粒子加速器是如何守護國門的？

「海關」代表著一個國家的國門，守護國門的意義重大，因為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，在大型集裝箱已成為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(圖片來自網路)

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。

因海運具有運量大、費用低等突出優勢，貨物的海運在國際貿易中佔大部份額。為便於統計，國際上以20英尺長的集裝箱作為運量的標準單位(Twentyfoot Equivalent Unit，縮寫為TEU)，其餘規格的集裝箱則摺合為20英尺的進行計算。

通常，一艘大型集裝箱貨輪一般可裝載約8000 TEU，可以想像，全世界各國海關每年的集裝箱吞吐量是多麼驚人。

裝載集裝箱的飛機(圖片來自網路)

裝滿集裝箱的貨輪(圖片來自網路)

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，這個裡程碑級的數字正是中國邁向世界港口強國的標誌。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佔的份額(表中所列集裝箱數字的單位為萬TEU)。

2018年全球前20大集裝箱港口排名表(數據來自網路)

國門靠什麼來守護

國門靠什麼來守護？各國海關如何解決面臨的嚴峻問題呢？

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製作的集裝箱。

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於「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。

採用鈷-60或銫-137放射源(平均能量1.25 MeV的)產生的伽瑪射線可以穿透15-18厘米的鋼板，而要穿透30-40厘米的鋼板則需要用能量5-10 MeV的X射線，這樣高能量的X射線只能由粒子加速器產生了。

法國、德國、英國等國家在20世紀80年代後期開始研製基於粒子加速器的高能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。

由於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》上的報道「High-energy X-rays searchcontainers」(圖片來自網路)

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，所獲結果與海關資料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鐘。

用於集裝箱檢查裝置的直線加速器(圖片來自網路)

高能X射線集裝箱檢查裝置示意圖(圖片來自網路)

待檢集裝箱通過高能X射線檢查裝置(圖片來自網路)

海關人員通過電子顯示屏監查集裝箱內貨物(圖片來自網路)

通過高能X射線檢查裝置的集裝箱圖像(圖片來自網路)

藏匿的武器及文物識別(圖片來自網路)

藏匿的煙草、炸藥、毒品、各類材料識別(圖片來自網路)

藏匿的偷渡者識別(圖片來自網路)

基於粒子加速器的高能X射線集裝箱檢查裝置已成為各國海關打擊走私、非法貿易、有組織犯罪和恐怖主義的主要工具，其空間解析度3-5毫米，穿透範圍20-45厘米，對比敏感度1%-4%，吞吐量20-200 TEU/小時。

安裝在天津港物流中心的國產高能X射線集裝箱檢測系統(圖片來自網路)

新型國產高能X射線集裝箱檢查系統(圖片來自網路)

該系統顯示的單能灰度圖像及雙能彩色圖像(圖片來自網路)

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國家加速器實驗室為例，SLAC自1962年成立以來已逐步發展為從事天體物理、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兩位加速器物理學家王聚文(Juwen Wang)、羅傑?米勒(Roger Miller)，幫助總部位於桑尼維爾的安科銳公司設計、製造高能X射線集裝箱檢查裝置。他們都是美國物理學會的成員，有幾十年的粒子加速器工作經驗。他們的目標是將大型粒子加速器上的前沿技術改造後研製出應用於適合海關使用的小型化的高能X射線集裝箱檢查裝置。米勒主要負責研究整套裝置的概念設計，王聚文負責裝置的整體組裝調試。2008年末他們交付了首個高性能的小型檢查裝置，粒子加速器、探測器、數據分析等方面的前沿技術變身後應用於守衛國門的利器。

《Symmetry》的報道「Accelerator physicists design cargoX-ray scanner」，左為王聚文，右為羅傑·米勒(圖片來自網路)

「SLAC物理學家幫助設計、製造貨物X射線掃描儀」的報道(圖片來自網路)

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！

來源：中國科學院高能物理研究所

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！