JPH04502204A - 非金属材料の検出 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 非金属材料の検出 本発明は、非金属材料の検出、特に電気特性を試験することによって非金属材料 の特性を決定する方法および装置に関する。

非金属材料の電気特性は測定するために使用された電気信号の周波数によって変 化する非金属材料の一般的な特性である。これは、例えば文献「「誘電体材料」 の第１１章のＷ、１゜ＤＩｌ目ｉｎ氏の「電気および磁気」　（第３版、ＭＣＧ ｒｔｗ−Ｂｉｌｌ　）　］の１１．９および１１．１０節に記載されており、電 子、イオンおよび配向極性のような分子レベルの極性から生じる誘電体材料の誘 電定数（または比誘電率）ε　の周波数の変化が説明されている。なぜなら、電 気特性の変化は非金属材料の分子構造に関係するため、異なる周波数における電 気特性を検査することによって材料を識別することが可能である。

顕著な双極モーメントを有する分子から構成される非金属材料に対して、低い周 波数における誘電定数の変化は主として配向極性に依存する。この特性の材料は 低い周波数で高い誘電定数を有する傾向があり、周波数が増加するにしたがって この誘電定数は間欠的な段階で降下し、その誘電定数の各降下に材料の導電率の ピークが伴う。したがって、対象物に複数の異なる周波数を加えて導電率の特性 ピークが生じるか否かを検査することによって、顕著な双極モーメントを有する 分子から構成された特定の材料の存在を試験することが可能である。

同様に、非金属材料は、高い周波数の供給された電界を使用し分子レベルでのイ オンおよび、または電子分極による電気特性の変化の特性効果を検査することに よって識別され検出されることができる。配向極性の効果の検出に関係して以下 説明される本発明の実施例は、予定められた材料がイオンおよび、または電子分 極の効果の検出により識別され検出されることができるように変更されることが 可能であることを理解すべきである。

この原理は麻薬を所持しているか、爆発物の有無に対して積み荷を試験するか、 或いは目的物の構成要素を分析するか等かを検査するような多くの異なる適用に 対する装置に採用されることができる。

本発明は、 複数の周波数における交流電界を検出領域に加え、交流電界に対する検出領域の 内容の応答特性を測定し、測定された応答特性と予め定められた非金属材料の周 波数特性を示す蓄積された情報とを比較し、比較の結果を示す段階を含む検出領 域内の予め定められた非金属材料を検出する方法を提供する。

本発明はさらに、 複数の異なる周波数における交流電界を検出領域に加える手段と、 交流電界に対する検出領域の内容の応答特性を測定する手段と、 予め定められた非金属材料の周波数特性を示す情報を蓄積する手段と、 測定された応答特性と予め定められた非金属材料の周波数特性を示す蓄積された 情報とを比較する手段と、比較結果を示す手段とを含む予め定められた非金属材 料を検出する装置を提供する。

第１の概念から、その方法および装置は供給された電気信号に対する材料の周波 数特性を決定することができる。

第２の概念から、その方法および装置は大きい電磁パルスを非金属材料に供給し 、結果として非金属材料によって放射されたエネルギを試験することができる。

本発明の特徴および利点は単なる例示である添付図面を参照にした以下説明され る実施例から明らかであろう。

第１図は分子全体が有極性であるか或いは分子が大きく単一双極サイドグループ を有するかいずれかの場合における配向極性により単一誘電体緩和を有する材料 の特性を示す。

第２図は本発明の第１の実施例による検出装置の説明図である。

第３ａ図は本発明の１実施例によるパルスエコー材料検出装置に使用できる装置 の概略図を示す。

第３ｂ図は第３ａ図の装置に適用できるパルスの型式および受信可能な応答特性 の型式の１例の波形を示す。

第１図を参照にすると、極性を有する分子全体或いは単一双極サイドグループを 有する大きい分子のいずれかによる単一誘電緩和を有する材料の特性が示されて いる。そのような材料の例は水およびエタノールである。幾つかの双極子を有す るもっと複雑な材料は幾つかの段階およびそれに関係する導電率ピークを有する 。これは例えば幾つかの磁極サイドグループを備えた大きい分子を有する有機混 合物である。

材料が電磁放射を透過するか反射するか或いは吸収する程度は誘電定数および導 電率に依存する。高い誘電定数または導電率を有する材料は入射エネルギの大部 分を反射する傾向があり、低い誘電定数または導電率を有する材料は入射エネル ギの大部分を透過する傾向がある（すなわち材料は透明である）。しかし、低い 誘電定数および適度の導電率を有する材料はある程度の入射エネルギを反射する が、その残部は吸収される傾向がある。

結果的に、所定の材料の特性は広い周波数領域にわたってダイナミックに変化で きることが認識される。したがって、それはある周波数領域において良好な反射 装置であり、別の領域に吸収装置であり、第３の周波数領域においては透明であ る。

予め定められた非金属材料に対して、導電率の周波数特性（高い反射を示す）は 試験されることが可能であり、その材料の存在することを検出することが可能で ある。二の機能は英国特許出願ＧＢ−Ａ−２１９９７］５号明細書に開示された ような検出装置に組合わせられることが可能である。

この発明の第１の実施例によると、予備測定として、検出されるべき（基準）材 料の電気特性がどのように周波数によって変化するかを決定することが必要であ る。基準材料の都合のよい大きさのサンプルは多くの異なる周波数における交流 電界を受け、各周波数における応答特性が測定される。

例えば、基準材料は有極性であり、配向分極による誘電定数の変化を使用して検 出される場合、信号の読取りはｌＯギガヘルツ程度の範囲までの多くの異なる周 波数において行われる。各測定周波数における誘電定数は標準の方法、例えば上 述のＤｕｆｆｉｎ氏の文献の１１．１０章に記載された技術を使用し、ＣｒとＣ ｏの比が計算して決定される。ここでＣｒはプレート間の隙間を満たす基準材料 を有するキャパシタのキャパシタパンスであり、Ｃｏは基準材料を有しない同じ 型のキャパシタのキャパシタバンスである。

基準材料に対するサンプル周波数特性を設定するのに必要な差異測定周波数の数 は分子構造の複雑性に依存する（例えば１つまたは多数の誘電緩和が存在する） 。しかしながら、一般に、サンプル周波数特性が設定されるとき、時間抑制がな いので、領域にわたる多くの周波数における測定を行うことが可能である。

サンプル周波数特性は試験のために与えられた人／物について行われる信号の読 取りと比較するために利用できるように蓄積される。この蓄積方法および媒体は 使用されるべき詳細な検出装置に適合されることができる。ρりえば読取り専用 メモリＲＯＭ、または磁気テープまたはディスクを使用することができる。

本発明のこの第１の実施例による詳細な検出装置の１例は第２図に示される。こ れは英国共同特許出願ＧＢ−Ａ−２１９９７１５号明細書に開示されているよう な「出入り口Ｊ　（ｄｏｏｒ　ｗＢ）型検出装置の変形であり、大または物を特 定の物体（麻薬、爆発物または密輸品のような）の出入り口を通過するのを検査 するように適応される。検出装置の一般的な構成および動作に関する情報は英国 特許ＧＢ−Ａ−２１９９７１５号明細書を参照するとする。各アンテナは電磁放 射を検出領域に送信し、他のアンテナは検出領域内の物体によって反射或いは透 過された放射を受信する。受信された信号は検出領域内の物体の形状、寸法、お よび導電率に関する情報を含む。多くの異なる周波数における送信シーケンスを 繰返すことによって、多くの受信された信号の組が生成され、受信された信号の 粗間の差は検出領域内の物体の反射率（すなわち導電率）の変化に関係する。受 信された信号組はプロセッサ９へ送られ、このプロセッサ９は基準材料が検出領 域内に存在するか否かをアクセスするために信号組どおしを比較しまたそれと基 準材料の蓄積されたサンプル周波数特性を比較する。

第２図に示された検出装置の構造は、アンテナアレイ５が所望の範囲内に多くの 異なる周波数の信号を受信するように適応される（例えばアンテナは広帯域用で あるか或いは複数のアンテナの組が異なる周波数において動作するように使用さ れることができる）点において英国特許ＧＢ−Ａ−２１９９７１５号明細書に開 示された検出装置と異なる。電磁放射のソースは多くの異なる周波数を生成する ように構成される。さらに、プロセッサ９によって実行された処理は英国特許Ｇ Ｂ−Ａ−２１９９７１５号明細書に開示された装置で実行されるものとは異なる 。

検出領域に送信されるべき必要な異なる周波数の数は基準材料の分子構造の複雑 性および所望な検出の正確度に依存する。もし基準材料が単一の誘電緩和だけを 有するならば、２つの周波数すなわち導電率共振より十分に低い１つの周波数お よび導電率共振ピークでの周波数が必要である。もしも２つの周波数で受信され た信号組の差が取出されるならば、これはアンテナアレイ５によって形成された 画像データの「差異」を実効的に高める。

第２図に示された型の検出装置において、検出領域に送信された出力は任意の試 験した人の健康の障害を避けるのに必要であるため典型的に１０ｍＷ乃至ＩＷで ある。試験に必要な時間の長さは検出領域を走査するのに必要な時間および受信 された信号を処理するのに必要な時間から構成される。「走査」時間はアンテナ 間のスイッチング速度および受信された信号のアナログ−デジタル変換の速度に よって制限される。

処理時間は検出領域を走査するのに使用される異なる周波数の数によって変化す る。全体の試験処理は一般的に分単位ではなく秒単位程度の期間を有する。

さらに、本発明の目的を達成する別の方法は双極子から「エコー」を検出するこ とである。誘電体材料は大きい電気−電磁パルスを受けるとき、多少のエネルギ は材料内の双極子によって吸収される。パルスの後、エネルギのいくかは双極緩 和として再び放射される。この後に生じる物理的現象は周波数が変化するにした がって異なる誘電特性を誘起することと同じである。実際、上述の導電率のピー クの周波数は双極子が応答特性するのに必要な時間に逆比例する。

エネルギを基準材料に結合するために、バーストの周波数は緩和の周波数にある か或いはそれより下である。バースト中の周波数の適切な選択によって、一度で 材料のある範囲を試験することが可能である。本発明のこの実施例において、送 信されたバーストを人に与えることは危険であるため、この技術は物体を検査す るために交換されなければならない。

第３ａ図はこのパルスエコー材料検出システムの構成を示す。

検出システムはコンピュータ１０によって制御され、パルス発生器２０は増幅器 ４０およびアンテナ５０を通って物体３０に供給される大きいエネルギの電磁パ ルスを放出するために制御される。アンテナ６０は供給されたパルスの結果とし て物体３０からの出力信号を受信する。これはＡ／Ｄ変換器７０によってデジタ ル化され、検出装置が検出するために捜査することができる任意の予め定められ た材料から構成されている物体か否かを決定するためにコンピュータ１０によっ て解析される。例えば、解析は受信された信号スペクトルと種々の予め定められ た材料の前もって蓄積されていたスペクトルとを比較することによって行われる 。第３ｂ図は供給され受信されることができる波形形式の例を示す。

上述の２つの方法のいずれかおよび両方（検出されるべき特定の材料に依存する ）は例えば出入り口を通過する個々の人を検査し特定の非金属材料を持っている か否かを検出するために出入り口に設置されることができる。

検出可能な物質は爆発物および麻薬を含む。したがって、この出入り口装置は人 および荷物の両方に対するアクセス制御、警察および輸送制御用に使用されるこ とが可能である。

それは電磁波の低電力走査を使用し、取付けられたコンピュータによってほぼ即 時に結果を知ることができるので、検出装置は特定の材料の移動を制御するため に幅広くしようされることが可能であり、新しい適用（例えば公共の集まりに出 席する人々の走査）も可能である。

さらに、英国特許ＧＢ−Ａ−２１９９７１５号明細書に開示された装置ような金 属検出装置および物体検出装置中に付加的な特徴として設けられることが可能で ある。

本発明の実施例は発生する温度変化を考慮する設備を含むことができ、或いは温 度安定手段を用いることができる。

（ａ）　誘電定数の周波数特性 （ｂ）　導電率の周波数特性 （ｉ）　トリガー　（ｉｉ）　受信信号補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４ 条の８）平成３年４月３０日

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．複数の周波数の交流電界を検出領域に印加し、交流電界に対する検出領域の 内容の応答特性を測定し、測定された応答特性と予め定められた非金属材料の周 波数特性を示す蓄積された情報とを比較し、比較の結果を指示する段階を含む検 出領域内の予め定められた非金属材料を検出する方法。
2. ２．交流電界を印加する段階は複数の異なる周波数のそれぞれの電磁放射を検出 領域に連続して送信し、測定段階は複数の異なる周波数のそれぞれの検出領域の 内容の応答特性を測定する請求項１記載の方法。
3. ３．測定段階は検出領域の内容の導電率を測定する請求項１または２記載の方法 。
4. ４．交流電界を印加する段階は周波数範囲を含む電磁エネルギのバーストを検出 領域に印加し、測定段階は検出領域の内容がバーストから吸収された電磁エネル ギを再送信する前の時間長を測定する請求項１記載の方法。
5. ５．さらに予め定められた非金属材料の周波数特性を示す情報を発生し蓄積する 段階を含み、発生段階は複数の異なる肩波数のそれぞれの交流電界を予め定めら れた非金属材料のサンプルに印加し、各周波数におけるサンプルの応答特性を測 定する請求項１乃至４のいずれか１項記載の方法。
6. ６．複数の異なる周波数の交流電界を検出領域に印加する手段と、 交流電界に対する検出領域の内容の応答特性を測定する手段と、 予め定められた非金属材料の周波数特性を示す情報を蓄積する手段と、 測定された応答特性と予め定められた非金属材料の周波数特性を示す蓄積された 情報を比較する手段と、比較の結果を指示する手段とを具備している予め定めら れた非金属材料を検出する装置。
7. ７．交流電界を印加する手段は複数の異なる周波数のそれぞれの電磁放射を検出 領域に連続して送信する手段を含み、測定手段は複数の異なる周波数のそれぞれ の検出領域の内容の応答特性を測定する手段を含む請求項６記載の装置。
8. ８．測定手段は検出領域の内容の導電率を測定する手段を含む請求項６または７ 記載の装置。
9. ９．交流電界を印加する手段は検出領域を限定し電磁放射を検出領域に送信し電 磁放射を検出領域から受信するように構成されているアンテナアレイを具備して いる請求項６乃至８のいずれか１項記載の装置。
10. １０．交流電界を印加する手段は電磁エネルギのバーストを検出領域に印加する 手段を含み、測定手段はバーストから吸収されたエネルギを再送信するのに検出 領域の内容が必要な時間を測定する手段を含む請求項６記載の装置。