围与它们的垂直厚度相当或者比它们的垂直厚度更小的物体可以具有轨迹经过角而切断的相当大数目的宇宙射线带电粒子，并且这样的宇宙射线带电粒子的路径长度可以比穿透物体的整个厚度的宇宙射线带电粒子的路径长度短得多。此效应可以使观察到的散射和停止力偏斜。然而，该偏斜可以通过重复数据缩减、选择用于分析的VOI的不同大小的子集(即，掩模)来减轻。比物体的整个水平范围小得多的掩模将包括更小部分的切断拐角的宇宙射线带电粒子轨迹，并且由此具有更小的系统误差。变化掩模大小可以量化误差，以及产生厚度和水平尺寸二者的更好的估计。

因为μ子可以用以检测宽范围的中等或高-原子-质量材料，所以可以使用与用于使用宇宙射线带电粒子构建低-原子-质量材料的范围的散射和停止关系基本相同的公开的技术在宽范围的中到高-原子-质量材料上构建μ子的散射和停止之间的关系。当基于停止μ子的原始数目计算μ子的对应停止参数时，用于校正停止带电粒子的原始数目的相同技术可以用以校正停止μ子的原始数目，以补偿μ子检测器内部的VOI的放置位置的影响。中等和高-原子-质量材料的范围的μ子的散射和停止之间的特性化关系可以与低-原子-质量材料的范围的带电粒子的散射和停止之间的特性化关系组合，以将材料检测和特性化的范围延伸到超出SNM到其他类型的违禁品的甚至更大的材料范围。

此外，公开的MMPDS不将辐射施加于正扫描的场景。这意味着扫描可以与现有操作同时执行而不危害工人、操作员或者司机。扫描结果可以实时传递而不需要人力解释，降低了对商业流和操作成本的影响。本技术的另一优点是利用扩大的扫描获得附加信息的能力。典型的扫描时间是几分钟的量级，用于清除良性货物。对于怀疑的配置，可以通过延长扫描时间获取更多细节，在威胁检测事件下为响应器提供良性货物的清除或者增强的信息。

停止力与散射的比率(其中散射是由表达λ＝(<θ><p>)²/[样本厚度]给定并且<θ>是平均样本散射角)使得能够消除作为未知的样本厚度(因为停止力也通过样本厚度归一化，所以该比率消除了该变量)。该比率使得能够进行材料识别，并且然后平均散射角可以用以推断样本厚度。在一些实现方式中，不是在表达式λ＝(<θ><p>)²/[样本厚度]中使用样本厚度，可以使用通过材料的平均路径长度。

可以如下描述用以将散射与材料的辐射长度的数目相联系的表达式。如果假设平均动量是3GeV，则λ＝21.47/R(cm)，其中R是材料的辐射长度。图6中给出大多数元素的辐射长度。图6示出测量的并且符合公式的大多数元素的辐射长度。

对于诸如水的物质，我们可以使用元素数据以使用公式和体密度R(H2O)＝3/{[2/(R(H)*ρ(H))]+[1/(R(O)*ρ(O)]}/ρ(H2O)来计算辐射长度。

实际停止(按厚度或者按通过材料的平均路径长度)取决于dE/dx、通过检测器的电子的跟踪和材料的密度。电子和μ子全都在最小离子化区附近。密度可以用作停止的指示以及将散射联系到对于该散射的材料的辐射长度的数目的表达。图7示出绘制为元素的密度的函数的预测散射。金属铝的位置在图中被标记。铝左侧的元素具有大的密度变化，而铝右侧是更迅速地改变的散射。

图8示出作为材料的密度的函数的示例性预测散射。商业上最常见的材料在低于3g/cc的低密度区。水的值被标记用于参考。

图9示出作为元素的散射的函数的预测散射除以密度的示例性比率。图9示出散射与密度的比率能够分开密度的不同区域并且可以清楚地分开所示出的四种金属铝、铁、铅和钨。由于图6中看到的原子壳层影响引起的辐射长度的差别导致图9中看到的水平结构。

仿真结果

在仿真和实验数据中，我们提取停止-与-散射和比率作为停止信号＝{跨越矩形体积停止的数目/时间}/(跨越矩形体积散射轨迹的数目/时间)/厚度。在一些实现方式中，不是使用厚度估计，而是可以使用通过材料的平均路径长度。

由于检测器的接受性和测量的纬度引起的变化不在呈现的数据中考虑。图10示出入射μ子或者电子的三个示例。左侧的是经过蓝色样本的散射粒子。中间的粒子在其到达底部检测器之前停止。右侧的以很大角度从蓝色样本散射，并且也没有到达底部检测器。在数据和仿真二者中其也被当作是停止粒子。虽然无法知道任何特定带电粒子是μ子还是电子，但是它们的动量谱很不同，以使得在相同材料中，电子比μ子更多地趋于散射和停止。μ子主导散射信号，因为它们中的更多处于足够用于通过检测器的良好跟踪的能量。

图11示出入射在材料和元素上的宇宙射线电子和μ子的仿真的结果。使用标准算法来处理仿真的数据，以获取散射和停止轨迹。中和高密度的仿真物体是1乘1米的板，5.08cm(2英寸)厚；轻的物体由1乘1乘1米的立方体表示。选取物体以减少几何形状依赖(边缘)效应。数据示出两个状况。包括直到铝的有机材料的低密度状况通过很小散射但是停止力的强烈变化来特性化。中等-到-高密度状况示出散射比停止力更大的变化。重新绘制图11的结果暴露出新的观察。图12示出针对散射绘制的散射与停止的比率。其揭示了跨越密度和原子质量的整个范围的近似线性关系。忽略几何形状影响，其揭示了参数，散射/停止比率。

实验结果

已经对于从空气(空集装箱)到贫化铀的宽范围的材料获得了数据。包括直到铝的材料的低-密度状况通过非常小的散射和停止力的强烈变化来特性化。中-到-高密度状况示出了散射比停止力的更大的变化。方法的实际实现方式需要对几何形状影响的进一步关注。对于形状像水平平面(片、平板)那样的物体，基本上所有的宇宙射线随着它们穿透物体而横越相同的厚度(或者被相同厚度停止)。其水平范围与它们的垂直厚度相当或者小于它们的垂直厚度的物体具有轨迹经过角而切断的相当大数目的粒子：也就是，它们的路径长度比通过整个厚度前进的粒子的路径长度短得多。这使得观察到的散射和停止力偏斜。更高级的实现方式将利用重新构建的散射的图像，然后通过图像分割(segmentation)，我们可以定义构成样本的体素(voxel)，并且可以通过确定有多少轨迹经过了样本的体素的一个或者多个来计算散射和停止。

图13示出装载有材料的汽车的重新构建的图像。图14示出HMT中的汽车的四个不同扫描的重新构建。图14中的顶部扫描示出在沙子被隐藏在驾驶员的门中之后的汽车。下一扫描具有驾驶员坐在他的座位中。第三个扫描具有驾驶员和躺在车厢中的人。最后一个扫描具有驾驶员和与第三个扫描中的人大约相同质量的砂砾。

回去参考图4，发现汽车的车厢内部放置的材料的很多扫描的结果。在左下侧，我们看见空检测器和空车厢的最低点，其给出由于检测器元件和汽车车厢区域中的散射和停止引起的背景信号的测量。材料大多数朝向右上侧扩散。红色正方形来自被放置在它们被预测位于之处的爆炸物的仿真。

图15示出装载有主要托盘大小的材料并且在HMT中扫描的二十英尺的集装箱。在图16中示出重新构建的图像的示例。图16示出具有从2-20kg不同的托盘纸、砂砾、桶装水、钢货架和5SNM替代品(DU)的20英尺集装箱的示例性重新构建。

回去参考图3，发现在20英尺集装箱内部放置的材料的许多扫描的结果。图3示出来自20英尺集装箱中放置的材料的扫描的示例性数据。红色方形是来自爆炸物的仿真。在左下侧，我们看见空集装箱的最低点，其给出由于检测器元件和集装箱中的散射和停止导致的背景信号的测量。材料主要朝向右上侧扩散。红色方形来自根据预测而被放置的爆炸物的仿真。

四侧的包装箱扫描仪放置在部署车辆内部。不用侧超级模块获取以波威(Poway)并且在位于索科罗新墨西哥(Socorro NM)的新墨西哥科技大学(New Mexico Tech)的能量材料研究和测试中心(EMRTC)10处取得的以下数据。图17示出具有覆盖四侧的六和八英尺漂移管的示例性车辆可安装传感器。这里，其具有传送器上的出货集装箱(BOX)。

图18所示的数据(30分钟扫描)验证上面描述的散射与停止的比率作为材料的分类特征确实是有用的。金属主要是铝、钢和铅。误差棒(error bar)小于点。图18示出散射与停止的示例性比率相对于材料的散射。

在图19中，我们看到这些材料的散射相对于停止。在包含钾的4种材料中检测到放射性信号。因为自然钾包含放射性K-40的痕迹，所以车辆可安装传感器从这4种材料测量到清晰的伽马信号，并且在其他扫描中没有测量到低伽马阈值以上的任何活动性。归一化的质量是每个样本中仅钾的等效质量。来自图16中所示的四种盐的伽马强度可能被期望落在开始于零归一化的质量的直线上。它们不这样的事实是由于样本的密度的变化和它们的衰变地发射的1.46MeV伽马射线的自衰减。溴具有最高的衰减系数，之后是氯和钾。密度如下：KBr(0.98g/cc),KClO4(0.63g/cc)以及KNO3(1.23g/cc)以及KCl(1.08g/cc)。

图20示出作为归一化钾质量(仅钾成分的质量)的函数的钾盐中检测到的伽马辐射信号。

公开的技术示出基于来自宇宙射线粒子的无源辐射以及发射的伽马射线的检测的扫描仪能够在合理的时间帧中检测和分类宽范围的材料。利用图像分割以及散射和停止轨迹，可以提取散射、停止、散射/停止的比率和伽马信号，作为用于检测到的物体的分类的特征。当前正在对其进行研究。

本专利文档中描述的主题和功能操作的实现方式可以以各种系统、数字电子电路或者以计算机软件、固件或者硬件、包括本说明书中公开的结构和和它们的等效物或者以它们中的一个或者多个的组合而实现。本说明书中描述的主题的实现方式可以被实现为一个或者多个计算机程序产品，即，编码在有形和非瞬时计算机可读介质上的计算机程序指令的一个或者多个模块，用于由数据处理装置执行或者用以控制数据处理装置的操作。计算机可读介质可以是机器可读存储设备、机器可读存储底层、存储器设备、影响机器可读传播信号的物质的合成物、或者它们中的一个或者多个的组合。术语“数据处理装置”包含所有用于处理数据的装置、设备和机器，例如包括可编程处理器、计算机或者多个处理器或者计算机。除了硬件之外，装置还可以包括创建讨论的计算机程序的执行环境的代码，例如组成处理器固件、协议堆栈、数据库管理系统、操作系统或者它们中的一个或者多个的组合的代码。

计算机程序(也称为程序、软件、软件应用、脚本或者代码)可以以任何形式的编程语言编写，包括汇编或者解释语言，并且可以以任何形式部署，包括部署为单独的程序或者作为模块、部件、子例程或者适合在计算环境中使用的其他单元。计算机程序不是必须与文件系统中的文件对应。程序可以储存在保存其他程序或者数据的文件的一部分(例如，储存在标记语言文档中的一个或者多个脚本)中、专用于讨论程序的单个文件中、或者多个协调的文件(例如，储存一个或者多个模块、子程序或者代码的部分的文件)中。计算机程序可以部署为在一个计算机上或者位于一个站点处或者跨越多个站点分布的并且由通信网络互连的多个计算机上执行。

本说明书中描述的处理和逻辑流可以由执行一个或者多个计算机程序的一个或者多个可编程处理器进行，以通过对输入数据操作并且生成输出来进行功能。处理和逻辑流也可以由装置执行，并且装置也可以实现为专用逻辑电路，例如FPGA(现场可编程门阵列)或者ASIC(专用集成电路)。

适合于计算机程序的执行的处理器例如包括通用和专用微处理器二者以及任何种类的数字计算机的任意一个或者多个处理器。通常，处理器将从只读存储器或者随机存取存储器或者二者接收指令和数据。计算机的主要元件是用于执行指令的处理器和用于储存指令和数据的一个或者多个存储器设备。通常，计算机还将包括例如磁盘、磁光盘或者光盘的一个或者多个用于储存数据的大容量储存器或者可操作地耦合以从该一个或者多个用于储存数据的大容量储存器接收数据或者向该一个或者多个用于储存数据的大容量储存器传送数据。然而，计算机不需要具有这样的设备。适合于储存计算机程序指令和数据的计算机可读介质包括所有形式的非易失性存储器、介质和存储器设备，例如包括半导体存储器设备，例如EPROM、EEPROM和闪存设备。处理器和存储器可以由专用逻辑电路补充或者并入专用逻辑电路中。

在形成本文档的一部分的所附的附录A和附录B中提供附加细节。

虽然本专利文档和所附附录包含很多细节，但这些不应该视为对任何发明或者可以要求保护的范围的限制，而是视为可以对于具体发明的具体实施例特定的特征的描述。在各个实施例的上下文中本专利文档和所附附录中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合地实现。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以分开地或者以任何适合的子组合在多个实施例中实现。此外，虽然在上面可以将特征描述为以某些组合甚至最初这样要求保护地动作，但是来自要求保护的组合的一个或者多个特征可以在一些情况下从组合中去除，并且要求保护的组合可以指向子组合或者子组合的变型。

类似地，虽然以特定顺序在附图中描绘操作，但是这不应该被理解为要求这样的操作以所示的特定顺序或者按相继顺序执行或者执行所有例示的操作来实现期望的结果。此外，本专利文档和所附附录中描述的实施例的各种系统部件的分离不应该被理解为要求在所有实施例中的这种分离。

仅描述几个实现方式和示例，并且基于本专利文档中描述和例示的，可以做出其他实现方式、增强和变型。