JP2009042134A - 高速材質識別検査装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】減衰特性が未知の物質であっても、短時間にその材質を識別することができ、かつ予めＸ線の検出出力と対象物の厚みとの特性データを求める必要がない高速材質識別検査装置および方法を提供する。
【解決手段】被検査物５に２以上の異なる方向から複数の強度の入射Ｘ線７を照射するＸ線照射装置１４と、被検査物を透過した透過Ｘ線８の強度と複数のＸ線透過画像から被検査物の厚さｘを検出するＸ線検出装置１６と、複数の強度、透過Ｘ線の強度、および厚さから被検査物の原子番号Ｚと電子密度ρを算出し、これから被検査物の材質を識別する演算装置１８とを備える。比例定数Ａ，Ｂに少なくとも一方を、原子番号が４から３０の物質においてＸ線の減弱係数の線形性を利用して近似的に解く。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｘ線により被検査物の材質識別を高速に行う高速材質識別検査装置および方法に関する。

税関や空港における手荷物検査等において、Ｘ線を被検査物に照射し、透過したＸ線の強度分布を画像化して内部の危険物（銃器等）を検出するＸ線検査装置が従来から広く用いられている。
さらに、近年になって、被検査物の材質を識別する手段が種々提案されている（例えば特許文献１、２）。

特許文献１の「対象物の吸収率に依存した輝度制御を含むＸ線検査装置」では、図６に模式的に示すように、輝度制御入力６３を有し対象物ＯのＸ線画像を生成するＸ線画像生成手段６１と、輝度制御入力６３へ輝度制御信号を出力するためにＸ線画像生成手段６１に結合される画像処理手段６２とを有するＸ線検査装置であって、Ｘ線画像生成手段６１にＸ線データ出力６６が設けられ、画像処理手段６２にＸ線データ出力に結合されるＸ線データ入力６７が設けられ、画像処理手段６２は、対象物Ｏの吸収率の特性を計算し吸収率の特性に依存して輝度制御信号ＣＳを生成する対象物吸収率特性計算手段６５として配置されるものである。

特許文献２の「Ｘ線分析装置及びその分析方法」は、ＢＧ放射線が存在する環境にて、ＢＧ放射線に影響されることなく高いＳ／Ｎ比で分析試料の元素分析及び解析を実施することを目的とする。
そのため、この発明では、図７に模式的に示すように、ＢＧ放射線ｄを有する環境にて、Ｘ線源７４からＸ線を照射することによって分析試料７０から放出される蛍光Ｘ線ｂを検出するＣｄＴｅ半導体検出器７６と、このＣｄＴｅ半導体検出器７６から出力された出力パルス１０１を増幅・変換及びデジタル変換して取得する未処理パルス１０３の波形によってＣｄＴｅ単結晶における反応深さを演算し未処理パルス１０３から誤パルスを除去する反応深さ演算手段８０と、一次処理パルス１０４の波高によって一次処理パルスから誤パルスを除去する波高弁別器８１とを備えた。この波高弁別器８１から出力される二次処理パルス１０５を利用して分析試料７０の元素分析及び解析を行なう。また、ＣｄＴｅ単結晶は、ＢＧ放射線ｄを検出できる厚さを有するものである。

特表２００２−５３２８３７号公報、「対象物の吸収率に依存した輝度制御を含むＸ線検査装置」 特開２００５−２９１９６１号公報、「Ｘ線分析装置及びその分析方法」

上述したように、Ｘ線ＣＴ装置ではない単純透過型の従来のＸ線検査装置では、Ｘ線が物質を透過する減衰度合いを用いて物質の形状を表現していた。また、物質の厚みが得られる場合でも、物質ごとの減衰係数と厚さを経験値と比較して物質を識別していた。

すなわち、従来のＸ線による材質識別は、一度情報を得た物質（水や骨など）の経験値と比較した相対値で物質を評価するため、未知の物質に対し正確な識別ができない問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、減衰特性が未知の物質であっても、短時間にその材質を識別することができ、かつ予めＸ線の検出出力と対象物の厚みとの特性データを求める必要がない高速材質識別検査装置および方法を提供することにある。

本発明によれば、被検査物に２以上の異なる方向から複数の強度の入射Ｘ線を照射するＸ線照射装置と、
該被検査物を透過した透過Ｘ線の強度と複数のＸ線透過画像から被検査物の厚さを検出するＸ線検出装置と、
前記複数の強度、透過Ｘ線の強度、および厚さから被検査物の原子番号と電子密度を算出し、これから被検査物の材質を識別する演算装置と、を備えたことを特徴とする高速材質識別検査装置が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記演算装置は、入射Ｘ線の強度Ｉ_１０，Ｉ_２０、透過Ｘ線の強度Ｉ_１，Ｉ_２、および厚さｘから複数の減弱係数μ_１，μ_２を算出し、
該複数の減弱係数を、ρＺ^５Ａ（ρは電子密度、Ｚは物質の原子番号、Ａは光電比例定数）で表される光電効果と、ρＺＢ（Ｂはコンプトン比例定数）で表されるコンプトン効果との和の近似式として近似し、
前記比例定数Ａ，Ｂと原子番号Ｚとの関係Ａ＝ｆ_１（Ｚ），Ｂ＝ｆ_２（Ｚ）を予め求め、これと前記複数の近似式とを満たす原子番号Ｚと電子密度ρを求め、
求めた原子番号Ｚと電子密度ρから被検査物の材質を同定する。

また本発明によれば、被検査物に２以上の異なる方向から複数の強度Ｉ_１０，Ｉ_２０の入射Ｘ線を照射し、該被検査物を透過した透過Ｘ線の強度Ｉ_１，Ｉ_２と複数のＸ線透過画像から被検査物の厚さｘを検出し、これらから複数の減弱係数μ_１，μ_２を算出する第１ステップと、
前記複数の減弱係数を、ρＺ^５Ａ（ρは電子密度、Ｚは物質の原子番号、Ａは光電比例定数）で表される光電効果と、ρＺＢ（Ｂはコンプトン比例定数）で表されるコンプトン効果との和の近似式として近似する第２ステップと、
前記比例定数Ａ，Ｂと原子番号Ｚとの関係Ａ＝ｆ_１（Ｚ），Ｂ＝ｆ_２（Ｚ）を予め求め、これと前記複数の近似式とを満たす原子番号Ｚと電子密度ρを求める第３ステップと、
第３ステップで求めた原子番号Ｚと電子密度ρから被検査物の材質を同定する第４ステップと、を有することを特徴とする材質識別検査方法が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記比例定数Ａ，Ｂに少なくとも一方を、原子番号が４から３０の物質においてＸ線の減弱係数の線形性を利用して近似的に解く、ことが好ましい。

上述した本発明の装置および方法によれば、入射Ｘ線の強度Ｉ_１０，Ｉ_２０、透過Ｘ線の強度Ｉ_１，Ｉ_２、および厚さｘから被検査物の原子番号と電子密度を算出し、これから被検査物の材質を識別するので、各物質の原子番号（実効原子番号）の特性を利用してＸ線が物質を透過した情報から物質の原子番号や電子密度を同定し、物質を正確に識別することができる。
従って減衰特性が未知の物質であっても、短時間にその材質を識別することができ、かつ予めＸ線の検出出力と対象物の厚みとの特性データを求める必要がない。

また、Ｘ線減弱係数を分解して解くアルゴリズムにおいて、特に実効原子番号が４番から３０番の物質においてＸ線の減弱係数の線形性を利用して近似的に解くことによって高速且つ正確に物質を識別することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本発明による高速材質識別検査装置を示す構成図である。この図において、本発明の高速材質識別検査装置１０は、Ｘ線照射装置１４、Ｘ線検出装置１６及び演算装置１８を備える。

この図において１２は、搬送装置（例えばベルトコンベア）であり、被検査物５を水平（この図で紙面に直交する方向）に搬送する。被検査物５は、Ｘ線に対して透明な任意の容器６（例えば旅行用ケース）内に収納されている。
なお、本発明において、搬送装置１２は必須ではなく、これを用いずに一定位置で被検査物５を検査してもよい。

Ｘ線照射装置１４は、被検査物５に２以上の異なる方向から複数の強度の入射Ｘ線７を照射する。
この例では、被検査物５に対し、搬送方向に直交する同一断面内で、２以上の異なる方向から、複数の強度Ｉ_１０，Ｉ_２０の入射Ｘ線７を、同時又は時間をずらして照射する。
またこの例において、Ｘ線照射装置１４は、垂直方向と水平方向に固定配置された２台のＸ線管１５ａ，１５ｂであり、搬送方向に直交する同一断面内で被検査物５に対し強度Ｉ_１０，Ｉ_２０の入射Ｘ線７を線状かつ扇状に照射するようになっている。

Ｘ線検出装置１６は、被検査物５を透過した透過Ｘ線８の強度Ｉ_１，Ｉ_２と複数のＸ線透過画像から被検査物の厚さｘを検出する。
Ｘ線検出装置１６は、例えばエネルギー弁別機能付きＸ線検出器であり、入射Ｘ線７が被検査物５を透過した透過Ｘ線８のＸ線強度Ｉ_１，Ｉ_２を弁別して計測する。
またこの例において、Ｘ線検出装置１６は、２台のＸ線管１５ａ，１５ｂに対向するように水平方向と垂直方向に固定配置された２台の線状検出器１７ａ，１７ｂであり、被検査物５を透過した線状のＸ線から透過Ｘ線８の強度分布Ｉ_１，Ｉ_２を弁別して計測するようになっている。

演算装置１８は、例えばコンピュータであり、入射Ｘ線７の強度Ｉ_１０，Ｉ_２０、透過Ｘ線８の強度Ｉ_１，Ｉ_２、および厚さｘから被検査物５の原子番号Ｚと電子密度ρを算出し、これから被検査物５の材質を識別する。なお、以下の説明において、「原子番号」は実効原子番号であってもよい。
演算装置１８は、コンピュータを用いて後述する第１ステップＳ１、第２ステップＳ２、第３ステップＳ３、および第４ステップＳ４のアルゴリズムを実行する。

図２は、本発明の材質識別検査方法の全体フロー図である。
本発明の材質識別検査方法は、上述した装置を用い、第１ステップＳ１、第２ステップＳ２、第３ステップＳ３、および第４ステップＳ４からなる。

第１ステップＳ１では、被検査物５に２以上の異なる方向から複数の強度Ｉ_１０，Ｉ_２０の入射Ｘ線７を照射し、被検査物５を透過した透過Ｘ線８の強度Ｉ_１，Ｉ_２と複数のＸ線透過画像から被検査物の厚さｘを検出し、これらから複数の減弱係数μ_１，μ_２を算出する。

入射Ｘ線７の強度Ｉ_１０，Ｉ_２０と透過Ｘ線８の強度Ｉ_１，Ｉ_２、との関係は、以下の式（１ａ）（１ｂ）で表される。またこの式から、式（２ａ）（２ｂ）が導かれる。さらに式（２ａ）（２ｂ）から、減弱係数μ_１，μ_２を算出することができる。

Ｉ_１＝Ｉ_１０ｅｘｐ（−μ_１ｘ）・・・（１ａ）
Ｉ_２＝Ｉ_２０ｅｘｐ（−μ_２ｘ）・・・（１ｂ）
μ_１＝Ｉｎ（Ｉ_１０／Ｉ_１）／ｘ・・・（２ａ）
μ_２＝Ｉｎ（Ｉ_２０／Ｉ_２）／ｘ・・・（２ａ）

この第１ステップＳ１では、複数の透過像を取得するため、複数の透過像を用いてアーティファクトや外乱ノイズを除去できる。このとき、ノイズ除去のルールを最適化することにより、処理の高速化が図れる。
例えば、複数の透過像において物体が確認されない位置に発生するノイズやアーティファクトを排除するのがよい。

第２ステップＳ２では、複数の減弱係数μ_１，μ_２を、ρＺ^５Ａ（ρは電子密度、Ｚは物質の原子番号、Ａは光電比例定数）で表される光電効果と、ρＺＢ（Ｂはコンプトン比例定数）で表されるコンプトン効果との和として近似式（３ａ）（３ｂ）で近似する。
μ_１＝ρＺ^４Ａ_１＋ρＢ_１・・・（３ａ）
μ_２＝ρＺ^４Ａ_２＋ρＢ_２・・・（３ｂ）

第３ステップＳ３では、比例定数Ａ，Ｂと原子番号Ｚとの関係Ａ＝ｆ_１（Ｚ），Ｂ＝ｆ_２（Ｚ）を予め求め、これと第２ステップで得られた複数の近似式（３ａ）（３ｂ）を満たす原子番号Ｚと電子密度ρを求める。

図３は、比例定数Ａ，Ｂと原子番号Ｚとの関係を示す図である。この図において、横軸は原子番号Ｚ、縦軸は左側が比例定数Ａ、右側が比例定数Ｂを示している。従ってこの図から、比例定数Ａ，Ｂと原子番号Ｚとの関係Ａ＝ｆ_１（Ｚ），Ｂ＝ｆ_２（Ｚ）を予め求めることができる。

図４は、比例定数Ａ，Ｂと原子番号Ｚとの関係を示す別の図である。この図は、図３の横軸（Ｚ）を対数表示したものである。
この図から、比例定数Ａの対数値（ｌｎＡ）は、原子番号が４から３０の範囲においてＺの対数値（ｌｎＺ）に比例していることがわかる。従って、比例定数ＡをＸ線の減弱係数の線形性を利用して近似的に解くことができる。

すなわち、図４に示す通り、原子番号に対する変化特性が安定し、近似的に解を得られる原子番号範囲（４番から３０番の間）に着目した演算方法を適用することにより、処理の高速化が図れる。
例えば４番から３０番までの間の光電効果およびコンプトン効果の近似式を 用いて、μの連立方程式を解析的に解くことができる。
なお、同様に比例定数Ｂを、原子番号が４から３０の物質においてＸ線の減弱係数の線形性を利用して近似的に解いてもよい。

上述した（３ａ）（３ｂ）の式から、２つの未知数Ｚ，ρを求める手段について以下に説明する。
式（３ａ）（３ｂ）から、以下の関係が得られる。
Ｚ^４＝（μ_１Ｂ_２−μ_２Ｂ_１）／（μ_２Ａ_１−μ_１Ａ_２）・・・（４ａ）
ρ＝（μ_１Ａ_２−μ_２Ａ_１）／（Ａ_２Ｂ_１−Ａ_１Ｂ_２）・・・（４ｂ）

ここで式（４ａ）（４ｂ）の左辺−右辺をそれぞれｆ（Ｚ）、ρ（Ｚ）とすると、以下の関係が得られる。
ｆ（Ｚ）＝Ｚ^４−（μ_１Ｂ_２−μ_２Ｂ_１）／（μ_２Ａ_１−μ_１Ａ_２）・・・（５ａ）
ρ（Ｚ）＝ρ−（μ_１Ａ_２−μ_２Ａ_１）／（Ａ_２Ｂ_１−Ａ_１Ｂ_２）・・・（５ｂ）

光電効果に関する比例定数Ａ_１，Ａ_２とコンプトン効果に関する比例定数Ｂ_１，Ｂ_２は、上述した図３、図４又はその近似式から求めることができる。

原子番号Ｚを１から３０まで順に変化させ、各原子番号Ｚに対応する電子密度ρ、比例定数Ａ_１，Ａ_２、比例定数Ｂ_１，Ｂ_２を図３、図４又はその近似式から求め、更に、入射Ｘ線（強度Ｉ_１０，Ｉ_２０）と透過Ｘ線強度（Ｉ_１，Ｉ_２）から減弱係数μ_１，μ_２を求めることにより、式（５ａ）（５ｂ）のｆ（Ｚ）、ρ（Ｚ）を計算することができる。

図５は、上述した原子番号Ｚと電子密度ρを求めるアルゴリズムの実施例である。
この図において、横軸は原子番号Ｚ、縦軸は上述したｆ（Ｚ）とρ（Ｚ）を示している。この実施例において、２種の入射Ｘ線は、単色ではなく、強度分布の中心エネルギーを用いている。
この図から、炭素、マグネシウム、アルミニウム、鉄にそれぞれ対応する原子番号Ｚにおいて、ｆ（Ｚ）、ρ（Ｚ）がそれぞれ０に近い最小極値を示しているのがわかる。
すなわち、比例定数Ａ_１，Ａ_２、比例定数Ｂ_１，Ｂ_２を原子番号Ｚに対応させてそれぞれ図３、図４又はその近似式から求めることにより、式（５ａ）（５ｂ）を満たす物質の原子番号Ｚと物質の電子密度ρを正確に計算することができる。

第３ステップＳ３において原子番号の収束計算を行うにあたり、収束条件の限定を図ることにより、処理の高速化が図れる。
例えば、収束条件の閾値を設定しておき、収束計算結果が指定範囲内に入った時点で収束計算を終了する

図２の第４ステップＳ４では、第３ステップで求めた原子番号Ｚと電子密度ρから被検査物の材質を同定する。
第４ステップＳ４では、原子番号と電子密度の二次元マップを作成しておくことにより、処理の高速化が図れる。
例えば識別された原子番号と電子密度に対応する材質を二次元マップから最短ルートで同定する。

上述した本発明の装置および方法によれば、入射Ｘ線７の複数の強度Ｉ_１０，Ｉ_２０、透過Ｘ線８の強度Ｉ_１，Ｉ_２、および厚さｘから被検査物５の原子番号Ｚと電子密度ρを算出し、これから被検査物５の材質を識別するので、各物質の原子番号（実効原子番号）の特性を利用してＸ線が物質を透過した情報から物質の原子番号や電子密度を同定し、物質を正確に識別することができる。
従って減衰特性が未知の物質であっても、短時間にその材質を識別することができ、かつ予めＸ線の検出出力と対象物の厚みとの特性データを求める必要がない。

また、Ｘ線減弱係数を分解して解くアルゴリズムにおいて、特に実効原子番号が４番から３０番の物質においてＸ線の減弱係数の線形性を利用して近似的に解くことによって高速且つ正確に物質を識別することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

本発明による高速材質識別検査装置を示す構成図である。 本発明の材質識別検査方法の全体フロー図である。 比例定数Ａ，Ｂと原子番号Ｚとの関係を示す図である。 比例定数Ａ，Ｂと原子番号Ｚとの関係を示す別の図である。 原子番号Ｚと電子密度ρを求めるアルゴリズムの実施例である。 特許文献１の装置の模式図である。 特許文献２の装置の模式図である。

符号の説明

５ 被検査物、７ 入射Ｘ線、８ 透過Ｘ線、
１０ 高速材質識別検査装置、１２ 搬送装置、
１４ Ｘ線照射装置、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ Ｘ線管、
１６ Ｘ線検出装置、１７ａ，１７ｂ，１７ｃ 線状検出器、
１８ 演算装置、

Claims (4)

1. 被検査物に２以上の異なる方向から複数の強度の入射Ｘ線を照射するＸ線照射装置と、
   該被検査物を透過した透過Ｘ線の強度と複数のＸ線透過画像から被検査物の厚さを検出するＸ線検出装置と、
   前記複数の強度、透過Ｘ線の強度、および厚さから被検査物の原子番号と電子密度を算出し、これから被検査物の材質を識別する演算装置と、を備えたことを特徴とする高速材質識別検査装置。
2. 前記演算装置は、入射Ｘ線の強度Ｉ_１０，Ｉ_２０、透過Ｘ線の強度Ｉ_１，Ｉ_２、および厚さｘから複数の減弱係数μ_１，μ_２を算出し、
   該複数の減弱係数を、ρＺ^５Ａ（ρは電子密度、Ｚは物質の原子番号、Ａは光電比例定数）で表される光電効果と、ρＺＢ（Ｂはコンプトン比例定数）で表されるコンプトン効果との和の近似式として近似し、
   前記比例定数Ａ，Ｂと原子番号Ｚとの関係Ａ＝ｆ_１（Ｚ），Ｂ＝ｆ_２（Ｚ）を予め求め、これと前記複数の近似式とを満たす原子番号Ｚと電子密度ρを求め、
   求めた原子番号Ｚと電子密度ρから被検査物の材質を同定する、ことを特徴とする請求項１に記載の高速材質識別検査装置。
3. 被検査物に２以上の異なる方向から複数の強度Ｉ_１０，Ｉ_２０の入射Ｘ線を照射し、該被検査物を透過した透過Ｘ線の強度Ｉ_１，Ｉ_２と複数のＸ線透過画像から被検査物の厚さｘを検出し、これらから複数の減弱係数μ_１，μ_２を算出する第１ステップと、
   前記複数の減弱係数を、ρＺ^５Ａ（ρは電子密度、Ｚは物質の原子番号、Ａは光電比例定数）で表される光電効果と、ρＺＢ（Ｂはコンプトン比例定数）で表されるコンプトン効果との和の近似式として近似する第２ステップと、
   前記比例定数Ａ，Ｂと原子番号Ｚとの関係Ａ＝ｆ_１（Ｚ），Ｂ＝ｆ_２（Ｚ）を予め求め、これと前記複数の近似式とを満たす原子番号Ｚと電子密度ρを求める第３ステップと、
   第３ステップで求めた原子番号Ｚと電子密度ρから被検査物の材質を同定する第４ステップと、を有することを特徴とする材質識別検査方法。
4. 前記比例定数Ａ，Ｂに少なくとも一方を、原子番号が４から３０の物質においてＸ線の減弱係数の線形性を利用して近似的に解く、ことを特徴とする請求項３に記載の材質識別検査方法。

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