【Gamma Ray Inspection Technology】DARPA推进可调谐伽马射线检测技术的研究

X射线和伽玛射线有广泛的应用，包括扫描可疑的海运集装箱中的非法材料、对材料和工艺的工业检查以及医疗诊断和治疗程序。然而，目前的技术并不理想。X射线产生的连续能量限制了它们的检查和诊断性能，而伽马射线只能在特定的特定能量下产生，特定的放射性同位素是独一无二的。

基于这些原因，美国国防部高级研究计划局（DARPA）于2019年6月14日宣布开展“伽玛射线检测技术”（GRIT）项目，旨在寻求以紧凑、可运输的形式实现高强度、可调谐和窄带宽伽马射线辐射源的新方法，从而实现广泛的国家安全、工业和医疗应用。DARPA于2019年7月8日举办了一个“提议者日”网络研讨会，介绍该项目的目标。

据DARPA国防科学办公室（DSO）负责GRIT项目的项目经理马克·弗罗贝尔（Mark Wrobel）介绍：“我们试图在GRIT项目中改变X射线和伽马射线的使用方式。之前的伽马射线源，如钴-60或铯-137，不是很灵活。它们需要特殊的许可证才能拥有并且只能以非常特定的能量发射伽马射线。我们想要的是一个非常高能的光子源，我们可以对其进行调谐，以匹配我们需要的应用。这包括更有效地检测非法货物，以及更具信息性的医疗X光。”

GRIT项目的目标是提供一个可调谐的纯X射线和伽马射线源，从几十千电子伏特到超过10兆电子伏特。目前，可调谐窄带宽伽马射线源仅存在于最适合基础研究的高度专业化用户设施中，无法支持广泛的实际应用。将这些光子源缩小到一个可移动的系统是GRIT项目的主要目标和挑战。

GRIT项目技术可以使一系列新的检查和诊断协议成为可能。例如，在医学和工业射线照相中，GRIT可以显示特定的元素和材料含量，如骨骼中的钙或货物中的特定金属。而典型的X射线只能显示被检查物体的密度差异，无论是机场的一件行李，还是医生检查的病人。如果成功的话，一个GRIT产生的X射线源可以被调整来检测和量化特定元素的浓度，比如在一个给定的骨骼X射线中钙的含量，使放射科医生能够真正看到骨骼成分。

将能量从几十千电子伏特调节到超过10兆电子伏特，可以检测出在微米尺度上表征新材料和新工艺时可能感兴趣的特定元素。这些技术将与国防应用相关，包括对新的附加制造材料和合金的元素组成进行无损检测。

在兆电子伏特范围内的能级，伽马射线光子有足够高的能量与原子核实际相互作用。而X射线是通过与原子壳相互作用来工作的，GRIT能够刺激原子核产生一种称为核共振荧光的效应，这种效应是周期表中每种元素的每种同位素所特有的一种“指纹”。

马克·弗罗贝尔表示：“有了GRIT，你就可以通过微调光子能量来探测和探测感兴趣的特定同位素，以尽量减少背景噪声，并利用核共振荧光现象。这些同位素可以在感兴趣的稀土元素或特殊核材料中找到。如果能够明确地说，‘是的，这个物体中含有高浓缩铀’，并且能够描述出有多少铀存在，将是我们目前能力的一个重大飞跃。”

DARPA寻求一系列有关GRIT项目的技术方面的专业知识，包括先进的加速器技术、高能激光系统、新型控制系统以及新的x射线和伽马射线探测器技术。

GRIT对新的紧凑型光子源的关注是对DARPA的“密集型和紧凑型中子源”（ICONS）项目的补充，这一项目正在开发紧凑型中子源。这两种技术将协同工作，产生非常强大的检查能力。

经过将近一年的发展，2020年5月29日，DARPA宣布两家加利福尼亚公司被选中参加GRIT项目，并已开始开发一种可移动、可调谐的伽马射线源，用于国家安全、工业和医疗等领域。

Lumitron Technologies和RadiaBeam Technologies这两家公司于今年4月开始研究GRIT项目，并正在探索新的方法，以紧凑，可运输的形式实现高强度，可调和窄带宽的伽马射线源。

马克·沃贝尔介绍说：“如果我们能开发出一种可移动的系统，例如可以在平板半挂车或轨道车上移动到需要的地方，它就可以在许多感兴趣的领域变革无损检测，例如关键用途的射线照相术、高价值的飞机或机械零件，或违禁品的货物检验。一种可移动、可调谐的伽马射线源也可用于采矿，以识别矿石中的稀土元素，或用于先进的医疗诊断，以提供比现有X射线技术更详细的信息。”

GRIT项目的开发第一阶段是24个月。根据第一阶段结束时参与者是否满足阈值指标，DARPA将决定项目是否进入第二阶段。

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