JP2006510033A - 放射線撮影装置 - Google Patents
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Abstract
本発明は、放射線撮影装置に関するものである。この装置は、重水素−重水素間のまたは重水素−三重水素間の核融合反応によって生成された実質的に単一エネルギーの高速中性子を生成するための中性子線源であるとともに、シールされたチューブ状のまたは同様の態様の中性子線源を具備している。装置は、さらに、撮影対象をなす対象物を実質的に透過し得る程度に十分なエネルギーを有したＸ線源またはガンマ線源と、中性子線源とＸ線源とガンマ線源とを包囲するコリメート用ブロックであるとともに、実質的に扇型形状でもって放射させるための１つまたは複数のスロットが形成されているような、ブロックと、を具備している。さらに、線源から放射された放射エネルギーを受領しさらにその受領したエネルギーを光パルスへと変換する複数のシンチレータ画素を備えた検出器アレイを具備している。
Description
本発明は、放射線撮影装置に関するものである。特に、本発明は、隠された物品や物質や材料を検知用の放射線撮影装置に関係がある。例えば、本発明は、例えば航空機手荷物や航空貨物や運送用コンテナといったような入れ物の中に隠匿されたような、武器や爆発物や密輸品や麻薬や他の物品や物質や材料を検出することに、応用することができる。
Ｘ線やガンマ線や中性子線に基づいた技術が、上記課題に取り組むために、提案された（ Hussein, E.氏、１９９２年；Gozani, T.氏、１９９７年；An, J.氏他、２００３年）。最も広く採用された技術は、Ｘ線スキャナである。このＸ線スキャナにおいては、Ｘ線源から、入れ物を通して、空間的にセグメント化された検出器へと到達するような、Ｘ線の透過を測定することにより、被検査対象物のイメージを形成する。Ｘ線は、例えば金属といたような稠密でありかつより高い原子番号の材料によって、最も強く減衰する。したがって、Ｘ線スキャナは、例えば銃やナイフや他の武器といったような物品の検知に関し、理想的である。しかしながら、Ｘ線は、有機物質と無機物質との間の識別力をほとんど有していない。Ｘ線を使用した場合には、例えば爆発物や麻薬といったような不法の有機物質と、通常的に使用されている悪意のない有機物質とを、区別することができない。
パレット上で荷造りされた商品の検査のために、元素同定システムが、開発されている。NELIS（Neutron Elemental Analysis System）と称されるシステムにおいては、１４ＭｅＶの中性子発生源と３つのガンマ線検出器とを使用することによって、積荷から誘起されたガンマ線を測定する（Dokhale, P.A.氏他、２００１年；Barzilov, A.P.氏、
Womble, P.C.氏、および、Vourvopoulos, G.氏、２００１年）。NELIS は、イメージ形成システムでなく、Ｘ線スキャナと一緒に使用されて、全体的な組成物の異常を識別することを補助する。
Womble, P.C.氏、および、Vourvopoulos, G.氏、２００１年）。NELIS は、イメージ形成システムでなく、Ｘ線スキャナと一緒に使用されて、全体的な組成物の異常を識別することを補助する。
パルス型高速中性子分析（Pulsed Fast Neutron Analysis、PFNA）積荷検査システムが、開発され（Gozani, T.氏、１９９７年；Sawa氏他、１９９１年）、Ancore株式会社によって市販されている。PFNAシステムにおいては、ナノ秒パルスの高速中性子からなるコリメートされたビームを使用し、得られるガンマ線スペクトルを測定する。PFNA方法においては、測定対象をなす重要な有機物質間の比率を測定することができる。ナノ秒パルスの高速中性子は、飛行時間分光測定法によってガンマ線信号に寄与している特定領域を位置決めするために、必要とされている。実際には、この技術は、粒子加速器が非常に高価で複雑であることによって、中性子源の強度が制限されていることによって、ガンマ線検出効率が低いことによって、さらに、走査速度が遅いことによって、制限されている。
中性子線撮影システムは、透過した中性子線を直接的に測定するという利点を有しており、そのため、例えば中性子線によって誘起されたガンマ線を測定するといったような二次的な放射線を測定する技術と比較して、より効率的である。高速中性子線撮影装置は、対象物の視野方向『有機物イメージ』を決定する可能性を有している（Klann 氏、１９９６年）。Ｘ線とは異なり、中性子線は、有機材料によって、特に高い水素含有量を有した有機材料によって、最も強く減衰する。
PFNAを補足するため、Rynes 氏他によって、高速中性子とガンマ線との双方を使用した放射線撮影システムが開発された（１９９９年）。このシステムにおいては、加速器から放出されたナノ秒パルスの高速中性子とガンマ線とが、対象物を透過し、検出された中性子線信号とガンマ線信号とが、到着時刻によって分離される。得られたシステムは、Ｘ線撮影装置の利点とPFNAシステムの利点との双方を組み合わせることを主張している。しかしながら、この手法は、非常に高価で複雑な粒子加速器によって制限されている。
Bartle氏（１９９５年）は、高速中性子およびガンマ線透過技術（Millen氏他、１９９０年）を使用することにより、荷物などにおける密輸品の存在を検出することを提案した。しかしながら、この技術は、イメージの形成を行うものではなく、密輸品検出に対する実用的な適用は、追求されなかった。
Mikerov, V.I. 氏他（２０００年）は、１４ＭｅＶ中性子発生源と発光スクリーン／ＣＣＤカメラ検出システムとを使用したような高速中性子放射線撮影装置の可能性を追求した。Mikerov 氏は、高速中性子用の２ｍｍという厚い発光スクリーンの検出効率が低いことと、中性子発生源によって生成されたＸ線に対してスクリーンが過敏であることと、の両方によって適用が制限されていることを見出した。
１４ＭｅＶ中性子源と熱中性子検出とを使用する中性子線撮影システムは、市販されている（Le Tourneur, P.氏、Bach, P.氏、および、Dance, W.E.氏、１９９８年）。しかしながら、放射線撮影を行うに先立って、高速中性子が遅くなるという（熱中性子化される）という事実は、撮影対象をなす対象物のサイズを、数ｃｍへと制限する。高速中性子検出を行っているような高速中性子放射線撮影システムは、市販されていない。
中性子線撮影に関して行われた最も多くの研究は、原子炉あるいは粒子加速器からの中性子線を使用して研究室で行われたものであり、これは、飛行機荷物を取り扱うような用途には不向きである（Lefevre, H.W.氏他、１９９６年；Miller, T.G. 氏、１９９７年；Chen, G.氏および Lanza, R.C.氏、２０００年；Brzosko, J.S. 氏他、１９９２年）。
高速中性子放射線撮影システムの能力を向上させて、様々な有機物質間における識別を可能とするために、複数の中性子線エネルギー源と、様々な中性子線エネルギーを識別し得る手段を備えた検出器と、を使用したシステムが、提案された（Chen, G. 氏および Lanza, R.C.氏、２０００年；Buffler氏、２００１年）。これらのシステムの重大な欠点は、複雑であるようなエネルギー識別型中性子検出器を使用していること、および／または、複雑であるような高エネルギー加速器に基づいた中性子源を使用していること、である。
Perion氏他(Perion 氏、２０００年）は、高エネルギー（ＭｅＶ）のＸ線制道放射または放射性同位体発生源を使用したスキャナを提案した。小さな原子番号のフィルタを急速に挿入して除去することにより、あるいは、検出されたＸ線のエネルギーを測定することにより、Ｘ線源の平均エネルギーを変調することによって、２つのＸ線エネルギーに関して走査される対象物の透過を測定することが可能である。１つは、コンプトン散乱が支配的であり、他は、対生成が重要である。この情報を使用することにより、走査イメージの各画素内における材料の密度および平均原子番号を決定することができる。この手法の主な欠点は、たとえ非常に高エネルギーのＸ線源を使用した場合であっても、異なる元素間でのコントラストが低いことである。また、Perion検出器アレイのコストは、非常に高いものである。これに代えて、Perion氏は、Ｘ線と中性子線（制道放射ターゲット内で直接的に生成された、あるいは、中性子線生成フィルタの挿入により生成された）との双方の透過の測定によって、同様の情報がもたらし得ることを提案している。この手法の主要な欠点は、反応によって（ガンマ、ｎ）生成された中性子線のエネルギーが小さいことである。これは、中性子線が厚い積荷に侵入するという能力を制限し、透過した中性子線を適切に検出する際の困難さを増大させる。特に、開示された積層型のシンチレータ検出器では、はるかに強度の大きなＸ線ビームの存在下であると、中性子線を識別し得ないものと考えられる。２重のエネルギーのＸ線を使用する手法と、Ｘ線／中性子線を使用する手法と、に共通した欠点は、Ｘ線と中性子線とが広範囲のエネルギーをカバーすることである。これは、単純な指数関数的関係を使用して透過をモデル化することができないこと、および、材料認識のために使用し得るような定量的横断面情報を容易には抽出氏得ないこと、を意味している。
Bartle, C.M.氏による“Method and apparatus for detectingconcealed substances”と題する米国特許第５，４７９，０２３号明細書（１９９５年１２月２６日）
Perion, D.氏他による“System for differentiating betweenorganic and inorganic materials” と題する国際公開第００／４３７６０号パンフレット
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Tickner, J.R.氏および Sowerby, B.D.氏による“A DetectionSystem”と題するオーストラリア国特許予備出願第２００２／９５３２４４号明細書（出願日：２００２年１２月１０日）
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本発明は、放射線撮影装置に関するものであって、
重水素−重水素間のまたは重水素−三重水素間の核融合反応によって生成された実質的に単一エネルギーの高速中性子を生成するための中性子線源であるとともに、シールされたチューブ状のまたは同様の態様の中性子線源と；
撮影対象をなす対象物を実質的に透過し得る程度に十分なエネルギーを有したＸ線源またはガンマ線源と；
中性子線源とＸ線源とガンマ線源とを包囲するコリメート用ブロックであるとともに、実質的に扇型形状でもって放射させるための１つまたは複数のスロットが形成されているような、ブロックと；
線源から放射された放射エネルギーを受領しさらにその受領したエネルギーを光パルスへと変換する複数のシンチレータ画素を備えた検出器アレイであるとともに、コリメート用ブロックからコリメートされて放射された扇型形状の放射ビームに対して位置合わせされており、これにより、線源からの検出器アレイへと直接的に透過してきた放射のみを受領し得るものとされた、検出器アレイと；
シンチレータによって生成された光パルスを電気信号へと変換するための変換手段と；
線源と検出器アレイとの間を通して対象物を搬送するための搬送手段と；
電気信号に基づいて中性子線の減衰およびＸ線またはガンマ線の減衰を決定するとともに、線源と検出器アレイとの間に位置した対象物の質量分布および組成を表す出力信号を生成するための、計算手段と；
対象物の質量分布および組成に基づいたイメージを表示するためのディスプレイ手段と；
を具備している。
重水素−重水素間のまたは重水素−三重水素間の核融合反応によって生成された実質的に単一エネルギーの高速中性子を生成するための中性子線源であるとともに、シールされたチューブ状のまたは同様の態様の中性子線源と；
撮影対象をなす対象物を実質的に透過し得る程度に十分なエネルギーを有したＸ線源またはガンマ線源と；
中性子線源とＸ線源とガンマ線源とを包囲するコリメート用ブロックであるとともに、実質的に扇型形状でもって放射させるための１つまたは複数のスロットが形成されているような、ブロックと；
線源から放射された放射エネルギーを受領しさらにその受領したエネルギーを光パルスへと変換する複数のシンチレータ画素を備えた検出器アレイであるとともに、コリメート用ブロックからコリメートされて放射された扇型形状の放射ビームに対して位置合わせされており、これにより、線源からの検出器アレイへと直接的に透過してきた放射のみを受領し得るものとされた、検出器アレイと；
シンチレータによって生成された光パルスを電気信号へと変換するための変換手段と；
線源と検出器アレイとの間を通して対象物を搬送するための搬送手段と；
電気信号に基づいて中性子線の減衰およびＸ線またはガンマ線の減衰を決定するとともに、線源と検出器アレイとの間に位置した対象物の質量分布および組成を表す出力信号を生成するための、計算手段と；
対象物の質量分布および組成に基づいたイメージを表示するためのディスプレイ手段と；
を具備している。
本発明の利点は、中性子線が実質的に単一エネルギー的であるということである。したがって、単純な指数関数的な関係を使用して、中性子線透過をモデル化することができる。さらに、材料認識に役立つ情報が、より正確に得られる。
本発明の少なくとも１つの実施形態による装置は、透過した中性子線の直接測定という追加的な利点を有しており、したがって、例えば中性子線によって誘起されたガンマ線といったような二次的放射線を測定するような従来技術システムと比較した場合、はるかに効率的である。
放射線撮影装置は、１つ以上の中性子線エネルギーを利用することができる。２つの中性子線エネルギーを使用するという例においては、放射線撮影装置は、２つのチューブを使用することができる。すなわち、一方のチューブは、重水素−三重水素間のム核融合反応によって実質的に１４ＭｅＶという中性子線を生成し、他方のチューブは、重水素−重水素間の核融合反応によって実質的に２．４５ＭｅＶという中性子線を生成する。第２エネルギーの中性子線透過の測定を使用することにより、単一のエネルギー透過を行う技術の能力を増強することができる。
Ｘ線またはガンマ線源は、撮影対象をなす対象物内を実質的に透過し得るに十分であるようなエネルギーを有した、６０Ｃｏあるいは １３７Ｃｓといったような放射性同位体放射源を備えることができる。６０Ｃｏあるいは １３７ＣｓＸ線源は、約１ＭｅＶというエネルギーを有することができる。しかしながら、Ｘ線源に応じて、他のエネルギーを使用することもできる。これに代えて、Ｘ線管または電子リニア加速器を使用することによって、制道放射を生成するができる。
Ｘ線またはガンマ線源と中性子線源との双方のコリメートは、有利には、散乱を最小化するよう機能する。さらに、放射線源と検出器との双方を適切にコリメートすることにより、ビーム形状を狭いものとすることができ、これにより、対象物に通しての中性子線とガンマ線との減衰を決定する場合に、高い精度を保証することができる。さらに、大いにコリメートされた扇形のビームは、放射線安全性を増大させる。コリメート用ブロックは、厚いパラフィンや、厚いコンクリートや、鉄塊コンクリートシールドブロックや、スチールや、鉛、等から形成することができる。同様に、各検出器アレイは、検出器シールド内に収容することができ、検出器シールドには、コリメート用のスロットを形成することができる。検出器のコリメート用シールドは、鉄から形成することができ、約１００ｍｍ以上の厚さとすることができる。スロットの幅は、放射線源からの中性子線またはガンマ線を検出器に向けて直接的に通過させ得るものとされ、検出器アレイを散乱放射線から保護することができる。検出器スロットは、検出器アレイとほぼ同じ幅のものとすることができる。線源のコリメート用スロットは、より狭いものとすることができる。
検出器アレイは、複数のシンチレータ画素からなる１つ以上の行を備えることができる。
同じ検出器アレイによって、中性子線と、Ｘ線またはガンマ線と、の双方を検出することができる。エネルギー的識別を使用することによって、信号を識別することができる。あるいは、検出器を、中性子線と、Ｘ線またはガンマ線と、に関して、交互的に動作させることができる。中性子線とＸ線またはガンマ線との検出に際して同一の検出器アレイを使用することの利点は、検出器アレイに要するコストを低減し得ることである。
付加的には、個別の検出器アレイを使用することによって、中性子線と、Ｘ線またはガンマ線と、をそれぞれ個別に検出することができる。その際、中性子線用の検出器コリメータと、Ｘ線またはガンマ線用の検出器コリメータとは、個別的なものとすることも、また、同一のものとすることも、できる。
シンチレータは、それらのスペクトル感度がフォトダイオードに緊密に一致するように、選択することができる。さらに、シンチレータは、各シンチレータの少なくとも一部をカバーするために、マスクによって囲むことができる。各マスクは、シンチレータ内へと戻ってくる逸脱した光パルスを反射させ得るような、第１反射表面を有する。マスクは、フォトダイオードによって検出されるシンチレータ光を通すための開口を有している。マスクは、ＰＴＦＥテープ、および／または、Ｔｙｖｅｋ（登録商標）紙からなる層を備えることができる。有利には、中性子線用のマスクを備えたプラスチック製シンチレータの効率は、１０％以上とすることができる。シンチレータを囲む材料は、シンチレータへと戻ってきた散乱光を確実に反射させて、検出させないことである。各検出器アレイがオレンジ色の発光性プラスチック製シンチレータとシリコン製フォトダイオードとを備えている例においては、装置は、より大きな効率を有しており、イメージ収集を迅速に行うことができて、有利である。さらに、装置は、比較的より安いコストで製造することができる。
シリコーンオイルや、ＧＥ−６８８グリース（登録商標）や、ポリシロキサンや、例えばＥｌｊｅｎ ＥＪ−５００セメント（登録商標）といったような光学的セメント、等を使用することにより、フォトダイオードとそれぞれ対応するシンチレータとを光学的に接続することができる。
放射線撮影装置が、中性子線とＸ線またはガンマ線との双方を検出し得るような単一の検出器アレイを備えている場合には、シンチレータは、プラスチック製シンチレータまたは液体シンチレータとすることができる。
放射線撮影装置が２つの中性子線源とＸ線源またはガンマ線源とを備えているような他の例においては、シンチレータは、プラスチック製シンチレータまたは液体シンチレータとすることができる。この例においては、シンチレータは、光電子増倍管に対して接続することができる。
放射線撮影装置が個別の中性子線用検出器アレイとガンマ線用検出器アレイとを備えているような場合には、中性子線シンチレータは、好ましくは、プラスチック製シンチレータあるいは液体シンチレータとすることができ、ガンマ線シンチレータは、プラスチック製シンチレータ、または、液体シンチレータ、または、例えばヨウ化セシウムやヨウ化ナトリウムやあるいはゲルマニウム化ビスマスといったような無機物製シンチレータ、とすることができる。これに代えて、Ｘ線検出器あるいはガンマ線検出器は、イオン化チャンバとすることができる。
各シンチレータの放射線受領面、すなわち、各シンチレータの『エリア』は、単一の画素に対応している。各シンチレータのエリアは、典型的には、およそ２０ｍｍ×２０ｍｍよりも小さいものとすることができる。エリアが小さいほど、空間的解像度が向上する。
各シンチレータの厚さは、５０〜１００ｍｍという範囲とすることができ、検出効率および光収集効率に応じたものとすることができる。イメージ形成の対象物が、空港環境内において典型的に使用されるものといったようなユニットロードデバイスすなわちＵＬＤであるような例においては、シンチレータがなすアレイの放射受領面は、およそ１２０ｍｍ×３３００ｍｍという寸法を有することができ、約１０００個の画素を備えることができる。中性子をおよそ１０１０個／秒で放出する１４ＭｅＶの中性子源エネルギーと組み合わされた時には、単一のＵＬＤの内容物は、約１分という時間で、イメージ形成することができる。
これに代えて、個別の中性子線シンチレータとガンマ線シンチレータとを使用することができる。その場合、例えば、約１０００個の中性子線画素と、約５００個のガンマ線画素と、が使用される。実際上、ガンマ線画素は、中性子線画素より小さなものとして、形成することができる。これにより、有利には、より大きな解像度の空間的イメージをもたらす。
他の例においては、変換手段は、光電子増倍管と波長シフト光ファイバー（ＷＳＦ）とを備えることができる。この例においては、シンチレータロッドの列または行からの光は、ＷＳＦによって集めることができ、マルチアノード型の光電子増倍管へと伝達することができる。光パルスを生成している行および列を場所指定することによって、放射線を遮断しているシンチレータロッドを決定することができる。
変換手段は、出力信号を増幅し得るよう、低ノイズかつ高ゲインのアンプを備えることができる。変換手段は、コンピュータを備えることができ、コンピュータは、イメージ処理を行って、コンピュータスクリーン上にイメージを表示することができる。
検出器は、ノイズを低減し得るようまた安定性を改善し得るよう、温度を制御することができる。例えば、フォトダイオードおよびプリアンプは、約−１０℃あるいはそれ以下にまで、冷却することができる。
一例においては、イメージ形成対象をなす対象物を走査する際に、１つ以上の出力が、例えば、対象物を通しての１４ＭｅＶ中性子線の透過の測定と、対象物を通しての１ＭｅＶのＸ線あるいはガンマ線の透過の測定と、によって、得られる。２つのエネルギーの中性子線で走査する場合には、対象物を通しての２．４５ＭｅＶ中性子線の透過が、さらに測定される。本発明は、これら特定のエネルギー値の使用に限定されるものではない。
Ｘ線源またはガンマ線源および中性子線源から放射線エネルギーを受け取るために単一の検出器アレイが使用される場合には、対象物は、二度以上にわたって走査することができる。
Ｘ線源またはガンマ線源および中性子線源から放射線エネルギーを受け取るために互いに個別の検出器アレイが使用される場合には、出力信号は、第１シンチレータアレイからの第１出力と、第２シンチレータアレイからの第２出力と、を有することができる。この場合、第１出力は、検出器の各画素位置の中性子線カウント速度に関連するものであり、第２出力は、検出器の各画素位置のＸ線またはガンマ線のカウント速度に関連するものである。
各入力信号は、別々に処理することができる。各画素に関して、単純なシンチレーションスペクトルを個別的に収集することができ、これにより、各画素に関して、中性子線やＸ線やガンマ線のカウント速度を決定することができる。その後、情報に基づいて、完全な２次元の中性子線イメージと、完全な２次元のＸ線またはガンマ線イメージと、を形成することができる。得られたイメージは、鉛直方向の解像度が、画素サイズによって支配され、水平方向の解像度が、画素サイズと、アレイが読み取られる周波数と、によって支配されている。
コンピュータは、さらに、自動的な材料認識を行うことができる。例えば、透過出力は、コンピュータスクリーン上への表示のために各画素に関し、質量減衰係数イメージへと変換することができる。その場合、様々な画素値に対して、それぞれ対応するカラーを付与することができる。特に、質量減衰係数イメージは、１４ＭｅＶ中性子線の透過とＸ線またはガンマ線の透過とによって測定されたカウント速度に基づいて、あるいは、１４ＭｅＶ中性子線の透過と２．４５ＭｅＶ中性子線の透過とＸ線またはガンマ線の透過とによって測定されたカウント速度に基づいて、得ることができる。
質量減衰係数イメージの分析は、様々な無機材料および有機材料の識別を可能とする。そのような分析は、対をなす質量減衰係数イメージどうし間の断面積比イメージを形成することにより、行うことができる。１つの中性子線源が使用されているかあるいは２つの中性子源が使用されているかどうかに応じて、断面積比イメージは、中性子線源およびＸ線源またはガンマ線源の質量減衰係数イメージに基づいて、あるいは、第１および第２中性子源およびＸ線源またはガンマ線源の質量減衰係数イメージに基づいて、形成することができる。例えば、１４ＭｅＶ中性子線源およびＸ線源またはガンマ線源を使用して、あるいは、１４ＭｅＶ中性子線源と２．４５ＭｅＶ中性子線源とＸ線源またはガンマ線源とを使用して、形成することができる。有利には、そのような比は、対象物の質量に依存しない。
断面積比イメージどうしを組み合わせる割合は、イメージ内において検査されるべき特定の対象物に対するコントラストおよび感度を最大化し得るように、操作者によって調整することができる。
２つの断面積比イメージの一次結合によって、イメージを形成することができる。
イメージ内における２つの領域であるとともに、双方の領域が第１物質を備え、なおかつ、一方の領域だけが第２物質を備えている場合、これら領域を識別することができる。断面積の引き算を行うことによって、第１物質のイメージを、効果的に除去することができる。これにより、第２物質のイメージを残して、識別に利用することができる。第２物質の質量は、Ｘ線あるいはガンマ線による透過データから得ることができる。
一例においては、中性子線源および検出器が静止状態とされ、搬送手段が、中性子線源およびガンマ線源の前方にわたって、対象物を搬送する。他の例においては、対象物が静止状態とされ、搬送手段が、放射線源および検出器アレイを、対象物の両サイドにわたって同期的に移動させる。さらに他の例においては、複数組をなす検出器が、中央に配置された線源の周囲に配置され、これにより、複数の対象物を同時に走査し得るようになっている。これは、処理能力の改善という利点をもたらす。そのような例においては、搬送手段は、中性子線源とそれぞれ対応する検出器との間を通して対象物を移動させ得るように、構成される。これに代えて、放射線源と検出器とは、被検査対象物の周囲にわたって回転可能とされ、これにより、様々な角度からの測定を行い得るようになっている。
対象物が中性子線源の前方を移動し得る速度は、あるいは、対象物が中性子線源とＸ線源あるいはガンマ線との前方を移動し得る速度は、部分的には、中性子線源の強度とガンマ線源の強度とに依存する。１４ＭｅＶという単一の中性子線源の強度は、１０１０個／秒の程度とすることができる、あるいは、実用的に可能な大きな値とすることができる。これにより、カウント操作を改良することができる。
対象物が中性子線源とＸ線源あるいはガンマ線との前方を移動し得る速度は、また、シンチレータアレイの放射線受領面と、シンチレータの数と、に依存する。加えて、アレイの長さは、部分的には、イメージ形成対象をなす対象物の長さに依存する。
対象物は、中性子線源とガンマ線源と検出器との間を通して走査することができ、シールドされたトンネルを通り抜けさせることができる。搬送手段は、一対をなすレールを備えることができる。これらレールを使用して、対象物を搬送し得る台車またはプラットホームを配置することができる。これに代えて、搬送手段は、トンネルを通して対象物を搬送したりまたは吊り上げたりするための、コンベヤベルト等を備えることができる。搬送手段は、自動化することができ、これにより、対象物を、制御可能な一定速度でもって、中性子線源の前方にわたって、滑らかに搬送することができる。
本発明は、船便貨物や、航空貨物のユニットロードデバイス（ＵＬＤ）や、より小さなコンテナや、パッケージ、に対して適用することができ、密輸品や、爆発物や、他の物品や物質や材料、を検出することができる。本発明は、大部分が無機材料とされた中に隠された有機物質といったような密輸物質の特定能力を向上させることができ、また、特定のクラスの有機材料を、検出したり識別したりすることができる。本発明は、特に、航空機手荷物や航空貨物コンテナや輸送用コンテナ内に隠された爆発物や麻薬や他の密輸品の検出に適している。
本発明の少なくとも１つの実施形態における他の利点は、中性子線を生成するための中性子線源の使用を、オンオフ切り替えし得ることである。
また、本発明は、検査過程の自動化を促進し得るものであり、人間の操作者に対する依存性を低減させる。
さらに、本発明は、高速操作を行うことができる。これにより、大きな処理速度を達成することができる。本発明は、単純であり、低コストであり、さらに、安全な放射線源を使用する。そのため、本発明は、単純でありかつ低コストであるような放射線検出システムを提供する。本発明は、大きな検出速度でもって、なおかつ、小さな誤認確率でもって、動作することができる。
以下、本発明のいくつかの実施形態につき、添付図面を参照しつつ説明する。
図１は、放射線撮影装置１０の全体的なレイアウトを図示している。装置１０は、互いに個別の２つの放射線源を備えている。第１の放射線源は、MF Physics社による A-325型の中性子線源であって、Ｄ−Ｔ中性子放出モジュールを備えており、１４ＭｅＶというエネルギーを有した中性子線エネルギー源１２を形成している。この中性子線源は、８０〜１１０ｋＶという電圧で動作する。第２の放射線源は、０．８２ＧＢｑ（あるいは、２２ｍＣｉ）という６０Ｃｏ源１４であって、ガンマ線源を構成するものであり、中性子源に対して隣接してかつ右側に位置して、配置されている。中性子線源１２および６０ＣｏＸ線源１４は、放射線源シールドハウジング１６内に配置されいる。
１６００ｍｍ長さかつ２０ｍｍ幅の検出器アレイ１８が、放射線源の近くに配置されており、検出器シールドハウジング２０内に収容されている。検出器アレイ１８は、図２においてより明瞭に示すように、８０個のプラスチック製から構成されている（８０個のうちの一部分だけが図示されている）。各シンチレータロッド１９は、放射線受領面積が２０ｍｍ×２０ｍｍであり、長さが７５ｍｍである。各シンチレータロッド１９の放射線受領面積は、イメージフレーム内における単一の画素に対応している。イメージフレームという用語は、所定時間間隔にわたって集積された各画素内でのカウント数からなる二次元配列について記述するために使用されている。シンチレータロッド１９は、オレンジ色のプラスチック製のシンチレータから形成されている。これにより、それぞれのプラスチック製シンチレータに対してシリコン製フォトダイオード２１のスペクトル応答を適合させることができる。フォトダイオード２１は、光学的セメントを介して、それぞれ対応するシンチレータ１９に対して光学的に連結されている。反射性マスクが、オレンジ色のシンチレータロッドおよびフォトダイオードとの各組合せに対して塗布されている。これにより、シンチレータロッドから逸脱しようとするすべての光の損失を最小化することができる。
第１実施形態においては、入射した中性子線やＸ線やあるいはガンマ線によってロッド１９内に生成されたシンチレーション光は、ロッド１９の端部に取り付けられたフォトダイオード２１によって検出される。第１の変形例においては、シンチレータロッドの列または行からの光は、波長シフト光ファイバーによって収集され、フォトダイオードに対して伝達される。光パルスを生成する列および行を指標付けすることによって、放射線を遮断しているシンチレータロッドを決定することができる。第２の変形例においては、様々なシンチレータロッドからの光を、波長シフト光ファイバまたは透明な光ファイバーによって収集し、位置認識可能なフォトダイオードに対してあるいは多重陽極光電子増倍管に対して伝達する。これにより、単一の検出器によって、多数のシンチレータロッドからの情報を読み取ることができる。第３の変形例においては、シンチレータロッドのいくつかの列または行からの光を、波長シフト光ファイバーによって収集し、位置認識可能なフォトダイオードあるいは多重陽極光増倍管へと伝達する。光パルスを生成する列および行を指標付けすることによって、放射線を遮断しているシンチレータロッドを決定することができる。
それぞれのフォトダイオード２１が内部ゲインを有していないので、信号調整用電子回路２３は、互いに協働して使用されるプリアンプとゲインの大きなアンプとを備えている。これにより、中性子線とガンマ線との双方に関する出力信号を増幅することができる。
装置１０は、幅が最大で２．５ｍでありかつ高さが１．７ｍであるようなＵＬＤ２８を備えている。イメージの形成対象をなす各ＵＬＤ２８は、プラットホーム３０上に設置されている。プラットホーム３０は、一対をなすトラック３２に対して係合するランナーを有している。実際、空港においては、空港周辺にわたってＵＬＤを輸送するために使用されるそれぞれの台車上に搭載された状態で、ＵＬＤを走査する。ＵＬＤとその台車とは、プラットホーム上を駆動させることができ、プラットホームに対しては、既知の速度で放射線ビームを横断させることができる。これは、空港でのＵＬＤの取扱いを最小化する。
トンネル３４の形態とされたさらなるシールドが、設けられている。トンネル３４は、装置が両端にドアを備えていなくても動作し得るよう、十分に長いものとされている。これにより、装置１０を通り抜けるＵＬＤの数が最大化される。
コリメートのためのスリット（図示せず）が、放射線源と検出器シールドとに、形成されている。それらスリットは、放射線源１２，１４から放射線検出器１８に向けて、放射線ビームを扇形でもって案内するよう機能する。検出器のコリメート用スリット３８および検出器１８は、トンネル３４の高さ全体にわたって延在している。シールド３４の側面には、スロット（図示せず）が形成されており、コリメート用スリットと協働して、放射線源１２，１４から放射線検出器１８に向けて放射線を通過させる。
放射線シールド１６，２０，３４の各々は、ガンマ線と中性子線との双方を減衰させさらに吸収する。シールドとして使用される材料には、コンクリートや、鉄や、ポリエチレン、がある。放射線シールド１６，２０，３４は、装置の操作者やあるいは装置の近辺にいる他の人を、放射線から保護する。
動作時には、イメージ形成対象をなす対象物が、プラットフォーム３０上に搭載される。その後、プラットホーム３０を、トンネル３４を通してモータによって駆動する。ここで説明する実寸大の試作品のスキャナにおいては、プラットフォーム３０は、典型的には、１０ｍｍという増分に約４０秒を要するような速度でもって、駆動された。これは、０．２５ｍｍ／秒という速度に対応している。したがって、ＵＬＤ全体のイメージを収集するには、約２時間半という時間を必要とする。実際、ＵＬＤが装置を通って移動する速度は、中性子源の強度を増大させることによって、また、検出器アレイの放射線受領面積を増大させることによって、１００以上にわたって増大させることができる。
対象物がトンネル３４を通過する際に、シンチレーションスペクトルが、８０個の画素アレイの各要素によって個別的に収集される。プラットフォーム３０が１０ｍｍだけ移動するたびごとに、これらスペクトルが読み取られてリセットされる。そして、そのスペクトルを使用することによって、各画素ごとに、中性子線のカウント速度とガンマ線のカウント速度とが決定される。その後、各鉛直方向ストリップ内の上方を組み合わせることによって、全体の２次元的な中性子線イメージおよびガンマ線イメージが形成される。
得られたイメージは、画素サイズによって制限されるような２０ｍｍという鉛直方向の解像度と、８０個の画素アレイが読み取る周波数によって制限されるような１０ｍｍという水平方向の解像度と、を有している。後述するように、最終イメージを得るに際してデコンボリューション（分解）操作を行うことにより、走査時のプラットフォーム３０の運動と２０っｍという画素幅との組合せの結果として発生するかもしれないようなすべてのにじみを、修正することができる。
対象物を透過して各イメージ内の特定の画素において検出される中性子線強度およびガンマ線強度を、それぞれＩｎおよびＩｇと仮定し、さらに、対象物が存在しない状態で、透過して各イメージ内の特定の画素において検出される中性子線強度およびガンマ線強度を、それぞれＩ０ｎおよびＩ０ｇと仮定する。
その場合、密度ρおよび厚さｘという対象物を透過しての実質的に単一エネルギー的な高速中性子線の減衰は、次式を使用して計算することができる。すなわち、
Ｉｎ／Ｉ０ｎ ＝ ｅｘｐ（−μ１４ρｘ） …（１）
Ｉｎ／Ｉ０ｎ ＝ ｅｘｐ（−μ１４ρｘ） …（１）
同様に、対象物を透過しての実質的に単一エネルギー的なガンマ線の減衰は、次式を使用して計算することができる。すなわち、
Ｉｇ／Ｉ０ｇ ＝ ｅｘｐ（−μｇρｘ） …（２）
ここで、μ１４は、１４ＭｅＶにおける中性子線の質量減衰係数である。また、μｇ は、ガンマ線の質量減衰係数である。そして、これら質量減衰係数の比は、直接的に計算することができる。すなわち、
Ｒ＝ μ１４／μｇ ＝ ｌｎ（Ｉｎ／Ｉ０ｎ）／ｌｎ（Ｉｇ／Ｉ０ｇ） …（３）
Ｉｇ／Ｉ０ｇ ＝ ｅｘｐ（−μｇρｘ） …（２）
ここで、μ１４は、１４ＭｅＶにおける中性子線の質量減衰係数である。また、μｇ は、ガンマ線の質量減衰係数である。そして、これら質量減衰係数の比は、直接的に計算することができる。すなわち、
Ｒ＝ μ１４／μｇ ＝ ｌｎ（Ｉｎ／Ｉ０ｎ）／ｌｎ（Ｉｇ／Ｉ０ｇ） …（３）
ここで、Ｒは、対象物の組成と直接的に関連しており、種々様々な無機材料や有機材料を識別することを可能とする。
図３および図４は、Ｒが、種々様々な無機材料および有機材料を識別し得る可能性を示している。例えば綿や紙や木といったような主として炭水化物ベースの天然材料や、多くの食品や、例えば羊毛や絹や革といったようなタンパク質ベースの天然材料や、主としてポリマーといったような合成有機材料は、広く識別することができる。図示されるように、例えば陶器やセラミックスや金属物品といったような無機材料は、有機物質と容易に識別することができる。
ガンマ線の場合には、カウント速度が大きいことのために、および、背景散乱が小さいことのために、ガンマ線イメージは、形状や密度に関する大部分の情報を付帯している。イメージ内の各画素に関し、量ｌｎ（Ｉｇ／Ｉ０ｇ） が計算される。この量は、放射線源から当該画素に向けての材料の単位面積あたりの合計質量に比例する。このイメージに対して『メキシカンハット』型の尖鋭化フィルタを適用することにより、対象物の解像度を改良し得るとともに、移動の影響を低減させることができ、さらに、画素サイズのにじみを低減させてイメージの水平方向の解像度を向上させることができる。
中性子線イメージおよびガンマ線イメージの画素ごとの比は、各画素の平均組成に関する情報を付帯している。この情報は、存在している材料の量には依存しない。
中性子線イメージ内におけるカウント値が比較的小さいことのために、組成イメージ内には、多くの画素対画素の雑音が存在する。したがって、５×５画素のガウシアンスムージングフィルタが、イメージに対して適用される。これにより、最終イメージ内における組成情報の解像度が低減するけれども、これによって、約５０ｍｍ以上の寸法を有した対象物の組成のわずかな変化の可視化を著しく増強することができる。
６回の走査に関する結果が、図５〜１０に示されている。グレイスケールイメージは、ガンマ線走査だけに関する結果を示している。そのため、従来のＸ線スキャナによって得られる結果を示している。材料がほとんどない領域あるいは材料が存在していない領域は、白色で示されており、密度の大きな材料は、より濃いグレーで示されている。カラーイメージは、ガンマ線に基づく形状情報および密度情報と、中性子線／ガンマ線の比率イメージからの組成情報と、を組み合わせる。カラーの密度は、材料の密度を示している。すなわち、白色は、介在材料が存在していないことに対応しており、密度の大きな領域は、飽和したカラーで示されている。画素のカラーは、その画素に対するＲ値に対応している。すなわち、小さなＲ値は、青色に対応しており、中間的なＲ値は、青緑から緑色さらには黄色に対応しており、より大きなＲ値は、オレンジ色に対応している。Ｒ値とカラーとの間の正確なマッピングは、各イメージに関して相異している。すなわち、カラースケールは、各場合につき最大の情報を示すために調整される。ＵＬＤ走査に関しては、増強された有機材料イメージも、示されている。これにより、イメージの有機材料領域が強調される。すなわち、黄色から、オレンジ色へと、さらに赤色へと、強調される。
図５ａは、自動二輪車に対してガンマ線走査だけを行った場合の結果を示している。図５ｂは、自動二輪車に関し、ガンマ線による形状情報および密度情報と、中性子線／ガンマ線の比に基づくイメージ走査から得られた組成情報と、を組み合わせて示している。このイメージは、装置の全体的なイメージ形成能力の高さを良好に示している。特に、たとえ２０ｍｍという画素サイズよりかなり小さくても、フロントブレーキケーブル５２といったような詳細な細部が、図５ｂにおいては、明瞭に示されている。自動二輪車の金属フレーム５４およびエンジン５６は、図５ｂにおいては、青色で示されている。一方、ガソリンタンク中の燃料５８や、ゴムタイヤ６０や、プラスチック製シート６２や、プラスチック製ライトは、オレンジ色で示されている。溜め（キックスタンドの直上）の中のオイル６４は、そのまわりの金属と一緒に平均された時に、緑色のパッチとして示されている。これに対し、従来のガンマ線イメージである図５ａにおいては、オイル６４と溜めとをを識別することが困難であるあるいは不可能である。
図６ａ〜図６ｃは、木製の棚上に配置された材料サンプルおよび共通の対象物の選択を図示している。この場合においても、図６ｃに示すように、例えば鉄６６や鉛６８やアルミニウム７０といったような金属は、濃い青色で示されている。例えばコンクリート７２やガラス７４（コンピュータモニター７５中のガラス７４）やセラミック粉末（アルミナ、Ａｌ２Ｏ３）７６といったような中間的材料は、薄い青色で示されている。最後に、ヘロイン７７やメタアンフェタミン７８やコカイン８０やＴＮＴ８２の擬似物といったような有機材料は、材料のＲ値に依存して、緑色からオレンジ色までにわたる様々なカラーで示されている。一番上の棚上に配置されている２つのセラミック製彫像は、一方が鉄塊８４によって充填され、他方が砂糖８６によって充填されたものであり、これらは、密度と組成とによって明瞭に識別することができる。
図７ａ〜図７ｃは、さらなる材料の選択性が示されており、隠蔽された密輸品やアルコールや模擬爆発物や本物の爆発物（データシート）が示されている。３つの中空コンクリートブロックが、棚の上段に配置されている。左側のブロックには、隠蔽された有機材料９４（麻薬代用品）が収容されている。中央のブロックは、空虚である。右側のブロックには、アルミナパウダー９６が収容されている。これらの３つのブロックは、肉厚壁を有したセラミックや陶器の対象物や中空の対象物や空虚な対象物内に麻薬が隠蔽される状況を、単純にモデル化している。図７ｂのガンマ線イメージは、空虚なブロック９５と、充填されたブロック９４，９６と、を明瞭に識別している。しかしながら、麻薬代用品が充填されたブロック９４と、アルミナで充填されたブロック９６と、を区別することはできない。からを分けることができません。これに対し、図７ｃの中性子線イメージは、隠蔽された有機充填物９４を、黄色／オレンジ色のパッチで示すことにより、明瞭なものとしている。棚の中段の左側には、２つの容器が配置されている。一方の容器は、純粋なアルコール９８（メタノール）が充填されており、他方の容器は、水１００（Ｈ２Ｏ） が充填されている。アルコール９８は、より『有機的な』なものとして（よりＲ値の大きなものとして）明瞭に示されており、カラー的には、主にオレンジ色で示されている。水１００は、より小さなＲ値を有したものであって、主に緑色で示されている。同じ棚上において、爆発物の模擬品１０２と実物１０４とが、同じカラーで示されている。このことは、模擬品が、実物の爆発物の良好な代用品であることを示している。棚の下段においては、１２本のガラス瓶が配置されている。このうち、４本のガラス瓶だけが図示されている。２つのガラス瓶は、模擬スピリッツ１０６（４０％のエタノール、６０％の水）で充填され、２つのガラス瓶は、水１０８で充填された。この場合にも、アルコールが含有された瓶１０６は、水１０８（主に青色）と比較して、より高いＲ値（より緑色／オレンジ色）を有したものとして、示されている。これは、図７ｂの中で示される瓶どうしが区別不可能であることとは、対照的である。
図８ａ〜図８ｄ、図９ａ〜図９ｄ、図１０ａ〜図１０ｄは、様々な対象物を収容したＵＬＤに関して、イメージを形成した結果を示している。すべての図において、得られた結果の議論を単純化するため、ＵＬＤの充填は、故意にかなり単純なものとして行った。特に、通常は存在すると思われる大部分のパッキング材料（段ボール、発泡体、ポリスチレン、等）については、省略した。これにより、ＵＬＤ内の対象物を明瞭に見ることができる。実際には、ほとんどのＵＬＤが、より乱雑なものとなることは、理解されるであろう。
図８ａ〜図８ｄは、様々な家庭用電化製品（冷蔵庫１２０、および、いくつかのコンピュータ１２２）と金属部材と中空コンクリートブロック１２４（セラミックパイプまたは中空彫像または置物の代用品）とツールとが充填されたＵＬＤを示している。麻薬１２６の代用としてのプラスチックビーズの２つのパケットが、１つのコンピュータの内部に、および、１つのコンクリートブロックの内部に、隠蔽されている。さらに、プロパンガスシリンダ１２８が、ＵＬＤの内部に隠されている。図８ａは、ＵＬＤスキャナによる写真を示している。図８ｂは、ガンマ線走査のみの結果を示している。いずれの場合においても、麻薬代用品１２６のパケットが、特に明瞭ではない。プロパンガスシリンダ１２８は、その形状に基づいて識別することができる。しかしながら、プロパンガスシリンダ内の内容物をなす有機物質の性質に関しては、明瞭ではない。図８ｃおよび図８ｄにおいては、中性子線／ガンマ線の比Ｒに基づいてカラー表示がなされている。その結果、図８ｃにおいては、無機材料は、青色（麻薬代用品１２６、および、ガスシリンダ１２８）で示されており、有機材料は、オレンジ色（コンピュータ１２２、および、ブロック１２４）で示されている。２つのイメージを互いに組み合わせる際の比率は、操作者によって調節することができる。これにより、有機材料に関するコントラストと感度とを最大化することができ、黄色や赤色によってカラー表示することができる。結果は、図８ｄに示されている。麻薬代用品１２６からなるパケットの双方を、明瞭に認識することができる。
図９ａ〜図９ｄは、２台のコンピュータ１２２の内部に隠されたおよび冷蔵庫１２０の内部に隠された麻薬１２４を備えたＵＬＤを図示している。図８ｂのガンマ線イメージにおいては、上側の２台のコンピュータ１２２が、下側の２台のコンピュータとはわずかに相違して見えるかもしれないけれども、それが、機械の構造に起因する本来的な差異であるかどうかは、明らかではない。しかしながら、図９ｃおよび図９ｄにおいては、麻薬１２４の領域が明るいオレンジ色で示されていることによって、大量の有機材料が存在することのために、差異が存在することは、極めて明瞭である。上側２台のコンピュータ１２２は、パッケージングした麻薬を模擬したプラスチックビーズからなる約１ｋｇのバッグを収容している。これは、コンピュータ構造１２６の残部の青色（無機材料、すなわち、Ｒ値が小さい）とは、対照的である。同様に、図９ｂのガンマ線イメージからは、冷蔵庫１２０に関し、イメージの中心部分の異常が冷蔵庫の構造の一部であるかどうかは、明瞭ではない。しかしながら、図９ｃおよび図９ｄにおいては、異常１２４が、明瞭に有機材料に基づくものであって、冷蔵庫の残部をなす構造（特に、右下のコンプレッサー１２５、および、上部の冷凍庫）とは異なることが明瞭であることは、理解されるであろう。この場合にも、図９ｄの増強された有機材料イメージにおいては、隠された麻薬１２４を、はっきり見ることができる。さらに、ＵＬＤ内の有機材料（とりわけ、顕著に、冷蔵庫１２０の背後の木製棚１２８、および、冷蔵庫１２０の左側の水容器１２７）は、オレンジ色で示されている。
図１０ａ〜図１０ｄは、隠蔽された実物の麻薬（ヘロイン１ｋｇ、および、メタアンフェタミン１ｋｇ）を収容した他のＵＬＤを示している。ヘロイン１３０は、中空コンクリートブロック１３２の内部に隠されている。メタアンフェタミン１３４は、小さな箱の内部に隠されている。この小さな箱は、衣類で満たされたより大きな箱１３６の内部に配置されている。隠された麻薬の有機的な性質は、図１０ｃおよび図１０ｄにおける組成イメージにおけるカラーによって、明瞭である。この場合にも、図１０ｄの増強された有機物イメージは、隠された麻薬１３０，１３４を効果的に露呈させている。特に、コンクリートブロック１３２の内部で黄色で示すことによって、ヘロイン１３０を効果的に露呈させている。メタアンフェタミン１３４が、衣類の箱１３６（自転車１４０のフロントフォークの直後）の中に隠されているとともに、組成の識別は、この場合には、それほど参考にならない。しかしながら、麻薬１３４のパッケージは、その形状と高密度とに基づく潜在的異常性によって、認識することができる。
上述したような放射線撮影装置は、密輸材料を検出して識別するに際して、少なくとも３つの方法で使用することができる。第１に、ガンマ線イメージは、例えばＵＬＤといったような対象物の内部の様々な物品の形状やサイズや密度に関するかなりの情報を提供する。いくつかの疑わしい材料は、この根拠で、識別することができる。特別の例は、中空物品の中のスペースすなわちキャビティの中に隠された麻薬パケットであろう。第２に、中性子線測定に由来した組成情報に基づくガンマ線イメージのカラー付与は、走査イメージの解釈および疑わしい材料の識別に関し、格別の強力な手掛かりを提供する。特に、主に無機物からなる物品の内部に収容された有機材料の検出が、大幅に促進される。第３に、ある状況下においては、装置を使用することによって、疑わしい材料に関して、中性子線／ガンマ線の比（Ｒ値）を測定することができ、これにより、さらに識別を補助することができる。この手法は、被測定対象物質の周囲に材料がほとんどないあるいはわずかしかない場合に、あるいは、被測定領域の近傍において周囲材料が一様である場合に、最良に機能する。これらの状況下においては、周囲材料による中性子線の吸収およびガンマ線の吸収を概略的に補正することができる。そのため、対象物質のＲ値を得ることができる。
第２実施形態においては、１４ＭｅＶに関する高速中性子線透過と２．４５ＭｅＶに関する高速中性子線透過との双方を直接的に適用する。しかしながら、以下の議論は、また、２．４５ＭｅＶや１４ＭｅＶとは異なる２つのエネルギーを使用した透過に関しても、適用可能である。上述したような単一のエネルギーの中性子線透過の場合とは異なり、各画素に関し、単一の中性子線透過の場合の２つのカウント速度ではなく、３つのカウント割合が測定される。そして、２つの断面積の比を計算することができる。
各イメージにおける特定の画素のカウント速度を、それぞれｒ１４，ｒ２．４５，ｒＸ であると仮定する。これらカウント速度は、放射線源と検出ポイントとの間の材料に関する（未知の）質量（ｍ）に関連するものであるとともに、１４ＭｅＶという中性子線と２．４５ＭｅＶという中性子線とＸ線またはガンマ線とのそれぞれに関しての当該材料の（未知の）質量減衰係数に関連するものである。それら質量減衰係数は、それぞれ、μ１４，μ２．４５，μＸ と表記される。以下の関係式が成立する。
ｒ１４ ＝ Ｒ１４ｅｘｐ（−ｍμ１４） …（４）
ｒＸ ＝ ＲＸ ｅｘｐ（−ｍμＸ ） …（５）
ｒ２．４５ ＝ Ｒ２．４５ｅｘｐ（−ｍμ２．４５） …（６）
ここで、Ｒ１４，Ｒ２．４５，ＲＸ は、放射線の経路上に物品が存在しない場合の、１４ＭｅＶ中性子線、２．４５ＭｅＶ中性子線、Ｘ線またはガンマ線、に関するカウント速度である。
ｒ１４ ＝ Ｒ１４ｅｘｐ（−ｍμ１４） …（４）
ｒＸ ＝ ＲＸ ｅｘｐ（−ｍμＸ ） …（５）
ｒ２．４５ ＝ Ｒ２．４５ｅｘｐ（−ｍμ２．４５） …（６）
ここで、Ｒ１４，Ｒ２．４５，ＲＸ は、放射線の経路上に物品が存在しない場合の、１４ＭｅＶ中性子線、２．４５ＭｅＶ中性子線、Ｘ線またはガンマ線、に関するカウント速度である。
断面積の比を直接的に計算することができる。
μ１４／μＸ ＝ ｌｏｇ（ｒ１４／Ｒ１４）／ｌｏｇ（ｒＸ／ＲＸ） …（７）
μ２．４５／μ１４ ＝ ｌｏｇ（ｒ２．４５／Ｒ２．４５）／ｌｏｇ（ｒ１４／Ｒ１４） …（８）
μ１４／μＸ ＝ ｌｏｇ（ｒ１４／Ｒ１４）／ｌｏｇ（ｒＸ／ＲＸ） …（７）
μ２．４５／μ１４ ＝ ｌｏｇ（ｒ２．４５／Ｒ２．４５）／ｌｏｇ（ｒ１４／Ｒ１４） …（８）
これら双方の比が、放射線源と検出器との間のビーム経路内に存在する材料の質量に無関係であることに注意されたい。
式（７）および式（８）によって与えられた断面積の比は、種々様々な有機材料や無機材料の識別を可能とする。
図１１は、各種材料に関し、１４ＭｅＶ中性子線断面積に対しての２．４５ＭｅＶ中性子線断面積の比を、Ｘ線またはガンマ線断面積に対しての１４ＭｅＶ中性子線断面積の比と相関させて、示している。２つの断面積の比を使用することは、様々な材料を識別し得るという本発明の能力をさらに増強する。したがって、３つの質量減衰係数イメージを分析することは、被検査対象物の内容物に関する情報によって内容物を推定することを可能としている。
図１２は、２つの中性子線エネルギーを使用することの付加的な利点を示している。図１２ａ〜図１２ｅに示されているスーツケース１５０の模擬イメージに関して説明する。イメージ１２ａ〜１２ｃは、それぞれ式（４）（５）（６）に対応するものであって、それぞれ、１４ＭｅＶ中性子線の透過、２．４５ＭｅＶ中性子線の透過、Ｘ線またはガンマ線の透過、を示している。イメージ１２ｄ，１２ｅは、それぞれ式（７）（８）に対応するものであって、それぞれＤＴ／Ｘ線に関するまたＤＤ／ＤＴに関する断面積比を示している。
スーツケース１５０は、綿と羊毛から構成された衣類で満たされ、様々な合法的物品や疑わしい物品を収容している。ボトル１５２は、水を備えており、ボトル１５４は、スピリッツを備えている。スーツケース１５０の右下に見える３つのブロックは、文庫本１５６、ヘロイン１５８、および、ＲＤＸ爆発物１６０である。さらに、銃１６２が、スーツケース１５０の右上に見える。
従来のＸ線イメージ１２ｃによれば、２本のボトル１５２，１５４の内容物を区別することは、また、スーツケースの右側に位置した３つのパッケージ１５６，１５８，１６０を区別することは、密度が互いに同等であることのために、困難であるかあるいは不可能である。中性子線イメージ１２ａ，１２ｂは、異なる材料間にわたって、より大きなコントラストを提供する。しかしながら、最良の結果は、断面積比イメージ１２ｄ，１２ｅにおいて得られる。特に、図１２ａ，１２ｂにおいて示されているような本１５６は、図１２ｄ，１２ｅにおいては、紙が周囲の衣類に対して同様の組成を有していることのために、実質的に消えている。これに対し、図１２ｅにおいては、麻薬１５８を、明瞭に識別することができるとともに、図１２ｄ，１２ｅにおいては、爆発物１６０を、明瞭に識別することができる。また、図１２ｄ，１２ｅの双方においては、水１５２およびスピリッツ１５４をそれぞれ備えているボトルどうしの間の明瞭な違いも、認識することができる。
２つの中性子線透過方法の第１の変形例においては、操作者は、２つの断面積比イメージの線形結合に対応するような新しいイメージを形成する。２つのイメージが組み合わせる比率は、操作者によって調節される。これにより、密輸材料に対するコントラストおよび感度を最大化し得るとともに、物品どうしのオーバーラップに起因するノイズの影響を最小化することができる。
図１３ａ，１３ｂは、側方から撮影した場合の、コンテナー１７０に関しての、模擬的な、それぞれ、１４ＭｅＶ中性子線イメージおよびＸ線イメージを示している。高密度であることにより、スチールパイプ１７６は、イメージを支配しており、コンピュータ装置の外観を見ることを困難なものとしている。しかしながら、式（７）（８）によって与えられる２つの断面積比イメージから単一イメージを形成することによりすなわち図１３ｃを形成することにより、スチールパイプ１７６に関連した『ノイズ』を除去することができ、コンピュータボックス１７４を明らかにすることができる。
このアプローチは図１１を参照して理解することができる。イメージ（７）（８）の線形結合を選ぶということは、図１１の上で描かれた任意の向きのラインからのそれらの距離に基づいて、イメージ画素にカラーを付与することと等価である。２つの選択された材料と平行であるようにしてこのラインを選ぶことによって、これらの材料の任意の組合せに関して同じカラーが付与される。一例においては、ラインは、スチールと、コンピュータのポリスチレン製パッケージと、を結ぶラインに対して平行であるように選ばれている。このようにして、スチールパイプを、それらがコンピュータの前に位置していたとしても、大部分を消すことができる。図１３ｃは、この手法の結果を示している。
一例について説明したけれども、そのような実施形態が、本発明において利用可能な多数の原理のうちのほんの１つに過ぎないことは、理解されるであろう。上記の例においては、放射線源が被検査対象物の一方のサイドに配置されかつ検出器が反対側のサイドに配置されていたけれども、第１変形例においては、放射線源を、被検査対象物の上方または下方に配置することができ、なおかつ、検出器を反対側に（下方にまたは上方に）配置することができる。第２の変形例においては、放射線源および検出器は、被検査対象物の周囲において回転させることができる。これにより、様々な角度からの撮影を行うことができる。第３の変化例においては、複数の組をなすＸ線源と検出器とを使用することにより、同一対象物に関して、様々なイメージを同時に収集することができる。第４の変形例においては、複数組をなす検出器を、中心に位置した１つの放射線源の周囲に配置し、これにより、複数の対象物に関するイメージを同時に得ることができる。
当然のことながら、動作時には、被走査対象物を、コンベヤーベルト上においてトンネル内を通過させることができる、あるいは、適切な機構の使用によって吊り上げたり押し込んだりすることができる。
上記実施形態においては、対象物を分析装置によって走査するに際して、２つの放射線源を順次的に動作させている。第１の変形例においては、対象物を、２回にわたって分析装置内に通過させ、各走査ごとに１つの放射線源を動作させる。第２の変形例においては、各放射線源に対してそれぞれ専用の検出器を設けておき、対象物を、一度だけ走査する。第３の変形例においては、２つの放射線源を同時に動作させなおかつ単一の検出器を使用する。その際、エネルギー識別を行うことによって、中性子線による信号と、Ｘ線またはガンマ線による信号と、を区別する。
一変形例（２つの中性子線エネルギーを使用するという実施形態）においては、放射線源は、互いに個別の３つ放射線源を備えている。すなわち、１４ＭｅＶ中性子線を生成する放射線源と、２．４５ＭｅＶ中性子線を生成する放射線源と、Ｘ線またはガンマ線を生成する放射線源と、を備えている。中性子線を生成する放射源は、シールされたチューブ状中性子線源とされあるいは同様の性質の他のコンパクトな放射線源とされ、Ｄ−ＴおよびＤ−Ｄ核融合反応によって中性子線を生成する。
３つの放射線源は、対象物を分析装置内にわたって走査する際に、連続して駆動される。第１の変形例においては、対象物を、３回にわたって分析装置内を走査させ、各走査のたびごとに、それぞれ１つの放射線源を動作させる。第２の変形例においては、各放射線源に、それぞれ専用の検出器を設けておく。この場合には、対象物を、一度だけ走査する。第３の変形例においては、単一の検出器を使用しつつ２つ以上の放射線源を使用する。その際、エネルギーの識別を行うことにより、高エネルギー中性子線に由来する信号と、低エネルギー中性子線に由来する信号と、Ｘ線またはガンマ線に由来する信号と、を識別することができる。
当業者であれば、広義に規定されているような本発明の精神および範囲から逸脱することなく、上記特定の実施形態に対して、様々な変形や修正を行い得ることは、理解されるであろう。したがって、上記実施形態は、本発明の観点を例示するものに過ぎず、本発明の範囲を何ら制限するものではない。
１０ 放射線撮影装置
１２ 中性子線源
１４ Ｘ線源
１８ 検出器アレイ
１９ シンチレータロッド
２１ フォトダイオード
２８ ＵＬＤ（対象物）
１２ 中性子線源
１４ Ｘ線源
１８ 検出器アレイ
１９ シンチレータロッド
２１ フォトダイオード
２８ ＵＬＤ（対象物）
Claims (26)
- 放射線撮影装置であって、
重水素−重水素間のまたは重水素−三重水素間の核融合反応によって生成された実質的に単一エネルギーの高速中性子を生成するための中性子線源であるとともに、シールされたチューブ状のまたは同様の態様の中性子線源と；
撮影対象をなす対象物を実質的に透過し得る程度に十分なエネルギーを有したＸ線源またはガンマ線源と；
前記中性子線源と前記Ｘ線源と前記ガンマ線源とを包囲するコリメート用ブロックであるとともに、実質的に扇型形状でもって放射させるための１つまたは複数のスロットが形成されているような、ブロックと；
前記線源から放射された放射エネルギーを受領しさらにその受領したエネルギーを光パルスへと変換する複数のシンチレータ画素を備えた検出器アレイであるとともに、前記コリメート用ブロックからコリメートされて放射された前記扇型形状の放射ビームに対して位置合わせされており、これにより、前記線源からの前記検出器アレイへと直接的に透過してきた放射のみを受領し得るものとされた、検出器アレイと；
前記シンチレータによって生成された前記光パルスを電気信号へと変換するための変換手段と；
前記線源と前記検出器アレイとの間を通して前記対象物を搬送するための搬送手段と；
前記電気信号に基づいて前記中性子線の減衰および前記Ｘ線または前記ガンマ線の減衰を決定するとともに、前記線源と前記検出器アレイとの間に位置した前記対象物の質量分布および組成を表す出力信号を生成するための、計算手段と；
前記対象物の前記質量分布および前記組成に基づいたイメージを表示するためのディスプレイ手段と；
を具備することを特徴とする放射線撮影装置。 - 請求項１記載の放射線撮影装置において、
前記Ｘ線源または前記ガンマ線源が、 １３７Ｃｓ、または、６０Ｃｏ、または、実質的に１ＭｅＶというエネルギーを有した同様の放射性同位体発生源、を備えていることを特徴とする放射線撮影装置。 - 請求項１記載の放射線撮影装置において、
前記Ｘ線源または前記ガンマ線源が、ターゲット上においてＸ線制道放射を行うことによってＸ線を生成するような、Ｘ線チューブまたは電子加速器とされていることを特徴とする放射線撮影装置。 - 請求項１〜３のいずれか１項に記載の放射線撮影装置において、
前記中性子線源が、前記Ｘ線源または前記ガンマ線源からのＸ線またはガンマ線よりも実質的に大きなエネルギーを有した中性子線を生成し、
前記中性子線源と前記Ｘ線源または前記ガンマ線源とが、前記コリメート用ブロック内の同じスロットを通して放射するように配置され、
単一の検出器アレイが使用され、
この検出器アレイが、プラスチック製のまたは液体有機物製のシンチレータからなる複数の画素を備え、
ガンマ線と中性子線との間の区別が、前記シンチレータに対するエネルギーに基づいて行われていることを特徴とする放射線撮影装置。 - 請求項１〜３のいずれか１項に記載の放射線撮影装置において、
前記中性子線源と前記Ｘ線源または前記ガンマ線源とが、前記コリメート用ブロック内の同じスロットを通して放射するように配置され、
単一の検出器アレイが使用され、
この検出器アレイが、プラスチック製のまたは液体有機物製のシンチレータからなる複数の画素を備え、
前記中性子線源と前記Ｘ線源または前記ガンマ線源とが、交互に駆動されることを特徴とする放射線撮影装置。 - 請求項１〜３のいずれか１項に記載の放射線撮影装置において、
前記中性子線源と前記Ｘ線源または前記ガンマ線源とが、前記コリメート用ブロック内の互いに平行な別々のスロットを通して放射するように配置され、
２つの検出器アレイが使用され、
一方の検出器アレイが、中性子線の検出用に、プラスチック製のまたは液体有機物製のシンチレータからなる複数の画素を備え、
他方の検出器アレイが、Ｘ線またはガンマ線の検出用に、プラスチック製のまたは液体有機物製のシンチレータからなる複数の画素を備えていることを特徴とする放射線撮影装置。 - 請求項４〜６のいずれか１項に記載の放射線撮影装置において、
前記線源に関連するスロットおよび前記検出器に関連するスロットが、前記線源によって前記検出器を十分に照射し得るよう、なおかつ、散乱した放射の検出を最小化し得るよう、十分に幅広のものとされていることを特徴とする放射線撮影装置。 - 請求項１記載の放射線撮影装置において、
重水素−重水素間のまたは重水素−三重水素間の核融合反応によって中性子線を生成するための第２中性子線源であるとともに、シールされたチューブ状のまたは同様の態様の第２中性子線源を具備し、
この第２中性子線源を使用して、前記中性子線源に対して相補的な核融合反応を行うことを特徴とする放射線撮影装置。 - 請求項８記載の放射線撮影装置において、
前記第２中性子線源からの中性子線を、個別の検出器アレイによって検出し、
この個別の検出器アレイを、プラスチック製のまたは液体有機物製のシンチレータからなる複数の画素を備えたものとすることを特徴とする放射線撮影装置。 - 請求項９記載の放射線撮影装置において、
前記２つの中性子線源のうちの一方が、実質的に１４ＭｅＶというエネルギーを有し、
前記２つの中性子線源のうちの他方が、実質的に２．４５ＭｅＶというエネルギーを有していることを特徴とする放射線撮影装置。 - 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の放射線撮影装置において、
前記変換手段が、複数のフォトダイオードを備え、
シンチレータ材料が、前記フォトダイオードの応答に対して実質的に適合した発光波長を有するものとして選択可能とされていることを特徴とする放射線撮影装置。 - 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の放射線撮影装置において、
前記変換手段が、交差した複数の波長シフトファイバを備え、
これらファイバが、単一アノード型のまたはマルチアノード型の複数の光電子増倍管に対して接続されていることを特徴とする放射線撮影装置。 - 請求項１１または１２記載の放射線撮影装置において、
前記変換手段からの電気信号を使用して、前記中性子線源からの中性子線の前記対象物を通しての透過と前記Ｘ線源またはガンマ線源からのＸ線またはガンマ線の前記対象物を通しての透過とを決定する、あるいは、前記双方の中性子線源からの中性子線の前記対象物を通しての透過と前記Ｘ線源またはガンマ線源からのＸ線またはガンマ線の前記対象物を通しての透過とを決定することを特徴とする放射線撮影装置。 - 請求項１３記載の放射線撮影装置において、
前記透過を使用して、ディスプレイの各画素に関する質量減衰係数イメージを計算し、
様々な画素の値に対してそれぞれ対応したカラーを付与し、
前記イメージを、質量分布と、前記計算によって決定された組成と、に基づいて決定することを特徴とする放射線撮影装置。 - 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の放射線撮影装置において、
前記計算手段が、コンピュータを備え、
このコンピュータが、イメージ処理を実行するとともに、コンピュータスクリーン上にそれらイメージを表示することを特徴とする放射線撮影装置。 - 請求項１５記載の放射線撮影装置において、
前記出力信号が、各画素に関する質量減衰係数イメージへと変換され、
このイメージが、様々な画素値に応じてそれぞれ対応するカラーを付与した上で、コンピュータスクリーン上に表示されることを特徴とする放射線撮影装置。 - 請求項１６記載の放射線撮影装置において、
前記質量減衰係数イメージが、重水素−三重水素由来の中性子線または重水素−重水素由来の中性子線とＸ線またはガンマ線との各々に関する透過から測定されたカウント速度に基づいて得られる、または、重水素−三重水素由来の中性子線と重水素−重水素由来の中性子線とＸ線またはガンマ線との各々に関する透過から測定されたカウント速度に基づいて得られることを特徴とする放射線撮影装置。 - 請求項１７記載の放射線撮影装置において、
前記コンピュータを動作させることにより、複数の質量減衰係数イメージの間にわたって複数の断面積比イメージを得ることを特徴とする放射線撮影装置。 - 請求項１８記載の放射線撮影装置において、
前記複数の断面積比イメージの各々を、検査対象をなす特定の対象物に関するコントラストおよび感度を最大化し得るような比率でもって、組み合わせることを特徴とする放射線撮影装置。 - 請求項１８または１９記載の放射線撮影装置において、
前記コンピュータが、測定された断面積に基づいて自動的に材料を識別し得るようになっていることを特徴とする放射線撮影装置。 - 請求項１〜２０のいずれか１項に記載の放射線撮影装置において、
前記線源および前記検出器アレイが、固定され、
前記搬送手段が、前記中性子線源の前方にわたって、前記対象物を搬送することを特徴とする放射線撮影装置。 - 請求項１〜２０のいずれか１項に記載の放射線撮影装置において、
前記対象物が、固定され、
前記搬送手段が、前記線源および前記検出器アレイを、前記対象物の両サイドにわたって同期的に移動させることを特徴とする放射線撮影装置。 - 請求項１〜２０のいずれか１項に記載の放射線撮影装置において、
複数組をなす検出器が、中央に配置された前記線源の周囲に配置され、
これにより、複数の対象物を同時に走査し得るようになっていることを特徴とする放射線撮影装置。 - 請求項１〜２０のいずれか１項に記載の放射線撮影装置において、
前記線源および前記検出器アレイが、被検査対象物の周囲にわたって回転可能とされ、これにより、様々な角度からの測定を行い得るようになっていることを特徴とする放射線撮影装置。 - 請求項１〜２４のいずれか１項に記載の放射線撮影装置において、
重水素−重水素に由来するおよび／または重水素−三重水素に由来する前記中性子線源の強度が、１０１０個／秒の程度とされている、あるいは、実用的に可能な大きな値とされていることを特徴とする放射線撮影装置。 - 請求項１１記載の放射線撮影装置において、
前記複数のシンチレータが、マスクによって囲まれており、これにより、それらシンチレータの少なくとも一部が被覆されており、
各マスクが、前記シンチレータ内へと戻ってくる逸脱した光パルスを反射させ得るような、第１反射表面を有していることを特徴とする放射線撮影装置。
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