JP2009264972A - Ｎｑｒ検査用アンテナ及びこれを用いたｎｑｒ検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 その磁場の均一性を向上することが可能なＮＱＲ検査用アンテナ及びこれを用いたＮＱＲ検査装置を提供する。
【解決手段】 ＮＱＲ検査装置において送信器及び受信器に接続して用いられるＮＱＲ検査用アンテナ４であって、互いに間隔Ｇ１，Ｇ２を有してソレノイド状に配置された２以上のコイル４Ａ〜４Ｃで構成され、両端のコイル４Ａ，４Ｃの外端部が送信器及び受信器に接続される（１１Ａ，１１Ｂ）ようにして用いられる。
【選択図】 図３

Description

本発明はＮＱＲ検査用アンテナ及びこれを用いたＮＱＲ検査装置に関する。

一般に出入国に際しては、金属検知器による金属物のチェックだけではなく、麻薬や爆発物等の所定薬物（化学物質）の所持チェックが行われている。そこで、このような所定薬物のチェックを行うための手荷物検査装置の１つとしてＮＱＲ（Nuclear Quadrapole Resonance：核四極共鳴）を利用した検査装置（以下、ＮＱＲ検査装置という）が提案されている（例えば特許文献１参照）。このＮＱＲ検査装置によれば、所定薬物の検知が可能な小型の検査装置を提供することができる。
特開２００４−１７７１３１号公報

上記ＮＱＲ検査装置では、被検査物（手荷物）を、ソレノイドコイルからなるアンテナの内部空間を通過せしめ、その際にアンテナから特定周波数のラジオ波を被検査物に放射し、その応答波中のＮＱＲ信号を解析することにより、被検査物が所定薬物を含むか否か判定する。航空手荷物が被検査物である場合には、検知領域であるソレノイドコイルの内部空間の入口が６０ｃｍ×６０ｃｍ程度の大きさであることが要求される。ＮＱＲ検査では、検知領域内の磁場が均一であることが望ましいが、このような大口径のソレノイドでは、その径方向及び軸方向に磁場強度の分布に偏りが生じてしまう。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、その磁場の均一性を向上することが可能なＮＱＲ検査用アンテナ及びこれを用いたＮＱＲ検査装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のＮＱＲ検査用アンテナは、ＮＱＲ検査装置において送信器及び受信器に接続して用いられるＮＱＲ検査用アンテナであって、互いに間隔を有してソレノイド状に配置された２以上のコイルで構成され、両端の前記コイルが前記送信器及び前記受信器に接続されるようにして用いられる。

また、本発明のＮＱＲ検査装置は、所定のラジオ周波数の検査波信号を出力する送信器と、コイルからなり、その内部空間を通過する被検査物に前記送信器から出力される検査波信号に応じた検査波を放射し、この検査波に対し前記被検査物から放出される応答波を受波するアンテナと、前記アンテナの電気出力から前記応答波の受波信号を抽出する受信器と、前記受信器で抽出された前記応答波の受波信号中のＮＱＲ信号を利用して前記被検査物が所定の薬物を含むか否かを判定する判定器と、を備え、前記アンテナは、互いに間隔を有してソレノイド状に配置された２以上のコイルで構成され、両端の前記コイルが前記送信器及び前記受信器に接続されている。

上記のような構成とすると、アンテナを構成する２以上のコイルが互いに磁気結合するので、各々の互いに対応する部分において、電流密度及び電流の向きが実質的に一致し、それによりアンテナの軸方向における磁場強度の均一性が向上する。

前記２以上のコイルが互いにコンデンサによって接続されていてもよい。

本発明は以上に説明したように構成され、その磁場の均一性を向上することが可能なＮＱＲ検査用アンテナ及びこれを用いたＮＱＲ検査装置を提供できるという効果を奏する。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。

（実施の形態）
図１は本発明の実施の形態に係るＮＱＲ検査装置の概略の構成を示す模式図である。

図１に示すように、本実施の形態のＮＱＲ検査装置１００は、送信回路（送信器）１を備えている。送信回路１は、ラジオ周波数（０．１−１０ＭＨｚ）の高周波パルス状の検査波信号（電気信号）を生成してこれを分配器２に出力する。正確には、この検査波の周波数は、後述する所定薬物が核四極共鳴を生じるような特定の周波数である。所定薬物として、例えば、麻薬、爆薬等が挙げられる。送信機１には分配器２が接続されている。この分配器２の一方のターミナルには、整合器３を介してアンテナ４が接続され、他方のターミナルには、増幅器５を介して受信回路（受信器）６が接続されている。整合器３はアンテナ４側の伝送インピーダンスと送信回路１及び受信回路６側の伝送インピーダンスとのマッチングを取るものである。この構成により、送信回路１で生成された検査波信号が分配器２で整合器３に向けられ、整合器３を経由してアンテナ４に伝達される。この検査波信号はアンテナ４でラジオ波（電波）に変換されて検査波として放射される。換言すると、アンテナ４が検査波信号で励磁されて、アンテナ４の内部空間に高周波磁界が形成される。一方、アンテナ４が電波を受波するとこれが電気信号に変換されてアンテナ４から出力される。この電気信号は整合器４を経由し、分配器２で増幅器５に向けられ、そこで増幅されて受信回路６に伝達される。受信回路６は、この電気信号をさらに増幅し、位相検波して後述する被検査物１０からの応答波の受波信号を検出する。そして、この応答波の受波信号をＡ／Ｄ変換してこれを制御計測装置（判定器）７に出力する。制御計測装置７は、例えばパーソナルコンピュータで構成されていて、入力された応答波の受波信号中のＮＱＲ信号を利用して被検査物１０が所定薬物を含むか否か判定する。また、制御計測装置７は送信回路１及び受信回路６の動作を含むＮＱＲ検査装置１００の全体の動作を制御する。

アンテナ４は検査領域２０において、筒状の電磁波シールド８の内部に、当該電磁波シールド８と同軸状に設置されている。この電磁波シールド８及びアンテナ４を軸方向に貫通するようにベルトコンベア９が配設されている。このベルトコンベア９上に被検査物（手荷物）１０が載置されて電磁波シールド８及びアンテナ４を通過する。このベルトコンベア９の動作は制御計測装置７によって制御される。

次に、本発明を特徴付けるアンテナ（本発明の実施の形態に係るＮＱＲ検査用アンテナ）４の構成を詳しく説明する。図２はアンテナ４の構造を模式的に示す斜視図である。

図２に示すように、アンテナ４は第１乃至第３のコイル４Ａ，４Ｂ，４Ｃが互いに間隔（以下、コイル間隔という）Ｇ１，Ｇ２を有して全体としてソレノイド状に配置されている。ここで、本発明において「ソレノイド」とは、導体が一様にかつ密に巻かれたコイルをいう。このようなソレノイドにおいては、実用上、導体１本1本を別個に考えないで電流がコイルの縦断面全体に分布して流れているとして取り扱うことができる。また、「複数のコイルが全体としてソレノイド状に配置されさている」とは、複数のコイルが、当該複数のコイルと同じ断面形状のコイルで互いに接続されると単一のソレノイドになるように配置されていることをいう。

従って、第１乃至第３のコイル４Ａ，４Ｂ，４Ｃは互いに同じ形状を有している。すなわち、第１乃至第３のコイル４Ａ，４Ｂ，４Ｃは、ここでは、短筒状に形成され、互いに同じ断面形状及び長さを有し、かつ互いに、同軸状に配置されている。第１のコイル４Ａと第２のコイル４Ｂとの間のコイル間隔Ｇ１と第２のコイル４Ｂと第３のコイル４Ｃとの間のコイル間隔Ｇ２とは互いに同じである。これらのコイル間隔Ｇ１，Ｇ２は、アンテナ４の形状及び使用条件等によって決定されるが、ここでは、各コイル４Ａ〜４Ｃの１巻分の寸法に設計されている。換言すれば、アンテナ４は、単一のソレノイドを２つの均等な間隔Ｇ１，Ｇ２を有するように３等分した形状を有している。なお、コイル４Ａ〜４Ｃの断面形状は半長円状であるが、これに限定されることはなく、任意の形状にすることができる。そして、全体としてソレノイド状に配置された第１乃至第３のコイル４Ａ〜４Ｃのうち、両端に位置する第１のコイル４Ａ及び第３のコイル４Ｃの外端部（ここでは外端）がそれぞれ配線１１Ａ及び１１Ｂを通じて整合器４に接続されている。配線１１Ａ及び１１Ｂは高周波伝送路を構成する配線である。コイルの数は、ここは３つとしたが、２以上であればよい。

図３はアンテナ４の等価回路を示す回路図である。アンテナ４の等価回路は、現時では、正確に特定されていない。但し、アンテナ４の全体において、磁場の強度が均一化されるという実測結果が得られている。また、後述するシミュレーションによれば、アンテナ４を構成する第１乃至第３のコイル４Ａ，４Ｂ，４Ｃの各々の電流位相が揃うという結果が得られている。本発明者等は、図３に示すように、アンテナ４は、第１のコイル４ＡのインダクタンスＬ１と第２のコイル４ＢのインダクタンスＬ２とがコイル間隔Ｇ１に対応するキャパシタンスＣ１で接続され、第２のコイル４ＢのインダクタンスＬ２と第３のコイル４ＣのインダクタンスＬ３とがコイル間隔Ｇ２に対応するキャパシタンスＣ２で接続され、かつ、第１乃至第３のコイル４Ａ〜４Ｃが互いに磁気結合（図３に点線１２で示す）してなる等価回路で表すことができるのはないかと考えている。このような等価回路によれば、第１乃至第３のコイル４Ａ〜４Ｃは、互いに磁気結合しているので、各々に誘起される電圧、ひいては電流の位相が実質的に一致するのであると推測される。そして、その結果、アンテナ４の全体において、磁場の強度の均一性が向上するのであると推測される。。

図４は整合器４の構成を示す回路図である。

図４に示すように、整合器３は、高周波伝送路１１Ａ，１１Ｂに、アンテナ４に対して直列に接続された可変コンデンサＣ３とアンテナ４に対して並列に接続された可変コンデンサＣ４とを備えている。なお、高周波伝送路を構成する配線１０，１１Ｂの一方（ここでは１１Ｂ）が接地される。

次に、以上のように構成されたＮＱＲ検査装置の動作を説明する。

図５は図１のＮＱＲ検査装置の動作を示す図であって、（ａ）は検査波信号の波形を示すグラフ、（ｂ）は応答波の受波信号の波形を示すグラフ、（ｃ）は応答波の受波信号の周波数スペクトルを示すグラフである。

図１において、ＮＱＲ検査装置１００全体の動作は制御計測装置７によって制御される。従って以下の動作は制御計測装置７の制御によって遂行される。

まず、ベルトコンベア９に被検査物１０が載置されると、検査員の所定の操作入力により、ベルトコンベア９が作動し、被検査物１０がアンテナ４の内部空間（検知領域）に位置すると、これを図示されないセンサが検知してベルトコンベア９が停止する。次いで、送信回路１が検査波信号を出力する。図５（ａ）に示すように、この検査波信号Ｗ１は、上述の特定のラジオ周波数の電流が極短い時間継続するパルス状の高周波信号である。この検査波信号ｗ１が分配器２及び整合器３を経てアンテナ４に伝達され、そこでラジオ波の検査波として被検査物１０に放射される。一方、アンテナ４は電波を受波してこの受波信号を出力する。被検査物１０が所定薬物を含んでいる場合には、被検査物１０からこの検査波に対する応答波が放出され、アンテナ４はこの応答波を受波してこの受波信号を出力する。被検査物１０が所定薬物を含んでいる場合には、被検査物１０からこの検査波に対する応答波（ＮＱＲ信号）が放出され、アンテナ４はこの応答波を受波してこの受波信号を出力する。この応答波の受波信号（応答波信号）Ｗ２は、図５（ｂ）に示すように、所定薬物からのＮＱＲ信号の減衰Ｗ２ａを含んでいる。つまり、所定薬物が検査波に共鳴してこれを吸収しその後に放出されるので、検査波が図５（ｂ）に示すように減衰する。ＮＱＲ信号の減衰Ｗ２ａはこの検査波の減衰カーブを表す信号である。従って、被検査物１０が所定薬物を含んでいない場合には、アンテナ４の受波信号は応答波信号Ｗ２（及びＮＱＲ信号の減衰Ｗ２ａ）を含んではいない。この応答波信号Ｗ２は増幅器５で増幅されて受信回路６に入力される。この受波信号Ｗ２は、元の検査波が変調されたものであるので、受信回路６は、入力された信号を位相検波して、この応答波信号Ｗ２を検出する。そして、これをＡ／Ｄ変換して制御計測装置７に出力する。制御計測装置７は、入力される応答波の受波信号Ｗ２を高速フーリエ変換して、その周波数スペクトルを求める。被検査物１０が所定薬物を含んでいる場合には、応答波の受波信号Ｗ２がＮＱＲ信号の減衰Ｗ２ａを含んでいて、図５（ｃ）に示すように、この周波数スペクトルにおいて、当該ＮＱＲ信号の減衰Ｗ２ａの共鳴周波数ｆ０にピークが現われる。この共鳴周波数ｆ０は薬物（化学物質）に固有のものである。そこで、制御計測装置７は、所定薬物に固有の共鳴周波数ｆ０の信号強度が所定レベル以上であるか否かにより、被検査物１０が所定薬物を含んでいるか否か判定する。そして、制御計測装置７は、その判定結果を出力し（図示されない表示器による表示等を行う）、その後、ベルトコンベア９を作動させて、被検査物１０を検査領域２０の外に移動させる。

次に本実施の形態のＮＱＲ検査装置１００及びアンテナ４の作用効果を実施例及びシミュレーション結果によって説明する。

［実施例］
実施例として、図２に示すような全体形状を有するアンテナ４を作製した。具体的には、幅２０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの銅リボンからなる導体を、幅６００ｍｍ×高さ６００ｍｍｍの断面形状と、４５０ｍｍの長さと、１５巻の総巻数と有するソレノイドに巻き上げた。そして、このソレノイドを、２つの１巻分の間隔を有するようにして、３等分してアンテナ４を作製した。すなわち、互いに同一断面形状を有する５巻の第１乃至第３のコイル４Ａ〜４Ｃが２つの１巻分の間隔Ｇ１，Ｇ２を有するようにして同軸状に配置されてなるアンテナ４が作製された。

そして、このアンテナ４を周波数３．３ＭＨｚ（波長＝９０．３ｍ）で励磁した。

図６はこの実施例のアンテナの軸方向における磁場強度の分布を示すグラフである。図６において、横軸はアンテナ４の軸方向における位置（単位：ｍｍ）を示し、縦軸は磁場強度（単位：任意単位［a.u.］）を示す。図６には、アンテナ４の断面における中央部の磁場強度が示されている。図６によれば、アンテナ４の軸方方向において、磁場強度は、アンテナ４の中央部で高く、両端に向かうに連れて低くなっているが、ほぼ均一な磁場が得られている。

［シミュレーション１］
本発明のアンテナモデルとして、実施例と同様の全体形状を有するアンテナモデルを用いた。但し、各寸法は以下の通りである。導体は、幅２０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの銅リボンで構成されている。アンテナのサイズは、断面が幅６００ｍｍ×高さ６００ｍｍｍの大きさであり、長さが４５０ｍｍの長さであり、総巻数が１５巻である。第１乃至第３のコイルの２つの間隔は、１巻き分である。

図７は比較例のアンテナモデルの外観を示す斜視図である。この比較例のアンテナモデルとして、上記本発明のアンテナモデルにおいて、間隔が形成されていないソレノイド１４が用いられた。

そして、これらのアンテナモデルを周波数３．３ＭＨｚ（波長＝９０．３ｍ）で励磁した場合の磁場強度を求めた。

図８はこれらのアンテナモデルの軸方向における磁場強度の分布を示すグラフである。

図８において、横軸はアンテナの軸方向における位置（単位：ｍｍ）を示し、縦軸は磁場強度（単位：任意単位［a.u.］）を示す。図８には、アンテナの断面における中央部の磁場強度が示されている。また、実線は本発明のアンテナモデルの磁場強度を示し、破線は比較例のアンテナモデルの磁場強度を示す。図８によれば、比較例のアンテナモデルでは、アンテナの軸方方向において、磁場強度は、アンテナ４の中央部で高く、両端に向かうに連れて急激に低くなっているが、本発明のアンテナモデルでは、この低下の程度が緩和され磁場強度の均一性が向上している。

図９はアンテナモデルの電流密度を示す図であって、（ａ）は本発明のアンテナモデルの電流密度を示す図、（ｂ）は比較例のアンテナモデルの電流密度を示す図である。なお、図９に示すアンテナモデルは上記モデルとは巻数が異なっていて、本発明のアンテナモデルは各コイルの巻数が６巻であり、比較例のアンテナモデルの総巻数が２０巻である。しかし、傾向は上記アンテナモデルと同じである。図９は導体表面の電流密度を示しており、淡い部分は図面下向きの電流であり、濃い部分は図面上向きの電流であることを示しいる。

図９（ｂ）に示すように、比較例のアンテナモデルでは、アンテナの両端部と中央部とで電流密度や電流の向きが異なっているのに対し、図９（ａ）に示すように、本発明のアンテナモデルでは、分割された各コイルの互いに対応する部分において、電流密度及び電流の向きが実質的に一致していることが確認された。電流密度及び電流の向きが実質的に一致していることにより、本発明のアンテナモデルでは磁場の均一性が向上しているのであると本発明者等は推察している。
［シミュレーション２］
図１０は他のシミュレーションのアンテナモデルにおける電流密度を示す図である。

本シミュレーションではアンテナが全体としてソレノイド状に配置された２つのコイル（巻数は１０巻）で構成されている。このような構成としても、図１０に示すように、分割された各コイルの互いに対応する部分において、電流密度及び電流の向きが実質的に一致している。従って、上記と同様の効果が得られる。

［まとめ］
以上に説明した本実施の形態の効果をまとめると以下のようになる。

ＮＱＲ検査においては、検査の精度を高くするために検知領域（アンテナ４の内部空間）における磁場強度が均一であることが望ましい。このため、従来は、アンテナとして、一定の磁場を効率的に発生できるソレノイドが用いられている。しかし、このようにアンテナが単一のソレノイドで構成されていると、いわゆる端効果により、両端部の磁場強度が中央部の磁場強度より低くなり、かつ両端部においては、径方向にも磁場強度の分布が生じる（中心から外方に向かって磁場強度が低下する）。もし、ソレノイドが直流電流で励磁されるのであれば、良く知られているように、ソレノイドを長くすることによって軸方向及び径方向に置ける磁場強度の分布を低減することができる。しかし、ＮＱＲ検査では、ラジオ周波数の電流でアンテナが励磁されるので、ソレノイドを長くすると、励磁電流（検査波信号）の波長に比べてソレノイドの導体長さが十分小さくない場合には、ソレノイドの導体において、励磁電流の波長に対応した電流分布が生じるため、磁場強度の分布を改善することができない。実際、ＮＱＲ検査では励磁電流の周波数は数ＭＨｚであるので、従来のソレノイドの導体長さは、励磁電流の波長の２分の１程度となる。

これに対し、本実施の形態のアンテナ４によれば、アンテナ４が、互いに間隔を有してソレノイド状に配置された２以上のコイル４Ａ〜４Ｃで構成され、両端のコイル４Ａ，４Ｃの外端部が送信回路１及び受信回路６に接続されるので、アンテナ４を構成する２以上のコイル４Ａ〜４Ｃが互いに磁気結合し、それにより、各々の互いに対応する部分において、電流密度及び電流の向きが実質的に一致する。その結果、アンテナ４の軸方向における磁場強度の均一性が向上する。しかも、この効果は、アンテナ４の長さ、アンテナ４の導体の長さに関わらず得られる。

なお、上記では、アンテナを構成する各コイルは単に間隔（空隙）を置いて配置されているだけであるが、各コイルが電気部品としてのコンデンサ（コイル間に形成される等価キャパシタンスとは別個のもの）によって互いに接続されてもよい。このような構成としても上記と同様の効果を得ることができる。

本発明のＮＱＲ検査用アンテナは、ＮＱＲ検査装置のアンテナとして有用である。

本発明のＮＱＲ検査装置は、航空機の手荷物検査装置等として有用である。

本発明の実施の形態に係るＮＱＲ検査装置の概略の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係るアンテナの構造を模式的に示す斜視図である。 アンテナの等価回路を示す回路図である。 整合器の構成を示す回路図である。 図１のＮＱＲ検査装置の動作を示す図であって、（ａ）は検査波信号の波形を示すグラフ、（ｂ）は応答波の受波信号の波形を示すグラフ、（ｃ）は応答波の受波信号の周波数スペクトルを示すグラフである。 本発明の実施例のアンテナの軸方向における磁場強度の分布を示すグラフである。 比較例のアンテナモデルの外観を示す斜視図である。 アンテナモデルの軸方向における磁場強度の分布を示すグラフである。 アンテナモデルの電流密度を示す図であって、（ａ）は本発明のアンテナモデルの電流密度を示す図、（ｂ）は比較例のアンテナモデルの電流密度を示す図である。 他のシミュレーションのアンテナモデルにおける電流密度を示す図である。

符号の説明

１ 送信回路
２ 分配器
３ 整合器
４ アンテナ
４Ａ〜４Ｃ 第１乃至第３のコイル
５ 増幅器
６ 受信回路
７ 制御計測装置
８ 電磁波シールド
９ ベルトコンベア
１０ 被検査物
１１Ａ，１１Ｂ 配線
１２ 磁気結合
１４ 比較例のアンテナモデル
２０ 検査領域
１００ ＮＱＲ検査装置
Ｗ１ 検査波信号
Ｗ２ 応答波の受波信号（ＮＱＲ信号）
Ｗ２ａ ＮＱＲ信号の減衰

Claims (4)

1. ＮＱＲ検査装置において送信器及び受信器に接続して用いられるＮＱＲ検査用アンテナであって、
   互いに間隔を有してソレノイド状に配置された２以上のコイルで構成され、両端の前記コイルが前記送信器及び前記受信器に接続されるようにして用いられる、ＮＱＲ検査用アンテナ。
2. 前記２以上のコイルが互いにコンデンサによって接続されている、請求項１に記載のＮＱＲ検査用アンテナ。
3. 所定のラジオ周波数の検査波信号を出力する送信器と、
   コイルからなり、その内部空間を通過する被検査物に前記送信器から出力される検査波信号に応じた検査波を放射し、この検査波に対し前記被検査物から放出される応答波を受波するアンテナと、
   前記アンテナの電気出力から前記応答波の受波信号を抽出する受信器と、
   前記受信器で抽出された前記応答波の受波信号中のＮＱＲ信号を利用して前記被検査物が所定の薬物を含むか否かを判定する判定器と、を備え、
   前記アンテナは、互いに間隔を有してソレノイド状に配置された２以上のコイルで構成され、両端の前記コイルが前記送信器及び前記受信器に接続されている、ＮＱＲ検査装置。
4. 前記２以上のコイルが互いにコンデンサによって接続されている、請求項３に記載のＮＱＲ検査装置。

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