JP6255414B2 - 材料の識別方法 - Google Patents

Description

本発明はＸ線またはγ線などの高エネルギー放射線および核磁気共鳴（Nuclear Magnetic Resonance）を用いて材料を識別する方法に関する。本発明は、ＮＭＲを用いた比法、例えば水素／電子比法を利用する。

本発明は、とりわけ、内部内容物および／または含有材料の組成についての情報を得ることが望ましい場合に、Ｘ線またはγ線などの高エネルギー放射線を利用して物体をスキャンする装置および方法に関する。

従来の材料識別技術の多くは、正確な識別のために液体の密度を用いる。これらの技術として、Ｘ線技術および核磁気共鳴技術が挙げられる。

ＮＭＲはＴ１およびＴ２の緩和時間を測定する。緩和時間を用いることによってある程度識別に成功するためである。相対核帯磁率は、例えば検査対象物中の全ての水素核から生じた帯磁率の総量の測定値である。これは全体積と相関する測定値であるため、通常これを単位体積当たりの帯磁率に換算して、Ｔ１およびＴ２と同種の材料特性にする必要がある。

本発明によれば、第１の態様において、物体の組成を識別および検出するための、物体の検査方法は、
核磁気共鳴技術を適用してサンプル内の相対核帯磁率と相関するデータ項目を取得する工 程と、
検査対象の物体の別の測定値と相関する別のデータ項目、特には電子の合計数を取得する工程と、
それらのデータ項目から比を求める工程とを備える。

この方法は、さらなる工程において、その比を用いてサンプルの材料内容物の指標を導出すると好都合である。

本発明の要点は、核磁気共鳴技術を用いて、検査対象の物体の別の測定値と相関する別のデータ項目、特には電子の合計数と共処理することができる、サンプル内の相対核帯磁率と相関するデータ項目を取得し、体積の測定を必要とせずに材料内容物について推断し得る比を導出することにある。

この方法により、考察対象の物体の体積の把握を不要とすることができる。

好適な実施形態において、物体の組成を識別および検出するための、物体の検査方法は、
試験対象の物体にＸ線またはγ線などの高エネルギー放射線を照射するとともに、該物体から放出される放射線を適切な検出システムで収集し、この際、該放出される放射線の強度データを試験対象の物体の全体積について収集する工程と、
放射線強度データを数値的に処理して、サンプル内の電子の合計数と相関する第１のデータ項目を取得する工程と、
核磁気共鳴技術を適用してサンプル内の水素原子の合計数と相関する第２のデータ項目を取得する工程と、
第１および第２のデータ項目から水素／電子比（ＨＥＲ：Hydrogen to Electron Ratio）を求める工程とを備える。

この方法は、さらなる工程において、ＨＥＲを用いてサンプルの材料内容物の指標を導出すると好都合である。

本発明は、Ｘ線測定とともに核磁気共鳴を用いて水素／電子比（ＨＥＲ）を取得することにより、体積を測定する必要をなくすことができる。

この好適な実施形態の要点は、物体内の電子の合計数と相関するデータ項目を取得する放射線技術とともに、サンプル内の水素原子の合計数と相関する第２のデータ項目を取得する核磁気共鳴技術を用いることにあり、また、この第２のデータ項目を第１の項目とともに共処理して、体積の測定を必要とせずに材料内容物について推断することを可能とするＨＥＲを求めることにある。両データ項目を調査する体積で積分した合計数として導出し、サンプルの体積を把握する必要がなくなるようにする。

放射線は、電離放射線などの高エネルギー放射線、例えばＸ線および／またはγ線などの高エネルギー電磁放射線からなることが好ましく、そのスペクトルの放射線の検出に対応するよう検出システムを構成する。放射線は、例えば、広範なエネルギーにわたる広帯域スペクトル放射を生じることが可能な広帯域Ｘ線源またはγ線源などの広帯域線源から発生するものである。

本発明の方法によれば、放射線技術を用いて、サンプル内の電子の合計数と相関する第１のデータ項目を導出する。これは、特には、透過強度情報を収集し、物体による減衰の測定結果を導出して、サンプル内の電子の合計数の測定値を導出することにより行い得る。

Ｘ線が媒体を通過する際、Ｘ線が減衰し得る様式として主に以下の２つの様式がある。
・低エネルギーでは、光子エネルギーを原子の軌道に乗る電子に伝達する光電効果の影響が大きくなる。
・より高いエネルギーでは、光子が原子の周囲の電子を散乱させるコンプトン散乱が起こる。

いずれのプロセスも、同じ割合ではないが、Ｘ線の経路内の電子数に依存する。例えば、低エネルギーでは、原子番号が約１０を超える材料の場合、電子殻効果が働く。そのため、ビーム中の電子数への吸収の依存はエネルギーにも依存する。

本発明はこの現象を利用して（このＸ線陰影技術を用いて）サンプル内の電子の合計数の測定値を取得し、その後この情報を直交技術とともに用いて材料識別情報を収集する方法に関する。

Ｘ線陰影技術の一実施形態では、物体全体に広帯域Ｘ線ビームを照射し、アレイ検出器で強度情報を収集する。サンプル全体の情報を集める別の実施形態は、ベルト上にサンプルを載せた状態で、物品全体をスキャンする単一の移動式検出器、すなわち多数のピクセルのリニアアレイ、を用いる大型の単一検出器から、サンプル全体を同時に捉える二次元アレイ検出器まで様々である。

何らかの実施形態によって照合された、体積全体にわたるＸ線情報を用いて、全ての検出器にわたる吸収を積分することにより電子計測数を計算し得る。

第１の近似値として、任意のエネルギーにおけるある材料の線減衰係数（μ）は、
である。
βを電子密度ρ_ｅに対する比例定数とすると、
である。
入射強度Ｉ_０を有する厚さｔの媒体から生じる任意のエネルギーのビームの出力強度Ｉのランベルト・ベールの式では、透過率Ｔは
で表される。
両辺の対数をとって先の式を線減衰係数に代入すると
となる。
面積ＡにわたるＸ線を収集すると、その面積にわたって積分することができる。
ただし、
であり、
である。
ここで、Ｖは調査するサンプルの体積であり、Ｎ_ｅはサンプル内の電子数である。したがって、
となる。
そのため、βを取得するようシステムを較正した場合、サンプル内の電子数を一連の透過率測定によって計算することができる。

本発明の実施形態では、このＸ線陰影技術を、サンプル内の水素原子の数を測定する核磁気共鳴測定技術と組み合わせる。

緩和パラメータＴ１およびＴ２のみを用いる、ＮＭＲを用いた液体爆薬探知が実証されている。これらは医療用ＭＲＩにコントラストをもたらすパラメータであり、多くの材料に非常に効果的であるであることが分かっている。これらのパラメータにより、調査対象のサンプル内の水素原子の数が効果的に得られる。ただし、これらの２つのパラメータのみでは区別することが困難な材料も存在する。

材料の判別を助ける別のパラメータは、相対核帯磁率ＲＮＳ（Relative Nuclear Susceptibility）である。しかし、この方法を用いるためには、材料の体積を把握する必要がある。ＮＭＲシステムのみではこの情報を得ることができず、また、この情報が得られるＸ線ＣＴなどの他の技術も利用できるが、高価である上に時間がかかる。これらのシステムであっても、危険物探知機にかけられる複雑で不規則な物体の体積を正確に測定することはできない。

本発明は、ＮＭＲにより得られる水素含有量とＸ線により得られる電子含有量を組み合わせて、材料の識別に用いることができる水素／電子比（ＨＥＲ）を得る。両技術によって調査対象の体積で積分した合計数を計測するため、サンプルの体積を把握する必要がなくなる。

Claims (4)

1. 物体の検査方法であって、
   核磁気共鳴技術を適用してサンプル内の水素原子の合計数と相関するデータ項目を取得する工程と、
   全体の検出面積にわたり積分した放射線の吸収から導かれる計算を実行することにより、サンプル内の電子の合計数と相関するさらなるデータ項目を取得する工程であり、
   該計算が、
   一連の透過率測定を実行し、次式の関係
   ここで、Ｉは、媒体から生じる、入射強度Ｉ０のビームにおける出力強度である、
   に従って、放射線の透過率Ｔを求める工程と、
   次式の関係
   ここで、βは、比例定数としてセットされたものである、
   に従って、全体の検出面積Ａにわたり積分を行い、それによって、サンプル内の電子の合計数Ｎｅと相関する積を求める工程とを備える、工程と、
   それらのデータ項目から比を求める工程とを備える方法。
2. 放射線の強度データを数値的に処理して、全体の検出面積にわたり積分した放射線の吸収から導かれる計算を実行することにより前記サンプル内の電子の合計数と相関する第１のデータ項目を取得する工程を備え、
   該計算が、
   一連の透過率測定を実行し、次式の関係
   ここで、Ｉは、厚さｔ、線減衰係数μの媒体から生じる任意のエネルギーにおける、入射強度Ｉ０のビームにおける出力強度である、
   に従って、放射線の透過率Ｔを求める工程と、
   次式の関係
   ここで、βは、電子密度ρｅに対する比例定数としてセットされたものである、
   に従って、全体の検出面積Ａにわたり積分を行う工程と、
   これらから、次式の関係
   に従って、サンプル内の電子の合計数Ｎｅを求める工程とを備える、請求項１に記載の方法。
3. 前記放射線が高エネルギー電離放射線からなる、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記放射線が広帯域Ｘ線源またはγ線源から発生する、請求項３に記載の方法。