窒素含有化合物の検知方法および装置
【課題】窒素以外の元素からのガンマ線を低減ないしは除去することができる、中性子探知法による窒素含有化合物の検知方法および装置の提供。
【解決手段】被検知領域に中性子を照射し、低密度のシンチレータおよび光電子増倍管を備える第１の検出器により被検知領域からのガンマ線を測定し、第１の検出器に連接し、複数層からなるガス式ドリフトチェンバーを備える荷電粒子二次元位置検出器により第１の検出器を透過した荷電粒子を測定し、低密度のシンチレータおよび光電子増倍管を備える第２の検出器により電子・陽電子を測定し、第１および第２の検出器から同時に信号が検出された場合において、荷電粒子二次元位置検出器に荷電粒子の２つの飛跡が検出され、且つ、当該２つの飛跡が所定の角度を構成する場合には、対生成反応が生じたと判定し、当該２つの飛跡から窒素に起因するガンマ線の入射方向を算出する窒素含有化合物の検知方法および装置。
【解決手段】被検知領域に中性子を照射し、低密度のシンチレータおよび光電子増倍管を備える第１の検出器により被検知領域からのガンマ線を測定し、第１の検出器に連接し、複数層からなるガス式ドリフトチェンバーを備える荷電粒子二次元位置検出器により第１の検出器を透過した荷電粒子を測定し、低密度のシンチレータおよび光電子増倍管を備える第２の検出器により電子・陽電子を測定し、第１および第２の検出器から同時に信号が検出された場合において、荷電粒子二次元位置検出器に荷電粒子の２つの飛跡が検出され、且つ、当該２つの飛跡が所定の角度を構成する場合には、対生成反応が生じたと判定し、当該２つの飛跡から窒素に起因するガンマ線の入射方向を算出する窒素含有化合物の検知方法および装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中性子を利用した窒素含有化合物の検知方法および装置に関し、例えば、１０．８ＭｅＶガンマ線による対生成反応を利用したガンマ線（γ線）飛来方向測定原理に基づく地雷等の爆薬物検知方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、地雷探知の手法としては、金属探知法によるものやレーダー探知法によるものが知られている。
金属探知法では、土壌に金属類を多く含む場合には誤探知が多いという問題があり、しかも、近年の対人地雷は、プラスチックや木製容器で覆われているものが多いため、探知精度は極めて低い。金属探知法による地雷の発見率は、５００〜１０００回に１回程度、有人による探知はせいぜい１日当たり１平方メートルとも言われている。
レーダー探知法は、地中に対して電波を送信し、送信された電波の反射波を受信して埋設物の探査を行うレーダー探査装置により行われる（例えば、特許文献１）。しかしながら、レーダー探知法では、対人地雷と似た形の石や異物が埋まっている場合には判別が困難であるという問題や、土壌に含まれる水分による影響を受けやすいという問題がある。
金属探知とレーダー探知を併用した探知器も提言されている（特許文献２）。
【０００３】
近年、物質の透過力が強い中性子を利用することにより、地雷の火薬成分そのものを土壌と識別する地雷探知法が提言されるようになった。自然界には地雷のような形以外では土壌中において窒素が高い数密度で存在することは無いことを利用した探知法であり、可搬型中性子源からの中性子を熱化させ、地雷爆薬中の窒素に照射することで、その爆薬中からＮ(ｎ，γ)反応によって放出される１０．８ＭｅＶガンマ線を測定することで地中の地雷探知を行う。中性子捕獲反応により放出されるガンマ線のエネルギーが、元素によって決まっていることを利用した探知法である（非特許文献１参照）。より詳細には、爆薬中の窒素に中性子を照射し、その際に下記一般式［Ｉ］で表される中性子捕獲反応により生成した１０．８ＭｅＶガンマ線をガンマ線検出器で測定することにより行う。
【数１】
【０００４】
また、可搬型の強力なＤＤ核融合中性子源が開発されたことで、新たな原理による地雷探知法（以下では「中性子探知法」という。）が実現段階に近づいている。図１は、可般型の中性子源を用いた地雷探知方法の概念図である。中性子探知法によれば、地雷の位置を把握することも可能である。
地雷探知に適した中性子束を得ることができる核融合中性子源としては、特許文献３および４に開示されるものがある。因みに、現在は、１０８ｎ／ｓの２．４５ＭｅＶ中性子を生成することも実現されている。
【０００５】
爆発物や禁制薬物の構成元素（例えば、炭素、酸素、窒素など）の元素含有量が、他の物質と差別化できることから、これらの元素の含有量を測定することで、爆発物や禁制薬物を検知する搬送装置としては、例えば、特許文献５に開示されるものがある。
【特許文献１】特開２００６−２５０４５１号公報
【特許文献２】特開２００２−３０３６８０号公報
【特許文献３】特開２００４−３１１１５２
【特許文献４】特開２００５−２９１８５３号公報
【特許文献５】特開２００５−３３７７６４号公報
【非特許文献１】M. A Lone, R. A. Leavitt, D.A. Harrison: "Prompt Gamma Rays from Thermal Neutron Captire", Atomic Data and Nuclear Data Tables, 26, 511(1981).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
中性子探知法においては、土壌中の窒素以外の元素からもガンマ線が生成されるため、危険物の位置を測定するためには、窒素以外の元素からのガンマ線を低減ないしは除去することが重要となる。しかしながら、これまでは、窒素以外の元素からのガンマ線を低減ないしは除去することは困難であり、膨大な量のデータの収集と長時間の分析作業が必要であった。
【０００７】
ところで、対生成反応を利用したガンマ線検出器としては、コンプトン型シンチレーション検出器と、人工衛星ＧＬＡＳＴに搭載されたＬＡＴ検出器が知られている。
コンプトン型シンチレーション検出器は、ガンマ線をロッド上のＢＧＯシンチレータを積み重ねて構成したコンプトン方式の検出器により検出するものである。図２はコンプトンカメラの原理を示したものである。シンチレータＳ１に入射したガンマ線４は、シンチレータＳ１内でコンプトン散乱を起こす。コンプトン散乱によりシンチレータＳ１内でエネルギーＥ１を付与したガンマ線４が、シンチレータＳ２で相互作用して全エネルギーＥ２を付与した場合、下記の式２に基づきガンマ線４の散乱場所とエネルギーの関係から、入射ガンマ線４の方向がコーン状（イベントリング）に制限でき、複数のガンマ線４についてイベントリングの交点を求めることにより（図２ｂ参照）、ガンマ線源の位置および各ガンマ線の入射エネルギーを算出することができる。
【数２】
【０００８】
しかし、従来のコンプトン型シンチレーション検出器では、円錐状の領域の範囲にあることしか探知できなかったため、信頼できる精度で窒素に起因するガンマ線のみを抽出するためには、膨大な量のデータを収集する必要があった。
【０００９】
また、コンプトン方式では円錐状の入射軸不定性や検出器内での多重散乱などの原理的な問題があり、他の元素からのバックグラウンドを除去するのに原理的に大きな困難を伴っている。すなわち、イベントリングの重ね合わせによる位置不定性が生じる誤差を避けられず、しかも入射エネルギーが１０．８ＭｅＶと高い場合には、複雑な多重散乱や検出器外へ抜け出すイベントが非常に多いという問題がある。図３に示すように、ガンマ線と電子との衝突により、ガンマ線のエネルギーの一部を電子に与えて、波長が変化するコンプトン散乱（多重散乱）が生ずるが、コンプトン電子がガンマ線検出器外ヘエスケープしてしまうという問題があった。
【００１０】
ＬＡＴ検出器は、図４に示す構成であり、１０ＧｅＶ〜１００ＧｅＶの高エネルギーのガンマ線を検出することができる。荷電粒子飛跡測定部は、１８層の数百ミクロン幅の細い電極を沢山並べたシリコン検出器（シリコンストリップ検出器）とタングステンのシートで構成されており、エネルギーを測定する電磁カロリメータはヨウ化セシウムシンチレータの細かなブロックで構成されている。しかし、ＬＡＴ検出器では、数〜数十ＭｅＶのガンマ線の入射方向を測定することはできない。
【００１１】
本発明は、窒素以外の元素からのガンマ線を低減ないしは除去することができる、中性子探知法による窒素含有化合物の検知方法および装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
発明者は、特定のエネルギー以上においてはコンプトン反応に比べ対生成反応が支配的である（少なくとも５割より多くなる）ことに着目し、従来のように各イベントに対してエネルギースペクトルを測定することに加え、対生成反応により生じた電子・陽電子の飛跡も捕らえることで入射ガンマ線エネルギーと飛来方向を推定し、より正確に爆薬の有無や位置を探索することを可能とした。すなわち、測定の対象となるエネルギーを、窒素に対する中性子捕獲反応により生成した１０．８ＭｅＶガンマ線のみに限定することにより、窒素含有化合物を検知することを可能とした。
【００１３】
すなわち、第１の発明は、窒素に起因するガンマ線に基づき窒素含有化合物を検知する方法であって、被検知領域に中性子を照射し、低密度のシンチレータおよび光電子増倍管を備える第１のシンチレーション検出器により被検知領域からのガンマ線を測定し、第１のシンチレーション検出器に連接し、複数層からなるガス式ドリフトチェンバーを備える荷電粒子二次元位置検出器により第１のシンチレーション検出器を透過した荷電粒子を測定し、低密度のシンチレータおよび光電子増倍管を備える第２のシンチレーション検出器により荷電粒子二次元位置検出器を透過したガンマ線を測定し、（ア）前記第１および第２のシンチレーション検出器から同時に信号が検出された場合において、（イ）荷電粒子二次元位置検出器に荷電粒子の２つの飛跡が検出され、且つ、当該２つの飛跡が所定の角度を構成する場合には、対生成反応が生じたと判定し、当該２つの飛跡から窒素に起因するガンマ線の入射方向を算出することを特徴とする窒素含有化合物の検知方法である。
第２の発明は、第１の発明において、検出対象となるガンマ線が１０．８ＭｅＶのガンマ線であることを特徴とする。
第３の発明は、第１または２の発明において、前記荷電粒子二次元位置検出器は、３層以上のガス式ドリフトチェンバーを備えることを特徴とする。
第４の発明は、第１、２または３の発明において、前記第１のシンチレーション検出器、前記第２のシンチレーション検出器、および前記荷電粒子二次元位置検出器を複数設け、危険物の位置を計測することを特徴とする。
第５の発明は、１ないし４のいずれかの発明において、窒素含有化合物が、爆薬物であることを特徴とする。
【００１４】
第６の発明は、中性子を照射する中性子照射手段と、荷電粒子二次元位置検出器と、第１および第２のシンチレーション検出器と、処理部とを備え、窒素に起因するガンマ線に基づき窒素含有化合物を検知する窒素含有化合物の検知装置であって、第１のシンチレーション検出器は、荷電粒子によって励起される低密度のシンチレータと、光電子増倍管とを備え、第２のシンチレーション検出器は、荷電粒子によって励起される低密度のシンチレータと、光電子増倍管とを備え、荷電粒子二次元位置検出器は、第１のシンチレーション検出器の有するシンチレータと第２のシンチレーション検出器の有するシンチレータに挟まれた複数層からなるガス式ドリフトチェンバーとを備え、処理部は、（ア）前記第１および第２のシンチレーション検出器から同時に信号が検出された場合において、（イ）荷電粒子二次元位置検出器に荷電粒子の２つの飛跡が検出され、且つ、当該２つの飛跡が所定の角度を構成する場合には、対生成反応が生じたと判定し、当該２つの飛跡から窒素に起因するガンマ線の入射方向を算出することを特徴とする窒素含有化合物の検知装置である。
第７の発明は、第６の発明において、検出対象となるガンマ線が１０．８ＭｅＶのガンマ線であることを特徴とする。
第８の発明は、第６または７の発明において、前記荷電粒子二次元位置検出器は、３層以上のガス式ドリフトチェンバーを備えることを特徴とする。
第９の発明は、第６、７または８の発明において、前記第１のシンチレーション検出器、前記第２のシンチレーション検出器、および前記荷電粒子二次元位置検出器を複数設け、前記処理部が危険物の位置を計測することを特徴とする。
第１０の発明は、６ないし９のいずれかの発明において、窒素含有化合物が、爆薬物であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、窒素以外の元素からのバックグラウンドとなるガンマ線を低減ないしは除去することで、窒素含有化合物を高精度に探知することが可能となる。
また、窒素に起因するガンマ線の入射方向を算出できるため、窒素含有化合物の位置を計測することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
最良の形態の本発明は、土壌中に埋設された爆薬物を探知するための危険物検知装置に関する。爆薬物の組成物としては、ＴＮＴ（分子式：Ｃ７Ｈ５Ｎ３Ｏ６）、ＲＤＸ（分子式：Ｃ３Ｈ６Ｎ６Ｏ６）、ペンスリット（分子式：Ｃ（ＣＨ２ＯＮＯ２）４）などが知られているが、いずれも窒素（Ｎ）が高い割合で含まれる化合物である。表１に主な爆薬物における窒素の含有率を示す。
【００１７】
【表１】
【００１８】
土壌中に埋設された爆薬物を探知するためには、土壌中や爆薬物中に含まれる他の元素からのガンマ線を低減ないしは除去することが重要である。土壌中には、水素や酸素が非常に多く含まれているため、これらの元素から放出されるガンマ線を低減しなくては、窒素を同定することはできない。
前述のとおり、中性子捕獲反応により放出されるガンマ線のエネルギーは、元素によって決まっている。表２は、非特許文献１に記載された、主な元素において放出されるガンマ線のエネルギーである。
【表２】
【００１９】
本発明においては、１０．８ＭｅＶガンマ線のみを補足することにより、他のバックグラウンドとなるガンマ線を除去ないし低減することを可能としている。窒素から放出されるガンマ線のエネルギーは表２に示すように複数あるが、１０．８ＭｅＶガンマ線のみを捕捉するのは、シンチレータに照射されるガンマ線は、１割程度のエネルギーロスがあるためである。１０．８ＭｅＶ以外のガンマ線（例えば、５．５６２Ｍｅｖガンマ線）を捕捉した場合、１割程度のロスが生じることを前提とすると、当該ガンマ線が窒素に起因するものであるのか、炭素に起因するものであるかが判別不能となるおそれがある。現状の技術においては、表２に示すガンマ線の中から数Ｍｅｖの差異しかないガンマ線を特定するのは困難である。１０．８ＭｅＶガンマ線であれば、例え１割のロスが生じたとしても、窒素に起因するものであることを識別可能である。
【００２０】
また、ガンマ線エネルギーの増加とともに対生成反応率が上昇することも理由の一つである。特に１０Ｍｅｖ以上ではコンプトン散乱よりも対生成反応が支配的となるため、他の低エネルギーのガンマ線と比べ反応率が上昇するという利点もある。
【００２１】
中性子源からは、１０５ｎ／ｓｅｃ以上の中性子を照射する。対象とするエネルギー領域は、熱中性子以上のエネルギーである。中性子を照射する中性子源は、例えば、ＤＤ核融合炉や２５２Ｃｆなどが開示されるがこれに限定されない。地雷は通常地表から数十ｃｍのところに埋設されているが、その程度の深さであれば、エネルギーの強度はそれほど関係が無いため、ＤＴ核融合炉であってもよい。
【００２２】
図５は、本発明の荷電粒子二次元位置検出器の概要構成図である。シンチレータ１１とシンチレータ１２の間には、複数のセル７を備えるガス式のドリフトタイプ放射線検出器が設けられている。ガス式としたのは、固体式にすると電子が散乱してしまうからである。各セル７には、アノード９が各１個設けられており、Ｘ方向の位置を検出するためのセルと、Ｙ方向位置を検出するためのセルが交互に重ねられている。充填するガスとしては、安定したガスが好ましく、ヘリウムやドリフト電子の速度を振動などで吸収可能な分子構造を持つメタンなどのガスを添加したものが例示される。振動で吸収するガスを添加するのはドリフト速度が一定以上でないと、連続的に入射されるガンマ線を経時的に測定することができないからである。なお、カソード８と抵抗Ｒは、上下左右対称に配置されている。
【００２３】
シンチレータ１１に入射されたガンマ線は光に変換され、図示しない光電子増倍管１６により電子に変換増幅され、電気信号として取り出される。シンチレータ１１は電子・陽電子が透過するよう低密度のもの（スチルベン、アントラセンなどの有機結晶やプラスチックからなるもの）を用いて構成する。
シンチレータ１１を透過した荷電粒子がセル７を通過すると、その飛跡上に初期電離電子が生成される。ここで、セル７内の空間に電界Ｅをかけておくと、電子はその電界の向きと逆方向に運動を行い、最終的にアノード９に到達する。このときの電荷を図示しない電荷有感型プリアンプで増幅して電気信号として検出する。ドリフト開始時間からアノード９に到達するまでの時間（ドリフト時間）からドリフト距離を算出することにより、入射位置を推定することが可能である。
シンチレータ１２に入射されたガンマ線は光に変換され、図示しない光電子増倍管１７により電子に変換増幅され、電気信号として取り出される。シンチレータ１２も電子・陽電子をはじくことが無いよう低密度のもの（シンチレータ１１と同じもの）を用いて構成する。
【００２４】
窒素に起因するガンマ線の入射方向を算出するための手順について説明する。
光電子増倍管１６と光電子増倍管１７により記録された電気信号に基づき、１０．８ＭｅＶガンマ線であると認められる信号を抽出する情報処理を行う。ここで、光電子増倍管１６と光電子増倍管１７にほぼ同じタイミングの電気信号が生成された場合には、当該電気信号を対生成反応判定の候補とする。同時に生じた信号のみを抽出するのは、シンチレータ１１には複数のエネルギーのガンマ線が連続的に入射されるためである。この場合において、荷電粒子二次元位置検出器により２つの荷電粒子が検出された場合は対生成反応であると判定し、１つの荷電粒子が検出された場合はコンプトン反応であると判定する。対生成反応と判定された場合には、電子と陽電子が構成する角θを算出する。θの理論値は、ガンマ線のエネルギーの強さと相関関係があるためである。２つの荷電粒子の飛跡が所定の角度（約３度）を構成し、且つ、同時に検出されたエネルギー量が１０．８ＭｅＶに近い値（予め設定したしきい値以上）である場合には、２つの通過した荷電粒子の飛跡からガンマ線の入射方向を算出する。
本発明の危険物検知装置によれば、ガンマ線の入射方向を算出することができるため、該装置を複数設けることで、三角測量の要領で爆薬物の深さを計測することも可能となる。
【００２５】
以下では、本発明の詳細を実施例により説明するが、本発明は何ら実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００２６】
本実施例は、１０．８ＭｅＶガンマ線による対生成反応を利用したガンマ線飛来方向測定原理に基づく地雷探知器に関する。
本実施例の地雷探知器は、図１に示す従来型の地雷探知器と同様に、可搬型中性子源１とガンマ線検出器６とから構成される。可搬型中性子源１とガンマ線検出器６は、車輪等が設けられた筐体に収納され、移動自在に構成されるが、筐体については公知の技術を適用することができるため、以下では説明を省略する。
【００２７】
（１）中性子発生手段１
本実施例で用いる中性子発生手段１は、公知の中性子源であり、例えば、特許文献３に開示される公知のＤＤ核融合炉を使用する。中性子発生手段１は、球形陽極の中心にグリッド状の球形陰極を設置し、電極間の放電によってできたイオンを電界により中心に収束させ、イオンビーム同士を衝突させて核融合反応を得る。その際、以下の式３に示す反応により高エネルギーの中性子が発生する。
【数３】
【００２８】
（２）ガンマ線検出器６
図６は、本実施例のガンマ線検出器６の構成図を示したものである。本実施例のガンマ線検出器６は、電磁シャワーモンテカルロ計算コードＥＧＳ４を用いたシミュレーションに基づき最適に設計されている。
《シンチレータ１１，１２》
シンチレータ１１は、厚さを約１ｃｍのプラスチック・シンチレータである。シンチレータ１１の厚さを肉薄としたのは、荷電粒子を通過させる必要があるからである。シンチレータ１１で対生成を起こすためには密度の大きいＢＧＯなどのシンチレータが適しているが、生成した電子・陽電子は散乱の影響を大きく受けるため、密度の低いスチルベンシンチレータなどを用いるのが好ましく、例えば応用光研工業株式会社のもの（密度１．０３２〜１．２５ｇ／ｃｍ３）が好適である。
シンチレータ１１では、シンチレータ内部で電子・陽電子が生成されると同時に荷電粒子により付与されたエネルギーに比例した発光が起こる。
ＥＧＳ４を用いたシミュレーションによれば、スチルベンシンチレータ中で１０．８ＭｅＶ入射ガンマ線のうち２％程度が、コンプトンなどの何らかの相互作用を起こし、これらの相互作用のうち２２％程度が対生成を起こすことがわかった。本実施例の構成によれば、１０．８ＭｅＶと高いエネルギー領域での対生成を利用するにもかかわらず、従来のコンプトン方式と比べ、同程度の検出効率を実現することが可能である。
【００２９】
シンチレータ１２は、シンチレータ１１と同様にプラスチック・シンチレータにより構成する。シンチレータ１２は、荷電粒子を透過させる必要が無いため、シンチレータ１１と比べ肉厚の方が好ましい。本実施例では、５ｃｍ程度の厚さとした。
シンチレータ１１で生成した電子・陽電子の対はガスで充填された空間である後述のドリフトチェンバー１３〜１５を通過してシンチレータ１２へ入射される。
シンチレータ１１および１２は、光電子増倍管１６および１７に接続される。
【００３０】
《ドリフトチェンバー１３〜１５》
ドリフトチェンバー１３〜１５は、荷電粒子を検知するためのガス式の荷電粒子二次元位置検出器である。ドリフトチェンバー１３〜１５の位置分解能は数百μｍ程度である。ガス式のものとするのは、固体式のものだと荷電粒子が散乱してしまうためである。本実施例におけるガス層の厚さは約８ｃｍであり、ヘリウムガスを充填した。なお、電子・陽電子のガスによる散乱の影響を少なくするために、数％のメタンガスを加えてもよい。
本実施例ではこの２次元ドリフトチャンバーを３層重ねて使用するが、複数層であればよくこの構成に限定されない。但し、電子・陽電子の飛跡を測定するためには、３層以上であることが好ましい。
【００３１】
ドリフトチェンバー１３〜１５は、対生成により同時刻に生成した電子・陽電子を測定するためにシンチレータ１１の後方に設置する。ドリフトチェンバー１３〜１５は、ドリフト領域を通過した荷電粒子の位置情報を二次元的に測定することができる。すなわち、各ドリフトチェンバーは、Ｘ方向の位置を検出するためのセルと、Ｙ方向位置を検出するためのセルとから構成されている。
各ドリフトチェンバーのドリフト領域には電界がかけられており、荷電粒子がガス中を通過する際、電離する電子をドリフトさせ、アノードで収集して電気信号に変換して探知する。初期電離電子がアノードまでドリフトする時間（ドリフト時間）から荷電粒子の通過位置を測定することができる。初期電離電子を収集するアノードワイヤーは入射軸に対して直角に張られておりその周囲にフィールドワイヤーと呼ばれる電界を均一にするワイヤーから構成される。
ガンマ線のエネルギー領域ごとに生成した電子・陽電子の角度は決まっており、１０．８ＭｅＶガンマ線の場合は約３度である。各ドリフトチェンバーからのドリフト時間情報を記憶装置に記憶する。
【００３２】
《処理部２０》
処理部２０は、時間記録モジュール２１、同時計測モジュール２２、波高記録モジュール２３、増幅器２４（図示せず）、および記憶装置２５（図示せず）を備える。
光電子増倍管１６および１７からアナログ電気信号として出力された波形信号は、増幅器２４により増幅され、同時計測モジュール２２および波高記録モジュール２３に入力される。この際、光電子増倍管１６および１７からの電気信号は、時間記録モジュール１８からの時間信号と関連づけて記憶される。
同時計測モジュール２２は波高記録モジュール２３と接続されており、図示しないＡ／Ｄコンバータ２６を介して信号の送受信が行われる。また、同時計測モジュール２２の出力はドリフトチェンバー１３〜１５のスタート信号に利用される。
波高記録モジュール２３では、ガンマ線のエネルギーの強弱に応じて高低の波形が記録される。ガンマ線のエネルギーが１０．８ＭｅVであるかは、シンチレータ１１とシンチレータ１２の波高記録モジュール２３のデータから解析される。この際、シンチレータ１１およびシンチレータ１２からの同時信号を、波高記録モジュール２３のゲート信号に用いる。シンチレータ１１を透過したガンマ線が１割程度のエネルギーを失うことを考慮したしきい値を設定し、当該しきい値を越えた場合には、１０．８ＭｅＶガンマ線であると判定する。
【００３３】
シンチレータ１１とシンチレータ１２を同時に２つの通過した荷電粒子の飛跡からガンマ線の入射方向を一意に決定することが可能である。荷電粒子の飛跡は、対生成により生じた陽電子・電子が、３つのドリフトチェンバーのレイヤーを通過した位置から算出可能である。
電子が１つしか生成されなかった場合には、コンプトン散乱が生じたと判定し、当該イベントを除去する。
また、他の元素から放出されるガンマ線は、測定対象となる１０．８ＭｅＶガンマ線と比べエネルギーが低いので対生成反応を起こす確率が低い。本実施例では対生成反応のデータのみを利用するため、他の元素から放出されるガンマ線によるバックグラウンドイベントを大幅に低減することが可能である。
加えて、２個の荷電粒子通過イベントのみを情報処理の対象とすることで、ガンマ線検出器６内での多重散乱によるイベントを除去することができる。
【００３４】
以上に述べたとおり、本実施例の地雷探知器においては、コンプトン方式の検出器を用いず、対生成反応を利用する新規な検出器を用いることにより、一意に入射軸を決定すること、多重散乱による解析の煩雑さを回避すること、バックグラウンドを大幅な低減することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明によれば、他の物体が多く存在する中でも精度よく窒素を含有することを探知することが可能となるため、空港、港などでの爆発物や禁制薬物の探知に適している。窒素を検出する原理のため、近年テロリストが用いる液体混合型の爆薬に対しても有効な手段を提供することができる。
また、植物中での窒素分布測定にも適用可能である。植物にとって窒素は非常に重要な役割を持つが、植物中での窒素の挙動などを測定することで、植物の研究における効果的な測定手段を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】可搬型中性子源を用いた地雷探知方式の説明図である。
【図２】コンプトン散乱によるガンマ線入射方向測定の際の不定性を説明するための図面である。
【図３】コンプトン電子の多重散乱のイメージ図である。
【図４】従来のＬＡＴ検出器の構成図である。
【図５】本発明の荷電粒子二次元位置検出器の概要構成図である。
【図６】実施例のガンマ線検出器の概要構成図である。
【符号の説明】
【００３７】
１ 可般型中性子源
２ 土壌
３ 熱中性子
４ ガンマ線
５ 地雷
６ ガンマ線検出器
７ セル
８ カソード
９ アノード
１１〜１２ 放射線検出器（シンチレータ）
１３〜１５ 荷電粒子二次元位置検出器（ドリフトチェンバー）
１６，１７ 光電子増倍管（ＰＭＴ）
２０ 処理部
２１ 時間記録モジュール
２２ 同時計測モジュール
２３ 波高記録モジュール
２４ 増幅器
２５ 記憶装置
２６ Ａ／Ｄコンバータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中性子を利用した窒素含有化合物の検知方法および装置に関し、例えば、１０．８ＭｅＶガンマ線による対生成反応を利用したガンマ線（γ線）飛来方向測定原理に基づく地雷等の爆薬物検知方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、地雷探知の手法としては、金属探知法によるものやレーダー探知法によるものが知られている。
金属探知法では、土壌に金属類を多く含む場合には誤探知が多いという問題があり、しかも、近年の対人地雷は、プラスチックや木製容器で覆われているものが多いため、探知精度は極めて低い。金属探知法による地雷の発見率は、５００〜１０００回に１回程度、有人による探知はせいぜい１日当たり１平方メートルとも言われている。
レーダー探知法は、地中に対して電波を送信し、送信された電波の反射波を受信して埋設物の探査を行うレーダー探査装置により行われる（例えば、特許文献１）。しかしながら、レーダー探知法では、対人地雷と似た形の石や異物が埋まっている場合には判別が困難であるという問題や、土壌に含まれる水分による影響を受けやすいという問題がある。
金属探知とレーダー探知を併用した探知器も提言されている（特許文献２）。
【０００３】
近年、物質の透過力が強い中性子を利用することにより、地雷の火薬成分そのものを土壌と識別する地雷探知法が提言されるようになった。自然界には地雷のような形以外では土壌中において窒素が高い数密度で存在することは無いことを利用した探知法であり、可搬型中性子源からの中性子を熱化させ、地雷爆薬中の窒素に照射することで、その爆薬中からＮ(ｎ，γ)反応によって放出される１０．８ＭｅＶガンマ線を測定することで地中の地雷探知を行う。中性子捕獲反応により放出されるガンマ線のエネルギーが、元素によって決まっていることを利用した探知法である（非特許文献１参照）。より詳細には、爆薬中の窒素に中性子を照射し、その際に下記一般式［Ｉ］で表される中性子捕獲反応により生成した１０．８ＭｅＶガンマ線をガンマ線検出器で測定することにより行う。
【数１】
【０００４】
また、可搬型の強力なＤＤ核融合中性子源が開発されたことで、新たな原理による地雷探知法（以下では「中性子探知法」という。）が実現段階に近づいている。図１は、可般型の中性子源を用いた地雷探知方法の概念図である。中性子探知法によれば、地雷の位置を把握することも可能である。
地雷探知に適した中性子束を得ることができる核融合中性子源としては、特許文献３および４に開示されるものがある。因みに、現在は、１０８ｎ／ｓの２．４５ＭｅＶ中性子を生成することも実現されている。
【０００５】
爆発物や禁制薬物の構成元素（例えば、炭素、酸素、窒素など）の元素含有量が、他の物質と差別化できることから、これらの元素の含有量を測定することで、爆発物や禁制薬物を検知する搬送装置としては、例えば、特許文献５に開示されるものがある。
【特許文献１】特開２００６−２５０４５１号公報
【特許文献２】特開２００２−３０３６８０号公報
【特許文献３】特開２００４−３１１１５２
【特許文献４】特開２００５−２９１８５３号公報
【特許文献５】特開２００５−３３７７６４号公報
【非特許文献１】M. A Lone, R. A. Leavitt, D.A. Harrison: "Prompt Gamma Rays from Thermal Neutron Captire", Atomic Data and Nuclear Data Tables, 26, 511(1981).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
中性子探知法においては、土壌中の窒素以外の元素からもガンマ線が生成されるため、危険物の位置を測定するためには、窒素以外の元素からのガンマ線を低減ないしは除去することが重要となる。しかしながら、これまでは、窒素以外の元素からのガンマ線を低減ないしは除去することは困難であり、膨大な量のデータの収集と長時間の分析作業が必要であった。
【０００７】
ところで、対生成反応を利用したガンマ線検出器としては、コンプトン型シンチレーション検出器と、人工衛星ＧＬＡＳＴに搭載されたＬＡＴ検出器が知られている。
コンプトン型シンチレーション検出器は、ガンマ線をロッド上のＢＧＯシンチレータを積み重ねて構成したコンプトン方式の検出器により検出するものである。図２はコンプトンカメラの原理を示したものである。シンチレータＳ１に入射したガンマ線４は、シンチレータＳ１内でコンプトン散乱を起こす。コンプトン散乱によりシンチレータＳ１内でエネルギーＥ１を付与したガンマ線４が、シンチレータＳ２で相互作用して全エネルギーＥ２を付与した場合、下記の式２に基づきガンマ線４の散乱場所とエネルギーの関係から、入射ガンマ線４の方向がコーン状（イベントリング）に制限でき、複数のガンマ線４についてイベントリングの交点を求めることにより（図２ｂ参照）、ガンマ線源の位置および各ガンマ線の入射エネルギーを算出することができる。
【数２】
【０００８】
しかし、従来のコンプトン型シンチレーション検出器では、円錐状の領域の範囲にあることしか探知できなかったため、信頼できる精度で窒素に起因するガンマ線のみを抽出するためには、膨大な量のデータを収集する必要があった。
【０００９】
また、コンプトン方式では円錐状の入射軸不定性や検出器内での多重散乱などの原理的な問題があり、他の元素からのバックグラウンドを除去するのに原理的に大きな困難を伴っている。すなわち、イベントリングの重ね合わせによる位置不定性が生じる誤差を避けられず、しかも入射エネルギーが１０．８ＭｅＶと高い場合には、複雑な多重散乱や検出器外へ抜け出すイベントが非常に多いという問題がある。図３に示すように、ガンマ線と電子との衝突により、ガンマ線のエネルギーの一部を電子に与えて、波長が変化するコンプトン散乱（多重散乱）が生ずるが、コンプトン電子がガンマ線検出器外ヘエスケープしてしまうという問題があった。
【００１０】
ＬＡＴ検出器は、図４に示す構成であり、１０ＧｅＶ〜１００ＧｅＶの高エネルギーのガンマ線を検出することができる。荷電粒子飛跡測定部は、１８層の数百ミクロン幅の細い電極を沢山並べたシリコン検出器（シリコンストリップ検出器）とタングステンのシートで構成されており、エネルギーを測定する電磁カロリメータはヨウ化セシウムシンチレータの細かなブロックで構成されている。しかし、ＬＡＴ検出器では、数〜数十ＭｅＶのガンマ線の入射方向を測定することはできない。
【００１１】
本発明は、窒素以外の元素からのガンマ線を低減ないしは除去することができる、中性子探知法による窒素含有化合物の検知方法および装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
発明者は、特定のエネルギー以上においてはコンプトン反応に比べ対生成反応が支配的である（少なくとも５割より多くなる）ことに着目し、従来のように各イベントに対してエネルギースペクトルを測定することに加え、対生成反応により生じた電子・陽電子の飛跡も捕らえることで入射ガンマ線エネルギーと飛来方向を推定し、より正確に爆薬の有無や位置を探索することを可能とした。すなわち、測定の対象となるエネルギーを、窒素に対する中性子捕獲反応により生成した１０．８ＭｅＶガンマ線のみに限定することにより、窒素含有化合物を検知することを可能とした。
【００１３】
すなわち、第１の発明は、窒素に起因するガンマ線に基づき窒素含有化合物を検知する方法であって、被検知領域に中性子を照射し、低密度のシンチレータおよび光電子増倍管を備える第１のシンチレーション検出器により被検知領域からのガンマ線を測定し、第１のシンチレーション検出器に連接し、複数層からなるガス式ドリフトチェンバーを備える荷電粒子二次元位置検出器により第１のシンチレーション検出器を透過した荷電粒子を測定し、低密度のシンチレータおよび光電子増倍管を備える第２のシンチレーション検出器により荷電粒子二次元位置検出器を透過したガンマ線を測定し、（ア）前記第１および第２のシンチレーション検出器から同時に信号が検出された場合において、（イ）荷電粒子二次元位置検出器に荷電粒子の２つの飛跡が検出され、且つ、当該２つの飛跡が所定の角度を構成する場合には、対生成反応が生じたと判定し、当該２つの飛跡から窒素に起因するガンマ線の入射方向を算出することを特徴とする窒素含有化合物の検知方法である。
第２の発明は、第１の発明において、検出対象となるガンマ線が１０．８ＭｅＶのガンマ線であることを特徴とする。
第３の発明は、第１または２の発明において、前記荷電粒子二次元位置検出器は、３層以上のガス式ドリフトチェンバーを備えることを特徴とする。
第４の発明は、第１、２または３の発明において、前記第１のシンチレーション検出器、前記第２のシンチレーション検出器、および前記荷電粒子二次元位置検出器を複数設け、危険物の位置を計測することを特徴とする。
第５の発明は、１ないし４のいずれかの発明において、窒素含有化合物が、爆薬物であることを特徴とする。
【００１４】
第６の発明は、中性子を照射する中性子照射手段と、荷電粒子二次元位置検出器と、第１および第２のシンチレーション検出器と、処理部とを備え、窒素に起因するガンマ線に基づき窒素含有化合物を検知する窒素含有化合物の検知装置であって、第１のシンチレーション検出器は、荷電粒子によって励起される低密度のシンチレータと、光電子増倍管とを備え、第２のシンチレーション検出器は、荷電粒子によって励起される低密度のシンチレータと、光電子増倍管とを備え、荷電粒子二次元位置検出器は、第１のシンチレーション検出器の有するシンチレータと第２のシンチレーション検出器の有するシンチレータに挟まれた複数層からなるガス式ドリフトチェンバーとを備え、処理部は、（ア）前記第１および第２のシンチレーション検出器から同時に信号が検出された場合において、（イ）荷電粒子二次元位置検出器に荷電粒子の２つの飛跡が検出され、且つ、当該２つの飛跡が所定の角度を構成する場合には、対生成反応が生じたと判定し、当該２つの飛跡から窒素に起因するガンマ線の入射方向を算出することを特徴とする窒素含有化合物の検知装置である。
第７の発明は、第６の発明において、検出対象となるガンマ線が１０．８ＭｅＶのガンマ線であることを特徴とする。
第８の発明は、第６または７の発明において、前記荷電粒子二次元位置検出器は、３層以上のガス式ドリフトチェンバーを備えることを特徴とする。
第９の発明は、第６、７または８の発明において、前記第１のシンチレーション検出器、前記第２のシンチレーション検出器、および前記荷電粒子二次元位置検出器を複数設け、前記処理部が危険物の位置を計測することを特徴とする。
第１０の発明は、６ないし９のいずれかの発明において、窒素含有化合物が、爆薬物であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、窒素以外の元素からのバックグラウンドとなるガンマ線を低減ないしは除去することで、窒素含有化合物を高精度に探知することが可能となる。
また、窒素に起因するガンマ線の入射方向を算出できるため、窒素含有化合物の位置を計測することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
最良の形態の本発明は、土壌中に埋設された爆薬物を探知するための危険物検知装置に関する。爆薬物の組成物としては、ＴＮＴ（分子式：Ｃ７Ｈ５Ｎ３Ｏ６）、ＲＤＸ（分子式：Ｃ３Ｈ６Ｎ６Ｏ６）、ペンスリット（分子式：Ｃ（ＣＨ２ＯＮＯ２）４）などが知られているが、いずれも窒素（Ｎ）が高い割合で含まれる化合物である。表１に主な爆薬物における窒素の含有率を示す。
【００１７】
【表１】
【００１８】
土壌中に埋設された爆薬物を探知するためには、土壌中や爆薬物中に含まれる他の元素からのガンマ線を低減ないしは除去することが重要である。土壌中には、水素や酸素が非常に多く含まれているため、これらの元素から放出されるガンマ線を低減しなくては、窒素を同定することはできない。
前述のとおり、中性子捕獲反応により放出されるガンマ線のエネルギーは、元素によって決まっている。表２は、非特許文献１に記載された、主な元素において放出されるガンマ線のエネルギーである。
【表２】
【００１９】
本発明においては、１０．８ＭｅＶガンマ線のみを補足することにより、他のバックグラウンドとなるガンマ線を除去ないし低減することを可能としている。窒素から放出されるガンマ線のエネルギーは表２に示すように複数あるが、１０．８ＭｅＶガンマ線のみを捕捉するのは、シンチレータに照射されるガンマ線は、１割程度のエネルギーロスがあるためである。１０．８ＭｅＶ以外のガンマ線（例えば、５．５６２Ｍｅｖガンマ線）を捕捉した場合、１割程度のロスが生じることを前提とすると、当該ガンマ線が窒素に起因するものであるのか、炭素に起因するものであるかが判別不能となるおそれがある。現状の技術においては、表２に示すガンマ線の中から数Ｍｅｖの差異しかないガンマ線を特定するのは困難である。１０．８ＭｅＶガンマ線であれば、例え１割のロスが生じたとしても、窒素に起因するものであることを識別可能である。
【００２０】
また、ガンマ線エネルギーの増加とともに対生成反応率が上昇することも理由の一つである。特に１０Ｍｅｖ以上ではコンプトン散乱よりも対生成反応が支配的となるため、他の低エネルギーのガンマ線と比べ反応率が上昇するという利点もある。
【００２１】
中性子源からは、１０５ｎ／ｓｅｃ以上の中性子を照射する。対象とするエネルギー領域は、熱中性子以上のエネルギーである。中性子を照射する中性子源は、例えば、ＤＤ核融合炉や２５２Ｃｆなどが開示されるがこれに限定されない。地雷は通常地表から数十ｃｍのところに埋設されているが、その程度の深さであれば、エネルギーの強度はそれほど関係が無いため、ＤＴ核融合炉であってもよい。
【００２２】
図５は、本発明の荷電粒子二次元位置検出器の概要構成図である。シンチレータ１１とシンチレータ１２の間には、複数のセル７を備えるガス式のドリフトタイプ放射線検出器が設けられている。ガス式としたのは、固体式にすると電子が散乱してしまうからである。各セル７には、アノード９が各１個設けられており、Ｘ方向の位置を検出するためのセルと、Ｙ方向位置を検出するためのセルが交互に重ねられている。充填するガスとしては、安定したガスが好ましく、ヘリウムやドリフト電子の速度を振動などで吸収可能な分子構造を持つメタンなどのガスを添加したものが例示される。振動で吸収するガスを添加するのはドリフト速度が一定以上でないと、連続的に入射されるガンマ線を経時的に測定することができないからである。なお、カソード８と抵抗Ｒは、上下左右対称に配置されている。
【００２３】
シンチレータ１１に入射されたガンマ線は光に変換され、図示しない光電子増倍管１６により電子に変換増幅され、電気信号として取り出される。シンチレータ１１は電子・陽電子が透過するよう低密度のもの（スチルベン、アントラセンなどの有機結晶やプラスチックからなるもの）を用いて構成する。
シンチレータ１１を透過した荷電粒子がセル７を通過すると、その飛跡上に初期電離電子が生成される。ここで、セル７内の空間に電界Ｅをかけておくと、電子はその電界の向きと逆方向に運動を行い、最終的にアノード９に到達する。このときの電荷を図示しない電荷有感型プリアンプで増幅して電気信号として検出する。ドリフト開始時間からアノード９に到達するまでの時間（ドリフト時間）からドリフト距離を算出することにより、入射位置を推定することが可能である。
シンチレータ１２に入射されたガンマ線は光に変換され、図示しない光電子増倍管１７により電子に変換増幅され、電気信号として取り出される。シンチレータ１２も電子・陽電子をはじくことが無いよう低密度のもの（シンチレータ１１と同じもの）を用いて構成する。
【００２４】
窒素に起因するガンマ線の入射方向を算出するための手順について説明する。
光電子増倍管１６と光電子増倍管１７により記録された電気信号に基づき、１０．８ＭｅＶガンマ線であると認められる信号を抽出する情報処理を行う。ここで、光電子増倍管１６と光電子増倍管１７にほぼ同じタイミングの電気信号が生成された場合には、当該電気信号を対生成反応判定の候補とする。同時に生じた信号のみを抽出するのは、シンチレータ１１には複数のエネルギーのガンマ線が連続的に入射されるためである。この場合において、荷電粒子二次元位置検出器により２つの荷電粒子が検出された場合は対生成反応であると判定し、１つの荷電粒子が検出された場合はコンプトン反応であると判定する。対生成反応と判定された場合には、電子と陽電子が構成する角θを算出する。θの理論値は、ガンマ線のエネルギーの強さと相関関係があるためである。２つの荷電粒子の飛跡が所定の角度（約３度）を構成し、且つ、同時に検出されたエネルギー量が１０．８ＭｅＶに近い値（予め設定したしきい値以上）である場合には、２つの通過した荷電粒子の飛跡からガンマ線の入射方向を算出する。
本発明の危険物検知装置によれば、ガンマ線の入射方向を算出することができるため、該装置を複数設けることで、三角測量の要領で爆薬物の深さを計測することも可能となる。
【００２５】
以下では、本発明の詳細を実施例により説明するが、本発明は何ら実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００２６】
本実施例は、１０．８ＭｅＶガンマ線による対生成反応を利用したガンマ線飛来方向測定原理に基づく地雷探知器に関する。
本実施例の地雷探知器は、図１に示す従来型の地雷探知器と同様に、可搬型中性子源１とガンマ線検出器６とから構成される。可搬型中性子源１とガンマ線検出器６は、車輪等が設けられた筐体に収納され、移動自在に構成されるが、筐体については公知の技術を適用することができるため、以下では説明を省略する。
【００２７】
（１）中性子発生手段１
本実施例で用いる中性子発生手段１は、公知の中性子源であり、例えば、特許文献３に開示される公知のＤＤ核融合炉を使用する。中性子発生手段１は、球形陽極の中心にグリッド状の球形陰極を設置し、電極間の放電によってできたイオンを電界により中心に収束させ、イオンビーム同士を衝突させて核融合反応を得る。その際、以下の式３に示す反応により高エネルギーの中性子が発生する。
【数３】
【００２８】
（２）ガンマ線検出器６
図６は、本実施例のガンマ線検出器６の構成図を示したものである。本実施例のガンマ線検出器６は、電磁シャワーモンテカルロ計算コードＥＧＳ４を用いたシミュレーションに基づき最適に設計されている。
《シンチレータ１１，１２》
シンチレータ１１は、厚さを約１ｃｍのプラスチック・シンチレータである。シンチレータ１１の厚さを肉薄としたのは、荷電粒子を通過させる必要があるからである。シンチレータ１１で対生成を起こすためには密度の大きいＢＧＯなどのシンチレータが適しているが、生成した電子・陽電子は散乱の影響を大きく受けるため、密度の低いスチルベンシンチレータなどを用いるのが好ましく、例えば応用光研工業株式会社のもの（密度１．０３２〜１．２５ｇ／ｃｍ３）が好適である。
シンチレータ１１では、シンチレータ内部で電子・陽電子が生成されると同時に荷電粒子により付与されたエネルギーに比例した発光が起こる。
ＥＧＳ４を用いたシミュレーションによれば、スチルベンシンチレータ中で１０．８ＭｅＶ入射ガンマ線のうち２％程度が、コンプトンなどの何らかの相互作用を起こし、これらの相互作用のうち２２％程度が対生成を起こすことがわかった。本実施例の構成によれば、１０．８ＭｅＶと高いエネルギー領域での対生成を利用するにもかかわらず、従来のコンプトン方式と比べ、同程度の検出効率を実現することが可能である。
【００２９】
シンチレータ１２は、シンチレータ１１と同様にプラスチック・シンチレータにより構成する。シンチレータ１２は、荷電粒子を透過させる必要が無いため、シンチレータ１１と比べ肉厚の方が好ましい。本実施例では、５ｃｍ程度の厚さとした。
シンチレータ１１で生成した電子・陽電子の対はガスで充填された空間である後述のドリフトチェンバー１３〜１５を通過してシンチレータ１２へ入射される。
シンチレータ１１および１２は、光電子増倍管１６および１７に接続される。
【００３０】
《ドリフトチェンバー１３〜１５》
ドリフトチェンバー１３〜１５は、荷電粒子を検知するためのガス式の荷電粒子二次元位置検出器である。ドリフトチェンバー１３〜１５の位置分解能は数百μｍ程度である。ガス式のものとするのは、固体式のものだと荷電粒子が散乱してしまうためである。本実施例におけるガス層の厚さは約８ｃｍであり、ヘリウムガスを充填した。なお、電子・陽電子のガスによる散乱の影響を少なくするために、数％のメタンガスを加えてもよい。
本実施例ではこの２次元ドリフトチャンバーを３層重ねて使用するが、複数層であればよくこの構成に限定されない。但し、電子・陽電子の飛跡を測定するためには、３層以上であることが好ましい。
【００３１】
ドリフトチェンバー１３〜１５は、対生成により同時刻に生成した電子・陽電子を測定するためにシンチレータ１１の後方に設置する。ドリフトチェンバー１３〜１５は、ドリフト領域を通過した荷電粒子の位置情報を二次元的に測定することができる。すなわち、各ドリフトチェンバーは、Ｘ方向の位置を検出するためのセルと、Ｙ方向位置を検出するためのセルとから構成されている。
各ドリフトチェンバーのドリフト領域には電界がかけられており、荷電粒子がガス中を通過する際、電離する電子をドリフトさせ、アノードで収集して電気信号に変換して探知する。初期電離電子がアノードまでドリフトする時間（ドリフト時間）から荷電粒子の通過位置を測定することができる。初期電離電子を収集するアノードワイヤーは入射軸に対して直角に張られておりその周囲にフィールドワイヤーと呼ばれる電界を均一にするワイヤーから構成される。
ガンマ線のエネルギー領域ごとに生成した電子・陽電子の角度は決まっており、１０．８ＭｅＶガンマ線の場合は約３度である。各ドリフトチェンバーからのドリフト時間情報を記憶装置に記憶する。
【００３２】
《処理部２０》
処理部２０は、時間記録モジュール２１、同時計測モジュール２２、波高記録モジュール２３、増幅器２４（図示せず）、および記憶装置２５（図示せず）を備える。
光電子増倍管１６および１７からアナログ電気信号として出力された波形信号は、増幅器２４により増幅され、同時計測モジュール２２および波高記録モジュール２３に入力される。この際、光電子増倍管１６および１７からの電気信号は、時間記録モジュール１８からの時間信号と関連づけて記憶される。
同時計測モジュール２２は波高記録モジュール２３と接続されており、図示しないＡ／Ｄコンバータ２６を介して信号の送受信が行われる。また、同時計測モジュール２２の出力はドリフトチェンバー１３〜１５のスタート信号に利用される。
波高記録モジュール２３では、ガンマ線のエネルギーの強弱に応じて高低の波形が記録される。ガンマ線のエネルギーが１０．８ＭｅVであるかは、シンチレータ１１とシンチレータ１２の波高記録モジュール２３のデータから解析される。この際、シンチレータ１１およびシンチレータ１２からの同時信号を、波高記録モジュール２３のゲート信号に用いる。シンチレータ１１を透過したガンマ線が１割程度のエネルギーを失うことを考慮したしきい値を設定し、当該しきい値を越えた場合には、１０．８ＭｅＶガンマ線であると判定する。
【００３３】
シンチレータ１１とシンチレータ１２を同時に２つの通過した荷電粒子の飛跡からガンマ線の入射方向を一意に決定することが可能である。荷電粒子の飛跡は、対生成により生じた陽電子・電子が、３つのドリフトチェンバーのレイヤーを通過した位置から算出可能である。
電子が１つしか生成されなかった場合には、コンプトン散乱が生じたと判定し、当該イベントを除去する。
また、他の元素から放出されるガンマ線は、測定対象となる１０．８ＭｅＶガンマ線と比べエネルギーが低いので対生成反応を起こす確率が低い。本実施例では対生成反応のデータのみを利用するため、他の元素から放出されるガンマ線によるバックグラウンドイベントを大幅に低減することが可能である。
加えて、２個の荷電粒子通過イベントのみを情報処理の対象とすることで、ガンマ線検出器６内での多重散乱によるイベントを除去することができる。
【００３４】
以上に述べたとおり、本実施例の地雷探知器においては、コンプトン方式の検出器を用いず、対生成反応を利用する新規な検出器を用いることにより、一意に入射軸を決定すること、多重散乱による解析の煩雑さを回避すること、バックグラウンドを大幅な低減することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明によれば、他の物体が多く存在する中でも精度よく窒素を含有することを探知することが可能となるため、空港、港などでの爆発物や禁制薬物の探知に適している。窒素を検出する原理のため、近年テロリストが用いる液体混合型の爆薬に対しても有効な手段を提供することができる。
また、植物中での窒素分布測定にも適用可能である。植物にとって窒素は非常に重要な役割を持つが、植物中での窒素の挙動などを測定することで、植物の研究における効果的な測定手段を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】可搬型中性子源を用いた地雷探知方式の説明図である。
【図２】コンプトン散乱によるガンマ線入射方向測定の際の不定性を説明するための図面である。
【図３】コンプトン電子の多重散乱のイメージ図である。
【図４】従来のＬＡＴ検出器の構成図である。
【図５】本発明の荷電粒子二次元位置検出器の概要構成図である。
【図６】実施例のガンマ線検出器の概要構成図である。
【符号の説明】
【００３７】
１ 可般型中性子源
２ 土壌
３ 熱中性子
４ ガンマ線
５ 地雷
６ ガンマ線検出器
７ セル
８ カソード
９ アノード
１１〜１２ 放射線検出器（シンチレータ）
１３〜１５ 荷電粒子二次元位置検出器（ドリフトチェンバー）
１６，１７ 光電子増倍管（ＰＭＴ）
２０ 処理部
２１ 時間記録モジュール
２２ 同時計測モジュール
２３ 波高記録モジュール
２４ 増幅器
２５ 記憶装置
２６ Ａ／Ｄコンバータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素に起因するガンマ線に基づき窒素含有化合物を検知する方法であって、
被検知領域に中性子を照射し、低密度のシンチレータおよび光電子増倍管を備える第１のシンチレーション検出器により被検知領域からのガンマ線を測定し、第１のシンチレーション検出器に連接し、複数層からなるガス式ドリフトチェンバーを備える荷電粒子二次元位置検出器により第１のシンチレーション検出器を透過した荷電粒子を測定し、低密度のシンチレータおよび光電子増倍管を備える第２のシンチレーション検出器により荷電粒子二次元位置検出器を透過した電子・陽電子を測定し、
（ア）前記第１および第２のシンチレーション検出器から同時に信号が検出された場合において、
（イ）荷電粒子二次元位置検出器に荷電粒子の２つの飛跡が検出され、且つ、当該２つの飛跡が所定の角度を構成する場合には、対生成反応が生じたと判定し、当該２つの飛跡から窒素に起因するガンマ線の入射方向を算出することを特徴とする窒素含有化合物の検知方法。
【請求項２】
検出対象となるガンマ線が１０．８ＭｅＶのガンマ線であることを特徴とする請求項１に記載の窒素含有化合物の検知方法。
【請求項３】
前記荷電粒子二次元位置検出器は、３層以上のガス式ドリフトチェンバーを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の窒素含有化合物の検知方法。
【請求項４】
前記第１のシンチレーション検出器、前記第２のシンチレーション検出器、および前記荷電粒子二次元位置検出器を複数設け、危険物の位置を計測することを特徴とする請求項１、２または３に記載の窒素含有化合物の検知方法。
【請求項５】
窒素含有化合物が、爆薬物であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の窒素含有化合物の検知方法。
【請求項６】
中性子を照射する中性子照射手段と、荷電粒子二次元位置検出器と、第１および第２のシンチレーション検出器と、処理部とを備え、窒素に起因するガンマ線に基づき窒素含有化合物を検知する窒素含有化合物の検知装置であって、
第１のシンチレーション検出器は、荷電粒子によって励起される低密度のシンチレータと、光電子増倍管とを備え、
第２のシンチレーション検出器は、荷電粒子によって励起される低密度のシンチレータと、光電子増倍管とを備え、
荷電粒子二次元位置検出器は、第１のシンチレーション検出器の有するシンチレータと第２のシンチレーション検出器の有するシンチレータに挟まれた複数層からなるガス式ドリフトチェンバーとを備え、
処理部は、
（ア）前記第１および第２のシンチレーション検出器から同時に信号が検出された場合において、
（イ）荷電粒子二次元位置検出器に荷電粒子の２つの飛跡が検出され、且つ、当該２つの飛跡が所定の角度を構成する場合には、対生成反応が生じたと判定し、当該２つの飛跡から窒素に起因するガンマ線の入射方向を算出することを特徴とする窒素含有化合物の検知装置。
【請求項７】
検出対象となるガンマ線が１０．８ＭｅＶのガンマ線であることを特徴とする請求項６に記載の窒素含有化合物の検知装置。
【請求項８】
前記荷電粒子二次元位置検出器は、３層以上のガス式ドリフトチェンバーを備えることを特徴とする請求項６または７に記載の窒素含有化合物の検知装置。
【請求項９】
前記第１のシンチレーション検出器、前記第２のシンチレーション検出器、および前記荷電粒子二次元位置検出器を複数設け、前記処理部が危険物の位置を計測することを特徴とする請求項６、７または８に記載の窒素含有化合物の検知装置。
【請求項１０】
窒素含有化合物が、爆薬物であることを特徴とする請求項６ないし９のいずれか一項に記載の窒素含有化合物の検知装置。
【請求項１】
窒素に起因するガンマ線に基づき窒素含有化合物を検知する方法であって、
被検知領域に中性子を照射し、低密度のシンチレータおよび光電子増倍管を備える第１のシンチレーション検出器により被検知領域からのガンマ線を測定し、第１のシンチレーション検出器に連接し、複数層からなるガス式ドリフトチェンバーを備える荷電粒子二次元位置検出器により第１のシンチレーション検出器を透過した荷電粒子を測定し、低密度のシンチレータおよび光電子増倍管を備える第２のシンチレーション検出器により荷電粒子二次元位置検出器を透過した電子・陽電子を測定し、
（ア）前記第１および第２のシンチレーション検出器から同時に信号が検出された場合において、
（イ）荷電粒子二次元位置検出器に荷電粒子の２つの飛跡が検出され、且つ、当該２つの飛跡が所定の角度を構成する場合には、対生成反応が生じたと判定し、当該２つの飛跡から窒素に起因するガンマ線の入射方向を算出することを特徴とする窒素含有化合物の検知方法。
【請求項２】
検出対象となるガンマ線が１０．８ＭｅＶのガンマ線であることを特徴とする請求項１に記載の窒素含有化合物の検知方法。
【請求項３】
前記荷電粒子二次元位置検出器は、３層以上のガス式ドリフトチェンバーを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の窒素含有化合物の検知方法。
【請求項４】
前記第１のシンチレーション検出器、前記第２のシンチレーション検出器、および前記荷電粒子二次元位置検出器を複数設け、危険物の位置を計測することを特徴とする請求項１、２または３に記載の窒素含有化合物の検知方法。
【請求項５】
窒素含有化合物が、爆薬物であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の窒素含有化合物の検知方法。
【請求項６】
中性子を照射する中性子照射手段と、荷電粒子二次元位置検出器と、第１および第２のシンチレーション検出器と、処理部とを備え、窒素に起因するガンマ線に基づき窒素含有化合物を検知する窒素含有化合物の検知装置であって、
第１のシンチレーション検出器は、荷電粒子によって励起される低密度のシンチレータと、光電子増倍管とを備え、
第２のシンチレーション検出器は、荷電粒子によって励起される低密度のシンチレータと、光電子増倍管とを備え、
荷電粒子二次元位置検出器は、第１のシンチレーション検出器の有するシンチレータと第２のシンチレーション検出器の有するシンチレータに挟まれた複数層からなるガス式ドリフトチェンバーとを備え、
処理部は、
（ア）前記第１および第２のシンチレーション検出器から同時に信号が検出された場合において、
（イ）荷電粒子二次元位置検出器に荷電粒子の２つの飛跡が検出され、且つ、当該２つの飛跡が所定の角度を構成する場合には、対生成反応が生じたと判定し、当該２つの飛跡から窒素に起因するガンマ線の入射方向を算出することを特徴とする窒素含有化合物の検知装置。
【請求項７】
検出対象となるガンマ線が１０．８ＭｅＶのガンマ線であることを特徴とする請求項６に記載の窒素含有化合物の検知装置。
【請求項８】
前記荷電粒子二次元位置検出器は、３層以上のガス式ドリフトチェンバーを備えることを特徴とする請求項６または７に記載の窒素含有化合物の検知装置。
【請求項９】
前記第１のシンチレーション検出器、前記第２のシンチレーション検出器、および前記荷電粒子二次元位置検出器を複数設け、前記処理部が危険物の位置を計測することを特徴とする請求項６、７または８に記載の窒素含有化合物の検知装置。
【請求項１０】
窒素含有化合物が、爆薬物であることを特徴とする請求項６ないし９のいずれか一項に記載の窒素含有化合物の検知装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−４７５５９（Ｐ２００９−４７５５９Ａ）
【公開日】平成２１年３月５日（２００９．３．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２１４１０３（Ｐ２００７−２１４１０３）
【出願日】平成１９年８月２０日（２００７．８．２０）
【出願人】（５０４２３７０５０）独立行政法人国立高等専門学校機構 (656)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月５日（２００９．３．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月２０日（２００７．８．２０）
【出願人】（５０４２３７０５０）独立行政法人国立高等専門学校機構 (656)
【Ｆターム（参考）】
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