粒子加速器怎么做（粒子加速器是如何守护国门的）

“海关”代表着一个国家的国门，守护国门的意义重大，因为这与国家的安全及经济利益息息相关。海关不仅要查禁没有正常出入境手续的偷渡者、过关人员携带的走私物品，还需查禁出入境货物中夹藏的武器、毒品，甚至还有核材料及爆炸物品等。人员出入境通常用X光安检仪辅以人工安检进行，在大型集装箱已成为货物流通最主要载体的当今，货物的出入境检查是如何进行的呢？

等待进出海关的海量集装箱(图片来自网络)

看到这组照片是不是有些吃惊？世界各国海关均面临严峻的货物安检问题，如果全靠人工对所有的集装箱开仓查验，那就只能是一种状态——无论机场、港口还是陆地出入境通道，短时间内就会被海量集装箱塞满而陷入瘫痪。

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。

装载集装箱的飞机(图片来自网络)

装满集装箱的货轮(图片来自网络)

中国的第一个集装箱码头1978年在天津港建成，20年后的1997年，全国港口的集装箱年吞吐量已超过1000万TEU，而2007年就达到了1亿TEU，这个里程碑级的数字正是中国迈向世界港口强国的标志。从以下列出的“2018年全球前20大集装箱港口排名表”可见中国集装箱年度吞吐量在全球所占的份额(表中所列集装箱数字的单位为万TEU)。

2018年全球前20大集装箱港口排名表(数据来自网络)

国门靠什么来守护

国门靠什么来守护？各国海关如何解决面临的严峻问题呢？

出入境人员的安检使用的是一般的X射线装置，对人体及所携带的物品进行透视扫描后可以识别出隐藏的工具、武器、液体、货币、毒品和其他违禁品。这类安检仪的X射线辐射剂量对人体是安全的，但这样剂量等级的X射线无法穿透厚型钢板制作的集装箱。

海关检查集装箱的方法包括人工检查、使用能识别爆炸物或药物的警犬、使用能识别核材料的辐射监测装置以及能检测各种违禁品的射线型扫描成像装置。射线扫描技术能使集装箱处于“透明”状态，通过射线扫描可获得货物材料的能量谱，迅速将夹藏在集装箱中的违禁物品识别出来。

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。

法国、德国、英国等国家在20世纪80年代后期开始研制基于粒子加速器的高能X射线集装箱检测装置，第一套实用装置1991年安装在法国巴黎的戴高乐机场。

由于受海量集装箱过关的压力，世界上已有越来越多的海关使用高能X射线集装箱检查装置。这类装置由粒子加速器、扫描设备，以及高性能的探测器、数据分析、X射线成像等系统组成。

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

检查的流程并不繁复，待检的集装箱经过高能X射线检查装置接受X射线扫描，经探测器、数据分析系统记录及分析数据，所获结果与海关数据库中货主申报的过关货物性质进行精细比对，判别是否具有安全隐患或违禁物品，如武器、爆炸物、毒品、核材料以及未经申报的货物等。

装置的X射线成像系统还使海关人员在获得相关检查数据的同时通过电子显示屏直观地了解集装箱内货物的细节。没发现问题的便可直接通过；如果有疑问就需进入特定区域再经海关复检。每个集装箱的查验时间仅需几十秒至几分钟。

用于集装箱检查装置的直线加速器(图片来自网络)

高能X射线集装箱检查装置示意图(图片来自网络)

待检集装箱通过高能X射线检查装置(图片来自网络)

海关人员通过电子显示屏监查集装箱内货物(图片来自网络)

通过高能X射线检查装置的集装箱图像(图片来自网络)

藏匿的武器及文物识别(图片来自网络)

藏匿的烟草、炸药、毒品、各类材料识别(图片来自网络)

藏匿的偷渡者识别(图片来自网络)

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。

安装在天津港物流中心的国产高能X射线集装箱检测系统(图片来自网络)

新型国产高能X射线集装箱检查系统(图片来自网络)

该系统显示的单能灰度图像及双能彩色图像(图片来自网络)

加速器专家的贡献

高能X射线集装箱检查装置堪称守卫国门的忠诚卫士，这不仅是粒子加速器技术的重要应用，其中还有粒子加速器科学家们的直接贡献。

以美国的SLAC国家加速器实验室为例，SLAC自1962年成立以来已逐步发展为从事天体物理、光子科学、加速器和粒子物理等多学科研究的大型综合性实验基地，并拥有一支世界一流水平的粒子加速器领域的技术队伍。

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物理学家帮助设计、制造货物X射线扫描仪”的报道(图片来自网络)

发展前景

随着相关技术的发展，高能X射线集装箱检查装置可做到体积更小、重量更轻、功耗更低、穿透力更大、安全性更高、扫描速度更快、物质分辨功能更强、透视图像更加稳定清晰等。海关可根据不同的检查需求，自主选择多能、高能、低能、无机物单显、有机物单显等多种图像显示方式，也可选择显示X射线透射灰度图像或彩色识别图像，识别各类违禁嫌疑物品将更方便快捷。与此同时，其它无损扫描集装箱货物的新方法也正在探索之中，例如使用中子、μ介子扫描等。

科技前沿的粒子加速器技术、探测技术、强大的数据获取、数据处理技术不仅在航空航天、工业探测、医疗成像等领域获得了广泛的应用，还对维护国土安全作出了重要贡献。

向守护国门的忠诚卫士——粒子加速器致敬！

参考资料

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、世界集装箱运输发展史

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

20、集装箱发展60年

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

21、货物集装箱扫描技术的发展

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

22、中国集装箱港口发展巡礼

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

23、天津港集装箱物流中心快速检测系统

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

24、车辆检查系统MB1215DE(HS)

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

来源：中科院高能所

编辑：Quanta Yuan

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