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粒子加速器是如何守護國門的?
2019-04-17 |文章来源: 小溪| 浏览次数:  |

  “海關”代表著一個國家的國門,守護國門的意義重大,因爲這與國家的安全及經濟利益息息相關。海關不僅要查禁沒有正常出入境手續的偷渡者、過關人員攜帶的走私物品,還需查禁出入境貨物中夾藏的武器、毒品,甚至還有核材料及爆炸物品等。人員出入境通常用X光安檢儀輔以人工安檢進行,在大型集裝箱已成爲貨物流通最主要載體的當今,貨物的出入境檢查是如何進行的呢?

等待進出海關的海量集裝箱(圖片來自網絡)

  看到這組照片是不是有些吃驚?世界各國海關均面臨嚴峻的貨物安檢問題,如果全靠人工對所有的集裝箱開倉查驗,那就只能是一種狀態——無論機場、港口還是陸地出入境通道,短時間內就會被海量集裝箱塞滿而陷入癱瘓。

  因海运具有运量大、费用低等突出优势,货物的海运在国际贸易中占大部份额。为便于统计,国际上以20英尺长的集装箱作为运量的标准单位(Twentyfoot Equivalent Unit,缩写为TEU),其余规格的集装箱则折合为20英尺的进行计算。

  通常,一艘大型集装箱货轮一般可装载约8000 TEU,可以想象,全世界各国海关每年的集装箱吞吐量是多么惊人。

裝載集裝箱的飛機(圖片來自網絡)

裝滿集裝箱的貨輪(圖片來自網絡)

  中國的第一個集裝箱碼頭1978年在天津港建成,20年後的1997年,全國港口的集裝箱年吞吐量已超過1000萬TEU,而2007年就達到了1億TEU,這個裏程碑級的數字正是中國邁向世界港口強國的標志。從以下列出的“2018年全球前20大集裝箱港口排名表”可見中國集裝箱年度吞吐量在全球所占的份額(表中所列集裝箱數字的單位爲萬TEU)。

2018年全球前20大集裝箱港口排名表(數據來自網絡)

  國門靠什麽來守護

  國門靠什麽來守護?各国海关如何解决面临的严峻问题呢?

  出入境人員的安檢使用的是一般的X射線裝置,對人體及所攜帶的物品進行透視掃描後可以識別出隱藏的工具、武器、液體、貨幣、毒品和其他違禁品。這類安檢儀的X射線輻射劑量對人體是安全的,但這樣劑量等級的X射線無法穿透厚型鋼板制作的集裝箱。

  海關檢查集裝箱的方法包括人工檢查、使用能識別爆炸物或藥物的警犬、使用能識別核材料的輻射監測裝置以及能檢測各種違禁品的射線型掃描成像裝置。射線掃描技術能使集裝箱處于“透明”狀態,通過射線掃描可獲得貨物材料的能量譜,迅速將夾藏在集裝箱中的違禁物品識別出來。

  采用钴-60或铯-137放射源(平均能量1.25 MeV的)产生的伽玛射线可以穿透15-18厘米的钢板,而要穿透30-40厘米的钢板则需要用能量5-10 MeV的X射线,这样高能量的X射线只能由粒子加速器产生了。

  法國、德國、英國等國家在20世紀80年代後期開始研制基于粒子加速器的高能X射線集裝箱檢測裝置,第一套實用裝置1991年安裝在法國巴黎的戴高樂機場。

  由于受海量集裝箱過關的壓力,世界上已有越來越多的海關使用高能X射線集裝箱檢查裝置。這類裝置由粒子加速器、掃描設備,以及高性能的探測器、數據分析、X射線成像等系統組成。

《Symmetry》上的报道“High-energy X-rays searchcontainers”(图片来自网络)

  檢查的流程並不繁複,待檢的集裝箱經過高能X射線檢查裝置接受X射線掃描,經探測器、數據分析系統記錄及分析數據,所獲結果與海關數據庫中貨主申報的過關貨物性質進行精細比對,判別是否具有安全隱患或違禁物品,如武器、爆炸物、毒品、核材料以及未經申報的貨物等。

  裝置的X射線成像系統還使海關人員在獲得相關檢查數據的同時通過電子顯示屏直觀地了解集裝箱內貨物的細節。沒發現問題的便可直接通過;如果有疑問就需進入特定區域再經海關複檢。每個集裝箱的查驗時間僅需幾十秒至幾分鍾。

用于集裝箱檢查裝置的直線加速器(圖片來自網絡)

高能X射線集裝箱檢查裝置示意圖(圖片來自網絡)

待檢集裝箱通過高能X射線檢查裝置(圖片來自網絡)

海關人員通過電子顯示屏監查集裝箱內貨物(圖片來自網絡)

通過高能X射線檢查裝置的集裝箱圖像(圖片來自網絡)

藏匿的武器及文物識別(圖片來自網絡)

藏匿的煙草、炸藥、毒品、各類材料識別(圖片來自網絡)

藏匿的偷渡者識別(圖片來自網絡)

  基于粒子加速器的高能X射线集装箱检查装置已成为各国海关打击走私、非法贸易、有组织犯罪和恐怖主义的主要工具,其空间分辨率3-5毫米,穿透范围20-45厘米,对比敏感度1%-4%,吞吐量20-200 TEU/小时。

  

安裝在天津港物流中心的國産高能X射線集裝箱檢測系統(圖片來自網絡)

  新型國産高能X射線集裝箱檢查系統(圖片來自網絡)

  該系統顯示的單能灰度圖像及雙能彩色圖像(圖片來自網絡)

  加速器專家的貢獻

  高能X射線集裝箱檢查裝置堪稱守衛國門的忠誠衛士,這不僅是粒子加速器技術的重要應用,其中還有粒子加速器科學家們的直接貢獻。

  以美國的SLAC國家加速器實驗室爲例,SLAC自1962年成立以來已逐步發展爲從事天體物理、光子科學、加速器和粒子物理等多學科研究的大型綜合性實驗基地,並擁有一支世界一流水平的粒子加速器領域的技術隊伍。

  SLAC两位加速器物理学家王聚文(Juwen Wang)、罗杰?米勒(Roger Miller),帮助总部位于桑尼维尔的安科锐公司设计、制造高能X射线集装箱检查装置。他们都是美国物理学会的成员,有几十年的粒子加速器工作经验。他们的目标是将大型粒子加速器上的前沿技术改造后研制出应用于适合海关使用的小型化的高能X射线集装箱检查装置。米勒主要负责研究整套装置的概念设计,王聚文负责装置的整体组装调试。2008年末他们交付了首个高性能的小型检查装置,粒子加速器、探测器、数据分析等方面的前沿技术变身后应用于守卫国门的利器。

《Symmetry》的报道“Accelerator physicists design cargoX-ray scanner”,左为王聚文,右为罗杰·米勒(图片来自网络)

“SLAC物理學家幫助設計、制造貨物X射線掃描儀”的報道(圖片來自網絡)

  發展前景

  隨著相關技術的發展,高能X射線集裝箱檢查裝置可做到體積更小、重量更輕、功耗更低、穿透力更大、安全性更高、掃描速度更快、物質分辨功能更強、透視圖像更加穩定清晰等。海關可根據不同的檢查需求,自主選擇多能、高能、低能、無機物單顯、有機物單顯等多種圖像顯示方式,也可選擇顯示X射線透射灰度圖像或彩色識別圖像,識別各類違禁嫌疑物品將更方便快捷。與此同時,其它無損掃描集裝箱貨物的新方法也正在探索之中,例如使用中子、μ介子掃描等。

  科技前沿的粒子加速器技術、探測技術、強大的數據獲取、數據處理技術不僅在航空航天、工業探測、醫療成像等領域獲得了廣泛的應用,還對維護國土安全作出了重要貢獻。

  向守護國門的忠誠衛士——粒子加速器致敬!

  考資料】

  1、Accelerators for Society

  http://www.accelerators-for-society.org/

  2、Accelerator physicists design cargo X-ray scanner

  https://www.symmetrymagazine.org/article/may-2013/accelerator-physicists-design-cargo-x-ray-scanner

  3、SLAC Physicists Help Design, Build Cargo X-ray Scanners

  https://www6.slac.stanford.edu/news/2013-05-16-X-ray-Cargo-Scanner.aspx

  4、Accelerator apps: Cargo scanning High-energy X-rays searchcontainers

  https://www.symmetrymagazine.org/article/august-2010/accelerator-apps-cargo-scanning

  5、X-Ray Cargo Inspection: Status and Trends

  https://www.osti.gov/biblio/21289597

  6、How Particle Physics Improves Your Life?

  https://www.energy.gov/articles/how-particle-physics-improves-your-life

  7、Particle Physics to Aid Nuclear Clean up

  http://decisionsciences.com/particle-physics-to-aid-nuclear-clean-up/

  8、Utilizing X-ray Portals to Maximize Detection and Throughput atPorts and Borders

  https://www.eiseverywhere.com/file_uploads/258705fdf569bd52ae0bdd54e4f88ec7_Mastronardi_ASE.pdf

  9、New container scanner will provide Customs with a major X-ray tool

  https://www.timesofmalta.com/articles/view/20180127/local/new-container-scanner-will-provide-customs-with-a-major-x-ray-tool.669018

  10、Cargo Operations and Management

  http://epgp.inflibnet.ac.in/epgpdata/uploads/epgp_content/S001827/P001830/M029358/ET/15244866958.8Q1.pdf

  11、Accelerators for Discovery Science and Security applications

  http://www.docin.com/p-1355426490.html

  12、About Accelerators for America's Future

  http://www.acceleratorsamerica.org/

  13、Inside cargo

  https://www.rapiscan-ase.com/uploads/documents/Intersec_Mastronardi_Nov14.pdf

  14、Linear electron accelerators for radiation processing

  https://indico.cern.ch/event/377384/contributions/1801203/attachments/752539/1032362/11-demsky.pdf

  15、High Speed, Low Dose, Intelligent X-ray Cargo Inspection

  https://www.researchgate.net/publication/301873380_High_Speed_Low_Dose_Intelligent_X-ray_Cargo_Inspection/figures?lo=1

  16、American Science and Engineering, Inc. Introduces OmniView(TM)Gantry Cargo and Vehicle Inspection System

  http://www.asdnews.com/news-5278/american_science_and_engineering,_inc_introduces_omniview(tm)_gantry_cargo_and_vehicle_inspection_system.htm

  17、Electron Linacs for Cargo Inspection and other IndustrialApplications

  https://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/P1433_CD/datasets/presentations/SM-EB-28.pdf

  18、Improved threat-detection

  http://news.mit.edu/2016/startup-improved-nuclear-threat-detection-0622

  19、世界集裝箱運輸發展史

  https://www.sohu.com/a/156744916_629144

  20、集裝箱發展60年

  http://www.qdaily.com/articles/33756.html

  21、貨物集裝箱掃描技術的發展

  http://www.docin.com/p-1016461203.html

  22、中國集裝箱港口發展巡禮

  http://www.cnss.com.cn/index.php?m=content&c=index&a=show&catid=663&id=168802

  23、天津港集裝箱物流中心快速檢測系統

  http://news.163.com/12/1206/10/8I1JQOFR00014JB6.html#from=relevant

  24、車輛檢查系統MB1215DE(HS)

  http://www.chinaddg.com/page196?product_id=149


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