JP2005055218A - パルス核四極子共鳴装置を用いた物質の同定・検知方法とこの方法を実施する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パルス核四極子共鳴装置を用いた物質の同定・検知方法において、従来の測定は、測定しようとする物質に対して、核四極子を励起する高周波パルスを送信し、励起されて発した核四極子共鳴波を受信するコイルとしてソレノイド型コイルを使用し、測定物をソレノイド型コイル内に配置して測定していた。
本発明は、測定対象物を送受信コイルの外部にあるものでも高感度に反応し、高精度測定が可能な核四極子共鳴同定・検知装置を提供しようというものである。
【解決手段】パルス核四極子共鳴装置を用いた物質の同定・検知方法において、前記パルス核四極子共鳴装置で発生させた高周波パルスを検知対象物に対してラジオ波として照射するコイル、または前記対象物が前記ラジオ波の励起を受けて発する核四極子共鳴波を受信するコイル、あるいはそれらの兼用コイルとして対象物に向かってその直径を漸減する円錐形状ないし円錐台形状に捲かれた構造に設定されたコイルを使用することによって解決する。
【選択図】 図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルス核四極子共鳴同定・検知装置において、前記パルス核四極子共鳴同定・検知装置からのラジオ波の照射を行う送信コイル、または同定・検知対象物からの核四極子共鳴波の受信を行う受信コイル、あるいはそれらの兼用コイルの形状に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとしている課題】
パルス核四極子共鳴（Ｎｕｃｌｅａｒ Ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ、以下ＮＱＲと記す）を用いた同定・検知装置は、同定・検知しようとする物質に固有の周波数（共鳴周波数）を含むパルス状のラジオ波を照射して前記物質の核四極子を励起し、前記パルス状のラジオ波照射後に誘導されるＮＱＲ信号を受信コイルによって受信して解析することにより前記物質の同定や検知を行うものである（非特許文献１）。現在では、数万種類にもおよぶ物質について共鳴周波数が調べられているため、パルスＮＱＲ法によって、測定対象物にＭＨｚ領域の電磁波を照射し、共鳴周波数を調べることによって物質の特定を行うことができる。このＮＱＲを用いた同定・検知装置は、航空機積み込み荷物等の中に隠されているプラスチック爆弾等の爆発物や麻薬、覚醒剤の遠隔検知等に利用することが提案されており（特許文献１、２）、現在世界的に問題となっている地雷の探知装置としても利用の可能性を有している。
しかし、従来のＮＱＲ法を利用した同定・検知装置は、同定・検知の対象物を、前記同定・検知装置のソレノイド型の送受信コイルの中に配設して測定を行うものであり、地中に埋設された地雷のように前記送受信のコイルの中に持ち込めないものについては極めて感度が低く、十分な機能を発揮するに至っていなかった。
本発明の課題は、上記従来の技術に鑑み、送受信コイルの外部に配置された同定・検知の対象物を、より高い感度で同定・検知できる核四極子共鳴同定・検知装置を提供することにある。
【０００３】
【非特許文献１】
Ｔ．Ｐ．ＤＡＳ、Ｅ．Ｌ．Ｈａｈｎ、“ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ”、 Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ Ｉｎｃ、１９５８
【特許文献１】
特開平５−２２３７５８号公報
【特許文献２】
特開平６−２２２１５４号公報
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者等において鋭意研究した結果、コイルの形状を円錐形状ないし円錐台形状に構成することによって、測定対象物に対して効率よくラジオ波パルスを照射し、ＮＱＲ信号を受信することができることを知見したものである。
本発明は、この知見に基づいてなされたものであり、その構成は以下のとおりである。
（１） パルス核四極子共鳴装置を用いた物質の同定・検知方法において、前記パルス核四極子共鳴装置で発生させた高周波パルスを検知対象物に対してラジオ波として照射するコイル、または前記対象物が前記ラジオ波の励起を受けて発する核四極子共鳴波を受信するコイル、あるいはそれらの兼用コイルとして、対象物に向かってその直径を漸減する円錐形状ないし円錐台形状に捲かれた構造に設定されたコイルを使用することを特徴とした、パルス核四極子共鳴装置を用いた物質の同定・検知方法。
（２） 前記円錐形状ないし円錐台形状に構成した送信または受信コイル、あるいはそれらの兼用コイルの先端部をコイル外に配設された対象物に指向せしめ、対象物へのパルス状の励起電磁波の照射または対象物からの核四極子共鳴信号の受信を行い、コイル外に配設された対象物の同定、検知を行い得るようにしたことを特徴とする、前記（１）項に記載のパルス核四極子共鳴装置を用いてなる物質の同定・検知方法。
（３） 該パルス核四極子共鳴装置を用いてなる物質の同定・検知方法が、専ら地雷等爆発物の探査のために利用されることを特徴とした、前記（１）又は（２）項に記載のパルス核四極子共鳴装置を用いてなる物質の同定・検知方法。
（４） パルス核四極子共鳴を用いた物質の同定・検知装置において、前記同定・検知装置の発振器で発生させた高周波パルスを、同定し、検知しようとする対象物に対してラジオ波として照射するコイル、または前記ラジオ波の励起を受けて対象物から発せられる核四極子共鳴波を受信するコイル、あるいはそれらの兼用コイルとして、対象物に向かってその直径を漸減する円錐形状ないし円錐台形状に捲かれた構造のコイルに設定することを特徴とした、パルス核四極子共鳴装置を用いてなる物質の同定・検知装置。
（５） 前記円錐形状ないし円錐台形状に構成した送信または受信コイル、あるいはそれらの兼用コイルの先端部をコイル外に配設された対象物に指向せしめ、対象物へのパルス状の励起電磁波の照射または対象物からの核四極子共鳴信号の受信を行い、コイル外に配設された対象物の同定、検知を行い得るようにしたことを特徴とする、前記（４）項に記載のパルス核四極子共鳴装置を用いてなる物質の同定・検知装置。
（６） 該パルス核四極子共鳴装置を用いてなる物質の同定・検知装置が、専ら地雷等爆発物の探査のために利用されることを特徴とした、前記（４）又は（５）項に記載のパルス核四極子共鳴装置を用いてなる物質の同定・検知装置。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、以下、実施例の図面に基づいて説明する。
図１は核四極子共鳴同定・検知装置を構成する要素のブロック図、図２は対象物としてＨＭＴ（ヘキサメチレンテトラミン）を用いた実験で得られたＮＱＲ信号の時間的変化のグラフ、図３は図２のＮＱＲ信号の時間的変化を解析器によりフーリエ変換して得られたＮＱＲ信号スペクトル、図４は従来のソレノイド型の送受信コイルを用いた実験の送受信コイルと対象物の配置を示す図、図５は本発明の円錐形状ないし円錐台形状の送受信コイルを用いた実験の送受信コイルと対象物配置を示す図である。
図において１は発振器、２は増幅器、３は同調・整合器、４は送受信コイル、５は受信機、６は検波器、７は解析器、８はＨＭＴ試料、９はラジオ波、１０はＮＱＲ信号である。
【０００６】
核四極子共鳴同定・検知装置は、図１に示すように対象物に固有の共振周波数を有する高周波パルスを発振する発振器１と、発振器１が発信したパルスを同定・検知に必要な電力までに増幅する増幅器２と、増幅器からのパルス波をラジオ波９として同定・検知の対象物８に照射し、かつ前記対象物８が前記ラジオ波９を受けて発するＮＱＲ信号１０を受信する送受信コイル４と、前記送受信コイル４の送受信の効率を高めるために整合且つ前記ＮＱＲ信号の共鳴周波数に同調させるための同調・整合器３と、前記送受信コイル４で受信した対象物８からのＮＱＲ信号１０を増幅する受信機５と、前記受信器５からＮＱＲ信号を検波して前記ＮＱＲ信号１０の時間的変化を観測・記録する検波器６と、前記検波器６で得られたＮＱＲ信号１０の時間的変化をフーリエ変換してＮＱＲ信号のスペクトルを得る解析器７とで構成されている。
【０００７】
本発明は、上記核四極子共鳴同定・検知装置における送受信感度を高めようとするものであり、そのための要件事項としてコイル形状に着目したものであることは前述したとおりである。すなわちコイル形状を、図５に示すように同定し、検知しようとする対象物（図５ではＨＭＴ）８に向かってその捲き径を減少させて円錐形状ないし円錐台形状に構成することによって、送受信コイル４によるラジオ波の送信感度と、ＮＱＲ信号の受信感度とを高め、送受信効率を高めているものである。
【０００８】
上記核四極子共鳴同定・検知装置における、電磁波の送受信態様としては、１組のコイルで電磁波の送受信を兼用する態様と、送信、受信にそれぞれ専用コイルを用意し、各コイルを１組ずつ配置して使用する態様の二通りの態様がある。すなわち、複数のコイルを組み合わせることによって、１つの役割たとえば、送受信あるいは送信のみあるいは受信のみを果たすように設定することも可能である。この場合、何れにしても組み合わせたコイルのうちの対象物に直接面するコイルを本発明で規定した円錐形状あるいは円錐台形状にすることによって、送信感度、受信感度がソレノイド型による従来法に比し、大幅に向上し、測定対象物の同定・検知精度の向上に大いに資することができるものである。これによって、本発明は、その測定態様が従来のようにコイル内に検査対象物を配設する態様から解放され、測定の範囲や形態に自由度をもたらしたものであることは明らかであり、リモートセンシングシステムを構築する上において極めて重要な意義を有するものと言える。
【０００９】
ここにコイルの線材としては、銅などの電気伝導性のよい材料選定することが感度向上のためには必要である。また、その形状については、コイルに近い位置にある対象物の検知感度を特に上げたい場合にはコイルの半径をより小さくすることが、逆にコイルに遠い位置にある対象物の検知感度を上げたい場合にはコイルの半径をより大きくすることが効果的である。なお、本発明を実施するに際しては、その使用するコイルは予め同調・整合器によって充分に同調及び整合が取られていること、その状態がネットワークアナライザーなどによって確認されていることが必要であること、これを前提としているものであることは従来法と同様であることはいうまでもない。
【００１０】
本発明者等は、送受信コイルの構成を円錐形状ないし円錐台形状に設定したことによる技術的意義、効果については、下記の実験によって確認した。
実験は、図１に示す核四極子共鳴同定・検知装置を使用し、同定・検知対象物８としてヘキサメチレンテトラミン（ＨＭＴ）２５ｇを選択し、直径３ｃｍ、高さ５ｃｍのプラスチック製容器に密閉し、これを模擬爆弾試料として使用した。この試料を図４、図５に示すように送受信兼用コイル４の外においた状態で、ＨＭＴの窒素核１４ＮのＮＱＲ信号を検出することで行った。図４は、通常のソレノイド型コイルであり、このコイルを用いて同定する際には本来ならば、コイル内に試料ＨＭＴを配置して測定するものであるが、この実験では、比較のために敢えて試料をソレノイド型の外側に配置して測定を行った。また、この実験において、試料としてＨＭＴを選択使用した理由は、ＨＭＴは、パルスＮＱＲの測定にとっては地雷等に使用される爆発物と似た性質を示すためこれを模擬爆発物として採用したものである。すなわち、これによって本発明を地雷等のリモートセンシングシステムとして確立し、実施するための感度校正用標準試料として用いたものであって、本発明で特定しようとするものは、決してこの物質に限定されるものではない。
実験は、発振器１で３．３ＭＨｚのパルスを発振し、それを増幅器２よっておよそ１００Ｗまで増幅し、同調器３を経て送受信用コイル４に導入し、送受信兼用コイル４からラジオ波９として、前記対象物ＨＭＴ８に向けて発射した。
前記ラジオ波９の照射によって励起された前記対象物ＨＭＴ８から発せられたＮＱＲ信号（共鳴信号）１０は、送受信兼用コイル４によって受信し、受信機５で増幅した後、検波器６によって検波され、図２に示すような時間変化を示すグラフを得た。
さらに、このＮＱＲ信号の時間的変化を解析器７によりフーリエ変換して、図３のＮＱＲスペクトルを得た。
この実験では、比較のために図４に示すような従来の送受信兼用コイルとして直径２ｃｍ、長さ３ｃｍ、３０回巻きのソレノイドを用いた場合について行った。ソレノイドの向きは図４に示すとおりである。この場合、送受信兼用コイル４とＨＭＴ８の間隔を１ｃｍに離しただけでＮＱＲ信号は観測できなくなった。
次いで、図５のようにＨＭＴ８に近い側の送受信兼用コイル４の径を２ｃｍ、ＨＭＴ８から遠い側の径を５ｃｍ、長さを３ｃｍの円錐形状ないし円錐台形状に３０回捲きの送受信兼用コイル４の場合について行った。この場合、送受信兼用コイル４とＨＭＴ８の間隔をおよそ２ｃｍ離した状態でもＮＱＲ信号が観察できた。
以上の実験から本発明の円錐形状ないし円錐台形状の送受信コイルの効果が離間したところからでも感度良好であることが確認された。
【００１１】
ここに、コイルの形状を円錐形状ないし円錐台形状としたことにより、送受信感度が良好となる理由は次のように考えられる。
一般にコイルとコイルによって作られる電磁波との間には次のような関係がある。すなわち、コイルによって作られる電磁波は、コイルから離れるほど弱くなる。半径の小さなソレノイド型のコイルでは、コイルに近い場所では強い電磁波を作ることができるが、コイルから離れるほど急速に電磁波は弱くなる。これに対して、半径の大きなソレノイド型のコイルでは、近い場所ではあまり強い電磁波を作ることはできないが、コイルから離れても電磁波はそれほど弱くならない。本発明による円錐形状ないしは円錐台形状のコイルでは、コイルに近い位置では小さなソレノイド型、コイルから離れた位置では大きなソレノイド型の特徴を持った電磁波を作ることが出来ることから、両者の優れた面が相乗された結果であると思料される。
【００１２】
【発明の効果】
本発明は、ＮＱＲにおける送受信コイルの形状をソレノイド型から円錐形状ないし円錐台形状に変えるだけの簡単な構成によって、下記の効果が期待される。
▲１▼ 円錐形状ないし円錐台形状の送受信コイルを使用することにより、核四極子共鳴同定・検知装置の感度が向上し、より確実なリモートセンシングが可能になる。
▲２▼ 送受信コイル内に配置できない試料を、送受信コイル外配置したままで効果的に同定・検知できる。
▲３▼ 前項▲１▼、▲２▼の効果により、従来に比してより深く埋設された地雷の探知が可能になり、又同じ深さに埋設された地雷に対しては、より正確に探知できるようになる。
▲４▼送受信コイル外にある対象物に対して従来装置と同等の感度を得る場合相対的に電力が小さくてよく、その分装置も小型になり、安価にできる。すなわち、本発明は、ＮＱＲによる同定・検知装置において、送受信コイルを円錐形状ないし円錐台形状コイルに設計したことにより、従来技術に比し送受信感度が飛躍的に向上し、これによって今後、物質の特定操作は、従来のようにコイル内に配置することから解放され、その利用の態様に広がりができたものであり、これによって産業の発展に大いに寄与することは勿論、世界的に期待されている地雷の撤去にも大いに貢献することが期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】核四極子共鳴同定・検知装置の構成を示すブロック図。
【図２】対象物としてのＨＭＴ試料のＮＱＲ信号の時間的変化を示すグラフ。
【図３】図２のＮＱＲ信号を解析装置によりフーリエ変換することによって得られたＮＱＲスペクトル。
【図４】ソレノイドコイルと対象物の大きさと位置関係を示す図。
【図５】円錐形状ないし円錐台形状の送受信コイルと対象物の大きさと位置関係を示す図。
【符号の説明】
１：発振器 ２：増幅器
３：同調・整合器 ４：送受信コイル
５：受信機 ６：検波器
７：解析器 ８：ＨＭＴ試料
９：ラジオ波 １０：ＮＱＲ信号

Claims (6)

1. パルス核四極子共鳴装置を用いた物質の同定・検知方法において、前記パルス核四極子共鳴装置で発生させた高周波パルスを検知対象物に対してラジオ波として照射するコイル、または前記対象物が前記ラジオ波の励起を受けて発する核四極子共鳴波を受信するコイル、あるいはそれらの兼用コイルとして対象物に向かってその直径を漸減する円錐形状ないし円錐台形状に捲かれた構造に設定されたコイルを使用することを特徴とした、パルス核四極子共鳴装置を用いた物質の同定・検知方法。
2. 前記円錐形状ないし円錐台形状に構成した送信コイルまたは受信コイル、あるいはそれらの兼用コイルの先端部をコイル外に配設された対象物に指向せしめ、対象物へのパルス状の励起電磁波の照射、または対象物からの核四極子共鳴信号の受信を行い、コイル外に配設された対象物の同定、検知を行い得るようにしたことを特徴とする、請求項１記載のパルス核四極子共鳴装置を用いてなる物質の同定・検知方法。
3. 該パルス核四極子共鳴装置を用いてなる物質の同定・検知方法が、専ら地雷等爆発物の探査のために利用されることを特徴とした、請求項１又は２記載のパルス核四極子共鳴装置を用いてなる物質の同定・検知方法。
4. パルス核四極子共鳴を用いた物質の同定・検知装置において、前記同定・検知装置の発振器で発生させた高周波パルスを、同定し、検知しようとする対象物に対してラジオ波として照射するコイル、または前記ラジオ波の励起を受けて対象物から発せられる核四極子共鳴波を受信するコイル、あるいはそれらの兼用コイルとして、対象物に向かってその直径を漸減する円錐形状ないし円錐台形状に捲かれた構造のコイルに設定することを特徴とした、パルス核四極子共鳴装置を用いてなる物質の同定・検知装置。
5. 前記円錐形状ないし円錐台形状に構成した送信または受信コイル、あるいはそれらの兼用コイルの先端部をコイル外に配設された対象物に指向せしめ、対象物へのパルス状の励起電磁波の照射または対象物からの核四極子共鳴信号の受信を行い、コイル外に配設された対象物の同定、検知を行い得るようにしたことを特徴とする、請求項４記載のパルス核四極子共鳴装置を用いてなる物質の同定・検知装置。
6. 該パルス核四極子共鳴装置を用いてなる物質の同定・検知装置が、専ら地雷等爆発物の探査のために利用されることを特徴とした、請求項４又は５記載のパルス核四極子共鳴装置を用いてなる物質の同定・検知装置。

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