JP5264724B2 - パルス高エネルギー粒子に基づく検出システム及び検出方法 - Google Patents
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Description
熱中性子分析(TNA,Thermal Neutron Analysis)は、例えば、空港での機内預け手荷物の検査のために検討された。より具体的には、低エネルギー中性子はある種の爆発物に含有される窒素からガンマ線(γ線)を放出させ、核分裂性物質がそれら自体の中性子を放出するように仕向ける。しかし、第一世代のTNA検査装置は、典型的な手荷物は数多くの窒素含有物品を含んでいることから、許容できない割合で誤作動警報を生じた。さらに、TNAは中性子供給源からの高速中性子を熱中性子に減速させるための減速材を必要とする。
中性子は、1eVより低エネルギーであると、H、NまたはFeのような元素により容易に捕獲されることができ、このような(n.γ)捕獲反応から即発γフォトンを生ずる。別の熱中性子反応スペクトルが、この期間中に検出されるガンマ線放出から構築される。文書DE10323093A1はこのような手法を開示している。
しかし、妥当な空間解像度を得ようとするなら、非常に短い単一エネルギー中性子パルスを必要とする。典型的には、そのような中性子源は線形(リニア)加速器から生ずる。PFNAシステムに基づいたこの種の加速器が、貨物容器の検査用及び空軍の安全性(air security)用に開発されて好結果が得られたが、線形加速器に伴う大型サイズと実質的な遮蔽の必要性は、このシステムが運搬可能ではないことを意味し、従ってこの方法は地雷除去(demining)または空港用途用には適していない。
このネックは、ガンマスペクトルの蓄積を創成し、従ってサンプル内の化学元素の検出を可能にするのに標準的なフォトンカウンティング(計数)法が必要であることの結果である。
そのことが、上述したような、実際的な検出を行うのに十分な高い信号雑音比で有用なスペクトルを構築するための数分の検出時間につながる。その理由は、良好な品質のスペクトルを取得するには、1回が典型的には1マイクロ秒以上を必要とする測定を106回以上行うことが必要となるからである。
より具体的には、コストパフォーマンスおよび許容できる設置面積という自明な観点に加えて、信頼性および非常に速い検出時間を与えるシステムが非常に望ましいであろう。
本発明の別の目的は、偽(誤動作)警報発生率を著しく低減し、オペレータの決定のための改善されたデータ出力を提供することができる同定システムを提供することである。
本発明のさらに別の目的は、単一の(1パルスの)高強度中性子パルスによって短い応答時間で、空港手荷物中のバルク(ばら)状爆発物の存在または地雷除去における地雷の存在を検出することを可能にする検出システムを提供することである。
・中性子およびガンマ・フォトン(γフォトン)の両方を含む高エネルギー粒子のパルス束(パルス化フラックス)を発生させ、かつ該パルス束を分析すべき物品の方向に指向させるための粒子源(粒子供給装置)、該粒子は該物品中の物質の核と反応させるためのものである、
・該高エネルギー粒子の該パルス束に反応して該物品から来て、それに衝突する中性子およびγフォトンに、それぞれのエネルギー範囲において反応する、少なくとも3つの検出器アセンブリを含んでいる検出ユニット、これらの検出器アセンブリは衝突γフォトンおよび中性子を表示する電流信号を経時的に送給するために電流検出モードで動作するように配置されている、および
・時間関連信号特性を含む、前記物品への前記パルス束の印加後の前記信号からのサインを、このサインを格納ずみ参照サインと比較するために発生させることができる、前記検出器アセンブリの出力側に接続されたデータ処理ユニット。
*各検出器アセンブリがそれぞれのエネルギー帯域通過フィルター(バンドパスフィルター)を備える。
*該中性子およびγフォトン源(粒子供給装置)が下記を備える:
・第1および第2の電極、
・第1電極におけるプラズマイオン源
・重陽子(デューテロン)を含有するイオンプラズマを第2電極に向かって進展させるためのプラズマイオン源ドライバ(駆動装置)、
・前記イオンプラズマが前記第2電極から離間して(距離を置いて)重陽子の空間分布を持った遷移状態にある時点において、従来の真空ダイオードの空間電荷電流制限を克服しつつ前記第2電極に向かって前記重陽子を加速させるように、前記両電極間に短い高電圧パルスを印加する手段、および
・前記第2電極は、重陽子/リチウム相互作用によって前記第2電極で前記中性子を発生するように、リチウム含有ターゲットを形成し、ここで中性子は前記ターゲットと相互作用してγフォトンを生ずる。
*前記中性子は、存在しうる周囲の元素と相互作用せずに炭素系物質の検出に適した、少なくとも5MeVのエネルギーを有する。
*検出器アセンブリにより送給された信号が前記粒子供給装置からの中性子およびγフォトンを含む粒子の1個の単パルスに対応する。
・中性子およびγフォトンの両方を含む高エネルギー粒子のパルス束を分析すべき物品に印加し、ここで該粒子は該物品中の材料の核と反応させるためのものであり、
・該印加に応答して該物品から来る中性子およびγフォトンを少なくとも2つの異なるエネルギー範囲で、かつ経時的に衝突γフォトンおよび中性子を表す電流信号を送給するような電流検出モードで検出し、
・こうして検出された中性子およびγフォトンを表す時間分解された電流信号を送りだし、
・該信号の時間に関連する特徴からサインを発生させ、そして
該サインを格納ずみ参照サインと比較する。
添付図面を参照すると、本発明に係る同定システム700が図1に示され、これは下記を備える:
・検査すべき物品600の搬送システム650;
・高エネルギー粒子源(粒子供給装置)500;
・検出ユニット400;および
・データ処理ユニット800。
この供給装置は、制御ユニット300により制御されるパルス化パワー(パルス電力供給)ユニット200に応答(反応)して、高エネルギー粒子のフラックス(束)を発生させる粒子発生器100を備える。
供給装置500を検出ユニット400と組み合わせて使用し、透過する高エネルギー粒子源との相互作用によって、検査物品600内に含まれている物質を表示するγフォトンおよび中性子信号を検出する。
粒子供給装置500
粒子発生器100は、パルス電力供給ユニット200により駆動されて、高エネルギー粒子の短パルス140を発生させる。
典型的には、2つの電極110と120との間の距離は数センチメートルであり、圧力は0.1〜10Paの範囲内である。
この同期された指令によって、2つの電極110と120との間に所定の遅延時間dtの後に適当なパルス電圧215の印加を開始させるように高電圧パルス供給装置210を制御することにより、該プラズマから電荷粒子ビームが取り出される。
より詳しくは、220V、50Hzのような幹線(mains)電圧源をまず慣用の電子インバータユニットを用いて30kVに高める。この電圧を用いてトリガ制御に感応性の4段マルクス回路に給電すると、120kVの電圧パルスを生ずる。この電圧を次いでパルス整形回路の充電に使用すると、120kVの5nsパルスを生ずる。このパルス整形回路の出力をパルストランスに連結させて、最終の720kVの5ns電圧パルス215を得る。
供給装置500は、多様な種類の高エネルギー粒子ビームを発生させるのに使用することができる。本発明の好適態様では、かかる粒子は中性子およびγフォトンであり、それらは、kA程度の大きさの電流値で10ns前後の持続時間を持つ高エネルギーの荷電重陽子粒子ビームをリチウム合金ターゲット電極120に衝突させることにより発生し、それにより108より多い中性子の10nsパルス140が生成し、こうして14MeVまでの広いエネルギー分布を有する1016中性子/秒の高い等価フルエンス率(equivalent fluence rate)が得られる。
比較すると、例えば、US−5200626A(特許文献3)に記載されているような従来の密閉式中性子管は典型的には少量の中性子を10マイクロ秒の発射(バースト)で供給し、108n/sの等価フルエンス率を得るにはこのバーストを1kHz以上の周波数で反復しなければならず、分析に十分なγフォトンデータを得るには数分の動作が必要である。それにより、放射線量率は、本発明で起こるのに比べて少なくとも2桁は高くなる。
図2に示すように、検出ユニット400は、1列状に配置された検出器(図示例では3個)411、412、413から構成されたγフォトン検出器部材410を備える。
各検出器は好ましくは、γフォトンおよび中性子の両方に感受性となるように選択された適当な表面積の慣用のプラスチック・シンチレータ(例えば、周知のNE102A型のもの)を備え、供給源500により発生させたビーム140に曝された時に物品600から後方散乱されるγフォトンおよび中性子を表示する信号を出力する。
各検出器411、412および413は、特定のエネルギースペクトルの範囲内で反応し、これは好ましくは物品600から個々の検出器への中性子およびγフォトンの走路上に材料(図示せず)を配置することにより達成される。これらの材料は各検出器411、412および413に対して異なるエネルギー範囲をもつエネルギー帯域通過フィルターとして作用する。
光電子増倍管431、432および433からの信号出力は全体を440として示すアナログ−ディジタル変換器に供給され、照射された物品600から受けとったフォトン/粒子を異なるエネルギー帯域で時間の関数として表示する対応するディジタルデータの流れ(ストリーム)を得るようにする。
この例では、10nsの持続時間をもつ約108の中性子の単パルスP1が4π立体角で放出される。次のγフォトンのパルスP2が、わずかな時間ずれとわずかにより長い持続時間で放出される。このガンマ・パルスP2は、中性子パルスP1が中性子発生ターゲットのすぐ周囲と相互作用する結果として、ならびにターゲットそれ自体の内部で発生するものである。
・最初に、収集信号S1は、検出器に直接到達するガンマ・パルスP2のフラクション(一部分)に起因する。
・数十ナノ秒後に受けとる信号S3は、高エネルギー中性子が物品600を直接通過して、該物品の物質の核との非弾性衝突を有する時に発生した高エネルギーγフォトンからなる;中性子パルスPが非常に短く、走行速度が比較的遅い(10MeVの中性子は1ナノ秒で約4.4cm走行する)ことにより、良好な空間識別が可能となる;また、中性子束が高強度であるため、検出器からの信号雑音比が良好となる。
・これらの信号の後に続く(マイクロ秒のオーダの時間スケールで)のは、物品から後方散乱された中性子に対応する信号S4である。
較正は、それぞれ個々の光電子増倍管に連結された複数の光ファイバーに連結された喜寿パルス光源を用いて行うことができる。こうすると、各光電子増倍管は同一の光ファイバー連結により同じ較正用光源により照射されることになる。
データ処理ユニット800は、検出ユニット400から受けとった複数の信号A、BおよびCのための適当な信号処理能力を有する。
前述したように、本発明の典型的な用途は空港手荷物の安全(保安)検査ならびに地雷および対人爆雷のような埋設物体の検出であるが、本発明は多くの他の用途も有することができる。
Claims (12)
- 下記を備えた検出システム:
・中性子およびγフォトンの両方を含む高エネルギー粒子のパルス束(140)を発生させ、かつ該パルス束を分析すべき物品(600)の方向に指向させるための粒子供給装置(500)、該粒子は該物品中の物質の核と反応させるためのものである、
・少なくとも3つの検出器アセンブリ(411, 421, 431; 412, 422, 432; 413, 423, 433)を含む検出ユニット(400)、これらの検出器アセンブリは、それぞれのエネルギー範囲において、該高エネルギー粒子パルス束に反応して該物品から来て、前記検出器アセンブリであって、各々異なるエネルギー帯域に感受性を有する検出器アセンブリに衝突する中性子およびγフォトンに反応性であり、これらの検出器アセンブリは、衝突γフォトンおよび中性子を表示する電流信号を経時的に送給するために電流検出モードで動作するように配置されている、および
・時間関連信号特性を含む、前記物品への前記パルス束の印加後の前記信号からのサインを、このサインを格納ずみ参照サインと比較するために発生させることができる、前記検出器アセンブリの出力側に接続されたデータ処理ユニット。 - 各検出器アセンブリが異なるエネルギー帯域のエネルギー帯域通過フィルターを備える、請求項1に記載のシステム。
- 各検出器アセンブリが、1組の可撓性光ファイバーケーブル(421; 422; 423)により光電子増倍管(431; 432; 433)に連結されたシンチレータ(411; 412; 413)を備える、請求項1または2に記載のシステム。
- 前記粒子供給装置が
・第1および第2の電極(110, 120)、
・第1電極におけるプラズマイオン源、
・重陽子を含有するイオンプラズマを第2電極に向かって進展させることができるプラズマイオン源ドライバ(220)、および
・前記イオンプラズマが、前記第2電極から離間して重陽子の空間分布を持った遷移状態にある時点において、従来の真空ダイオードの空間電荷電流制限を克服しつつ前記第2電極に向かって前記重陽子を加速させるように、前記両電極間に短い高電圧パルスを印加する手段(210)、
を備え、前記第2電極(120)は、重陽子/リチウム相互作用によって前記第2電極で前記中性子を発生させるように、リチウム含有ターゲットを形成し、ここで中性子は前記ターゲットと相互作用してγフォトンを生ずる請求項1〜3のいずれか1項に記載のシステム。 - 前記中性子が少なくとも3MeVのエネルギーを有する、請求項1〜4のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記中性子が少なくとも5MeVのエネルギーを有する、請求項1〜4のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記中性子が少なくとも8MeVのエネルギーを有する、請求項1〜4のいずれか1項に記載のシステム。
- 検出器アセンブリにより送給された信号が前記粒子供給装置からの中性子およびγフォトンの一つの単パルスに対応する、請求項1〜7のいずれか1項に記載のシステム。
- 下記工程を含む、物品中に含まれる材料、物質または化合物の特性の検出方法:
・中性子およびγフォトンの両方を含む高エネルギー粒子のパルス束を分析すべき物品に印加する工程であって、ここで該粒子は該物品中の物質の核と反応させるためのものである工程、
・電流検出モードで、該印加に応答して該物品から来る中性子およびγフォトンを、各々相互に異なる少なくとも3つの異なるエネルギー範囲で、かつ経時的に衝突γフォトンおよび中性子を表す電流信号を送給するような電流検出モードで検出する工程、
・こうして検出された中性子およびγフォトンを表す時間分解された電流信号を送りだす工程、
・該信号の時間に関連する特徴からサインを発生させる工程、そして
該サインを格納ずみ参照サインと比較する工程。 - 前記中性子が少なくとも3MeVのエネルギーを有する、請求項9に記載の方法。
- 前記中性子が少なくとも5MeVのエネルギーを有する、請求項9に記載の方法。
- 前記中性子が少なくとも8MeVのエネルギーを有する、請求項9に記載の方法。
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