高エネルギーＸ線のエネルギー弁別検査装置と検出方法
【課題】 １ＭｅＶを超える高エネルギーＸ線のエネルギー弁別ができ、かつ高エネルギーＸ線がパルスで発生しても、パイルアップが生じにくい高エネルギーＸ線のエネルギー弁別検査装置と検出方法を提供する。
【解決手段】 被検査物６に向けて１ＭｅＶを超える高エネルギーＸ線１ａを照射するＸ線発生装置１１と、被検査物を透過して入射する入射Ｘ線１をコンプトン散乱させる散乱体１２と、コンプトン散乱された散乱Ｘ線２の入射Ｘ線に対する散乱角を所定の範囲に制限する遮蔽体１３と、遮蔽体で制限された散乱Ｘ線のエネルギースペクトルを検出する散乱Ｘ線検出器１４と、散乱Ｘ線のエネルギースペクトルから入射Ｘ線のエネルギースペクトルを演算する入射Ｘ線解析器１６とを備える。
【解決手段】 被検査物６に向けて１ＭｅＶを超える高エネルギーＸ線１ａを照射するＸ線発生装置１１と、被検査物を透過して入射する入射Ｘ線１をコンプトン散乱させる散乱体１２と、コンプトン散乱された散乱Ｘ線２の入射Ｘ線に対する散乱角を所定の範囲に制限する遮蔽体１３と、遮蔽体で制限された散乱Ｘ線のエネルギースペクトルを検出する散乱Ｘ線検出器１４と、散乱Ｘ線のエネルギースペクトルから入射Ｘ線のエネルギースペクトルを演算する入射Ｘ線解析器１６とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１ＭｅＶを超える高エネルギーＸ線のエネルギー弁別検査装置と検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
税関や空港における手荷物検査等において、Ｘ線を被検査物に照射し、透過したＸ線の強度分布を画像化して内部の危険物（銃器等）を検出するＸ線検査装置が従来から広く用いられている。
また、被検査物を透過したＸ線をエネルギー弁別して、被検査物内の材質や状態を観察する技術も知られている（例えば非特許文献１）。
さらに、本発明と関連する技術が、非特許文献２、３及び特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】富田康弘、他、「エネルギー弁別型フォトンカウンティング放射線ラインセンサ（Ｘ線カラースキャナ）、放射線 Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．１（２００６）
【非特許文献２】Ｓｈｉｎ Ｗａｔａｎａｂｅ ｅｔ ａｌ．，“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｉｍａｇｉｎｇ ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ ｆｏｒ ａ Ｓｉ／ＣｄＴｅ Ｃｏｍｐｔｏｎ ｃａｍｅｒａ”， Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｈｕｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａ ５７９ （２００７） ８７１−８７７
【非特許文献３】中村 尚司、「放射線物理と加速器安全の工学」、地人書簡、Ｐ３８−３９
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２０８０５７号公報、「ガンマ線検出器及びガンマ線撮像装置」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した非特許文献１では、Ｘ線を電気信号に変換するＸ線検出器として、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）放射線素子を用いている。ＣｄＴｅは、Ｘ線、γ線に対し高い吸収特性を示し、Ｘ線、γ線を直接電荷に変換するため、非常に優れた光電変換特性を示す。
そのため、１ＭｅＶ未満の比較的低エネルギーのＸ線に対しては、Ｘ線のエネルギースペクトルの計測において、従来のＸ線検出器（シンチレータや半導体検出器など）からの出力信号を波高弁別することで、Ｘ線のエネルギーを弁別することが可能であった。
【０００６】
一方、コンテナ用Ｘ線検査装置では、エネルギーが１Ｍｅｖ〜９ＭｅＶのＸ線を用いてコンテナの透過像を取得し、この透過像から危険物の有無を検査している。
しかし、エネルギーが１ＭｅＶを超えるＸ線（以下、「高エネルギーＸ線」と呼ぶ）では，エネルギー弁別の基礎となるＸ線の全吸収の過程が起こりにくくなり、従来のＸ線検出器を用いてもエネルギー弁別できない問題点があった。
【０００７】
また，線型加速器等により発生する高エネルギーＸ線はパルスで発生するため，瞬間的にビーム強度が高くなり，検出器内の１回の計測に複数のＸ線が入射する現象（「パイルアップ」と呼ばれる）を起こすため、高エネルギーＸのエネルギー弁別ができない問題点があった。
【０００８】
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、１ＭｅＶを超える高エネルギーＸ線のエネルギー弁別ができ、かつ高エネルギーＸ線がパルスで発生しても、パイルアップが生じにくい高エネルギーＸ線のエネルギー弁別検査装置と検出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、被検査物に向けて１ＭｅＶを超える高エネルギーＸ線を照射するＸ線発生装置と、
前記被検査物を透過して入射する入射Ｘ線をコンプトン散乱させる散乱体と、
コンプトン散乱された散乱Ｘ線の前記入射Ｘ線に対する散乱角を所定の範囲に制限する遮蔽体と、
前記遮蔽体で制限された散乱Ｘ線のエネルギースペクトルを検出する散乱Ｘ線検出器と、
前記散乱Ｘ線のエネルギースペクトルから入射Ｘ線のエネルギースペクトルを演算する入射Ｘ線解析器と、を備えたことを特徴とする高エネルギーＸ線のエネルギー弁別検査装置が提供される。
【００１０】
本発明の実施形態によれば、前記入射Ｘ線に対し前記散乱体の背面に設置され散乱体を透過した入射Ｘ線を検出する透過Ｘ線検出器を備える。
【００１１】
また本発明の実施形態によれば、前記散乱体は、直線状に延びる細長い板状散乱体であり、
前記散乱Ｘ線検出器は、前記散乱体の片側又は両側に位置し散乱体に沿って直列に配列された複数の検出素子と、各検出素子の出力を増幅する複数の増幅器とを有し、
前記遮蔽体は、前記複数の検出素子の間を遮蔽する複数の遮蔽板からなる。
【００１２】
前記複数の検出素子は、前記散乱体に沿って入射Ｘ線の入射方向に積層されている、ことが好ましい。
【００１３】
前記散乱体は、入射Ｘ線の入射方向に沿って、各検出素子の位置に対応するように分割されている、ことが好ましい。
【００１４】
前記散乱Ｘ線検出器と遮蔽体は、前記入射Ｘ線に対し、一体的に揺動可能であり、前記散乱角を変更できるように構成されている、ことが好ましい。
【００１５】
また本発明の実施形態によれば、前記散乱体は、円板状散乱体であり、
前記散乱Ｘ線検出器は、前記散乱体の外周に沿って周方向に間隔を隔てて配列された複数の検出素子と、各検出素子の出力を増幅する複数の増幅器とを有し、
前記遮蔽体は、前記複数の検出素子の間を遮蔽するように放射状に配列された複数の遮蔽板からなる。
【００１６】
前記入射Ｘ線解析器は、対向する検出素子で同時に検出した散乱Ｘ線を検出信号としてはカウントしない、ことが好ましい。
【００１７】
また本発明によれば、被検査物に向けて１ＭｅＶを超える高エネルギーＸ線を照射し、
前記被検査物を透過して入射する入射Ｘ線を散乱体によりコンプトン散乱させ、
コンプトン散乱された散乱Ｘ線の前記入射Ｘ線に対する散乱角を所定の範囲に制限し、
制限された散乱Ｘ線のエネルギースペクトルを検出し、
検出された前記散乱Ｘ線のエネルギースペクトルから入射Ｘ線のエネルギースペクトルを演算する、ことを特徴とする高エネルギーＸ線のエネルギー弁別検査方法が提供される。
【発明の効果】
【００１８】
上記本発明の装置と方法によれば、散乱体を用いて所定の方向から入射する入射Ｘ線をコンプトン散乱させるので、散乱Ｘ線は入射Ｘ線よりも相対的に低いエネルギー（例えば９０°の方向には高々５１１ｋｅＶ）となるため、比較的低エネルギー（＜１ＭｅＶ）のＸ線の検出に用いられている従来のＸ線検出器（シンチレータや半導体検出器など）を用いて散乱Ｘ線のエネルギーを弁別することができる。
【００１９】
また、遮蔽体によりコンプトン散乱された散乱Ｘ線の前記入射Ｘ線に対する散乱角を所定の範囲に制限し、散乱Ｘ線検出器により前記遮蔽体で制限された散乱Ｘ線のエネルギースペクトルを検出するので、特定の散乱角のもとでは、散乱Ｘ線解析器によりコンプトン散乱の式を用いて、散乱Ｘ線のエネルギースペクトルから入射Ｘ線のエネルギーを一意に決めることができる。
従って、散乱Ｘ線のエネルギースペクトルから入射Ｘ線のエネルギースペクトルを求めることができる。
【００２０】
また、遮蔽体によりコンプトン散乱された散乱Ｘ線の前記入射Ｘ線に対する散乱角を所定の範囲に制限するので、散乱Ｘ線の入射頻度を小さくできるため、パルスＸ線等，瞬間的に強度の高くなるＸ線に対しても、パイルアップを起こすことなくエネルギー弁別できる。
【００２１】
また、散乱体が直線状に延びる細長い板状散乱体であり、散乱Ｘ線検出器が、散乱体の片側又は両側に位置し散乱体に沿って直列に配列された複数の検出素子を有する構成により、高エネルギーＸ線用の１次元アレイセンサを構成することができ、これを用いて高エネルギーＸ線により大型の被検査物（例えばコンテナ）の材質識別型撮像ができる。
【００２２】
また、散乱体が円板状散乱体であり、散乱Ｘ線検出器が、散乱体の外周に沿って周方向に間隔を隔てて配列された複数の検出素子を有する構成により、Ｓ／Ｎ比の高い高エネルギーＸ線用のセンサを構成することができ、これを用いて高エネルギーＸ線により被検査物の特定位置を、高いＳ／Ｎ比で材質識別することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】Ｘ線のエネルギー付与スペクトルの一例を示す図である。
【図２】従来のコンプトンカメラの原理図である。
【図３】本発明による高エネルギーＸ線のエネルギー弁別検査装置の全体構成図である。
【図４】入射Ｘ線と散乱Ｘ線の強度比を示す図である。
【図５】散乱角度による散乱Ｘ線のエネルギー変化を示す図である。
【図６】電子対生成とコンプトン散乱との断面積比を示す図である。
【図７】本発明によるエネルギー弁別検査装置の第１実施形態を示す図である。
【図８】本発明によるエネルギー弁別検査装置の第２実施形態を示す側面図である。
【図９】本発明によるエネルギー弁別検査装置の第３実施形態を示す側面図である。
【図１０】本発明によるエネルギー弁別検査装置の第４実施形態を示す側面図である。
【図１１】本発明によるエネルギー弁別検査装置の第５実施形態を示す側面図である。
【図１２】本発明によるエネルギー弁別検査装置の第６実施形態を示す側面図である。
【図１３】本発明によるエネルギー弁別検査装置の第７実施形態を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。
【００２５】
図１は、ＣｄＴｅ内でのＸ線のエネルギー付与スペクトルの一例を示す図である。
この図において、横軸はＸ線のエネルギー、縦軸はカウント数、図中の曲線は、１ＭｅＶのＸ線に対する光電吸収ピークとコンプトン散乱を示している。
従来のＸ線検出器に用いられている検出素子（この例では、テルル化カドミウム：ＣｄＴｅ）は、光電吸収ピークを検出し、入射Ｘ線のエネルギーを検出している。しかし、図１から光電吸収の他にコンプトン散乱が頻発していることがわかる。このコンプトン散乱光は、検出素子においてその一部が吸収され、大部分は外部に散乱する。
【００２６】
一方、比較的低エネルギー（＜１ＭｅＶ）のＸ線に対しては、Ｘ線のエネルギースペクトルの計測において、Ｘ線のエネルギーの実質的に全てが吸収されるので、従来のＸ線検出器からの出力信号を波高弁別することで、Ｘ線のエネルギーを弁別することが可能であった。
【００２７】
しかし、エネルギーが１ＭｅＶを超えるＸ線（高エネルギーＸ線）では、エネルギー弁別の基礎となるＸ線の全吸収の過程が起こりにくくなり、従来のＸ線検出器を用いてもエネルギー弁別できない。
例えば、３ＭｅＶの高エネルギーＸ線では、光電吸収ピークは１ＭｅＶ（図１）に比べて２桁小さく、９ＭｅＶの高エネルギーＸ線では、光電吸収ピークは確認できないほど小さくなる。
従って、１ＭｅＶを超える高エネルギーＸ線に対しては、比較的低エネルギー（＜１ＭｅＶ）のＸ線と同じ手段では、エネルギー弁別できないことがわかる。
【００２８】
一方、１ＭｅＶを超える高エネルギーＸ線は、通常、加速器で生成されるため、ビーム構造はパルス的であり、瞬間的に強い強度で発生する。
検出器に入射するＸ線のフルエンス率は、パルス幅，検出面積にも依存するが、例えば従来の検査装置の使用条件では、１０１１［ｐｈｏｔｏｎ／ｓ］のオーダであるのに対し、従来のエネルギー弁別検出器の応答速度は、１０−６ｓｅｃのオーダであり、１回の検出時に、１０６のオーダのＸ線パルスが入射するパイルアップが発生し、エネルギー弁別できないことがわかる。
【００２９】
図２は、非特許文献２に開示された従来のコンプトンカメラの原理図である。
この図において、１は入射Ｘ線、２は散乱Ｘ線、３は散乱体、４は吸収体、５はシールドである。入射Ｘ線１のエネルギーをＥｉｎ、散乱体３による吸収エネルギーをＥ１、吸収体４による吸収エネルギーをＥ２、入射Ｘ線１に対する散乱Ｘ線２の散乱角度をθとすると、数１の式（１）と式（２）が成り立つ。ここで、ｍｅＣ２は電子のエネルギーである。
従って、入射Ｘ線が高エネルギーＸ線であっても、Ｅ１、Ｅ２、θから、入射Ｘ線のエネルギーＥｉｎを求めることができる。
【００３０】
【数１】
【００３１】
しかし、この手段は、高エネルギーＸ線に対応できるが、従来のエネルギー弁別検出器を用いるため、応答速度が遅く（１０−６ｓｅｃのオーダ）、Ｘ線パルスには対応できない。
さらにこの手段では、高エネルギーＸ線およびそれによる２次電子を検出器内ですべて吸収する必要があるため、吸収体を含めた検出器全体のサイズが大きくなる。その結果、検査装置に組み込む場合にはその空間分解能が悪くなる恐れがある。
【００３２】
図３は、本発明による高エネルギーＸ線のエネルギー弁別検査装置の全体構成図である。
この図において、本発明のエネルギー弁別検査装置１０は、Ｘ線発生装置１１、散乱体１２、遮蔽体１３、散乱Ｘ線検出器１４、入射Ｘ線解析器１６及び透過Ｘ線検出器１８を備える。なお、１は入射Ｘ線、２は散乱Ｘ線、６は被検査物である。
【００３３】
Ｘ線発生装置１１は、被検査物６に向けて１ＭｅＶを超える高エネルギーＸ線１ａを照射する。被検査物６は、例えば大型コンテナである。高エネルギーＸ線１ａは、好ましくは１Ｍｅｖ〜９ＭｅＶのＸ線である。この高エネルギーＸ線１ａは、線型加速器等により発生するパルスＸ線であってもよい。
【００３４】
散乱体１２は、所定の方向（この例では上方）から被検査物６を透過して入射する入射Ｘ線１をコンプトン散乱させる。散乱体１２は、好ましくは、水素、炭素、アルミニウム、シリコン、又はこれらを主成分とする化合物である。
【００３５】
遮蔽体１３は、鉛、鉄などの重金属からなり、コンプトン散乱された散乱Ｘ線２の入射Ｘ線１に対する散乱角θを所定の範囲に制限する。所定の範囲は、後述の例では立体角が２π×０．０１であり、パイルアップを抑制し、エネルギー弁別することができるように散乱体の厚さ、散乱方向、立体角を調整するのがよい。
【００３６】
散乱Ｘ線検出器１４は、入射Ｘ線１に対し特定の方向θにコンプトン散乱された散乱Ｘ線２のエネルギースペクトルを検出する。
散乱Ｘ線検出器１４は、検出素子１４ａ（ＣｄＴｅ，ＣｄＺｎＴｅ，Ｇｅ，Ｓｉ，シンチレータなど）、及び検出回路（前置増幅器１４ｂ、主増幅器１４ｃ、及びマルチチャンネルアナライザ１４ｄ）からなり、散乱Ｘ線２のエネルギースペクトルを検出できるように構成されている。なお、１５は電源である。
【００３７】
入射Ｘ線解析器１６は、例えばコンピュータであり、散乱Ｘ線２のエネルギースペクトルから入射Ｘ線１のエネルギースペクトルを演算する。また、この入射Ｘ線解析器１６は、Ｘ線発生装置１１及び散乱Ｘ線検出器１４を制御するようになっている。
【００３８】
透過Ｘ線検出器１８は、入射Ｘ線１に対し散乱体１２の背面に設置され、散乱体１２を透過した入射Ｘ線を検出する。この透過Ｘ線検出器１８により、高エネルギーＸ線１ａによる被検査物６の透過像を撮影することができる。
【００３９】
図３の構成において、コンプトン散乱による散乱Ｘ線２のエネルギーｈνは、散乱角度θにより数２の式（３）により一意に決まることが、非特許文献３に開示されている。ここで、ｈν０は入射Ｘ線１のエネルギー、ｍｅＣ２は電子のエネルギーである。
【００４０】
【数２】
【００４１】
従って、式（３）により、散乱Ｘ線２のエネルギースペクトルから入射Ｘ線１のエネルギースペクトルを演算することができる。
また、式（３）において、電子のエネルギー（ｍｅｃ２）は、約０．５ＭｅＶであり、本願の対象とする入射Ｘ線１のエネルギー（ｈν０）は、例えば１〜９ＭｅＶであることから、散乱角度θが９０度の場合、散乱Ｘ線２のエネルギーｈνは、約０．３３〜０．４７ ＭｅＶであり、散乱Ｘ線検出器１４として従来のＸ線検出器を用いて散乱Ｘ線２のエネルギーを弁別できることがわかる。
【００４２】
さらに入射Ｘ線解析器１６により、コンプトン散乱の断面積から入射Ｘ線１のエネルギースペクトルを補正する。すなわち散乱体での自己吸収、およびコンプトン散乱の断面積を考慮してスペクトルの形を補正する。
【００４３】
図３の構成において、コンプトン散乱による微分断面積（ｄσｃ／ｄΩ）は、Ｋｌｅｉｎ−仁科の式として、数３の式（４）と式（５）で与えられることが、非特許文献３に開示されている。ここで、ｒｅは電子の古典半径（２．８１７９４×１０−１５［ｍ］）である。
【００４４】
【数３】
【００４５】
また、補正前後のエネルギースペクトルを各々ｆ１、ｆ２とすると、数４の式（６）が成り立つ。
【００４６】
【数４】
【００４７】
従って、式（４）〜（６）から、入射Ｘ線１のエネルギースペクトルを補正することができる。
【００４８】
図４は、入射Ｘ線と散乱Ｘ線の強度比を示す図である。この図において、横軸は入射Ｘ線のエネルギー、縦軸は散乱比率であり、図中の曲線は、散乱体が厚さ１ｍｍのＳｉであり、散乱方向が９０°、立体角が２π×０．０１の場合を示している。
この例において、入射Ｘ線１のエネルギー（ｈν０）が１〜９ＭｅＶである場合、散乱比率は約１〜４．５×１０−５であり、散乱Ｘ線２は入射Ｘ線１に比べて約５桁頻度が落ちることがわかる。
従って、上述した例において、高エネルギーＸ線のフルエンス率が、１０１１［ｐｈｏｔｏｎ／ｓ］のオーダであり、エネルギー弁別検出器の応答速度が、１０−６ｓｅｃのオーダであっても、１回の検出時に、入射するＸ線パルスは１桁（＝１０１１×１０−６×１０−５）となり、パイルアップを抑制し、エネルギー弁別が可能となることがわかる。
すなわち、上述の例において、散乱体の厚さ、散乱方向、立体角を適宜調整することにより、パイルアップを抑制し、エネルギー弁別することができる。
【００４９】
図５は、散乱角度による散乱Ｘ線のエネルギー変化を示す図である。この図において、横軸は入射Ｘ線のエネルギー、縦軸は散乱Ｘ線のエネルギー、図中の各線は、散乱角度θが、上から６０，７５，９０，１２０度の場合を示している。
この図から、散乱角度θが６０〜１２０度の範囲において、入射Ｘ線１のエネルギー１〜９ＭｅＶに対して、散乱Ｘ線２のエネルギーは、約０．２５〜０．９ＭｅＶであり、散乱Ｘ線検出器１４として従来のＸ線検出器を用いて散乱Ｘ線２のエネルギーを弁別できることがわかる。
一方、散乱角度が小さい場合、散乱Ｘ線２のエネルギーの最大値は大きくなるが、入射Ｘ線１のエネルギーに換算する際の精度は向上することがわかる。従って、この観点から散乱角度θは、６０〜９０度の範囲であることが好ましい。
【００５０】
図６は、電子対生成とコンプトン散乱との断面積比を示す図である。この図において、横軸はＸ線エネルギー、縦軸は電子対生成とコンプトン散乱の比率（電子対生成／コンプトン散乱）である。
電子対生成は、コンプトン散乱を検出する際のノイズとして作用するので、図６における比率が小さいほど、Ｓ／Ｎ比が改善される。すなわち、この図から、原子番号が小さい方が、コンプトン散乱を起こす比率が高く、Ｓ／Ｎ比の改善が期待できることがわかる。
従って、上述したように散乱体１２は、水素、炭素、アルミニウム、シリコン、又はこれらを主成分とする化合物であるのがよい。
【００５１】
図７は、本発明によるエネルギー弁別検査装置の第１実施形態を示す図である。この図において、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は平面図である。
この図において、散乱体１２は、直線状に延びる細長い板状散乱体である。例えば板状散乱体の幅は１〜２ｍｍ、長さは２〜３ｍであり、大型コンテナの幅又は高さをカバーできる長さに設定するのがよい。
散乱Ｘ線検出器１４は、散乱体１２の片側又は両側に位置し散乱体１２に沿って直列に配列された複数の検出素子１４ａと、各検出素子１４ａの出力を増幅する複数の増幅器（図示せず）とを有する。また遮蔽体１３は、複数の検出素子１４ａの間を遮蔽する複数の遮蔽板１３ａからなる。なおこの例において散乱角度θは９０度である。
この例のように、複数の検出素子１４ａの間に遮蔽体１３（遮蔽板１３ａ）を設置することで、特定の散乱角度の散乱Ｘ線のみを散乱Ｘ線検出器１４で検出することができる。また、散乱体１２の両側に検出素子１４ａを設置することで散乱Ｘ線検出器１４の感度を上げることができる。
【００５２】
図８は、本発明によるエネルギー弁別検査装置の第２実施形態を示す側面図である。
この図において、検出素子１４ａは、散乱体１２に沿って入射Ｘ線１の入射方向に複数（この例では３層）に積層されている。この場合、層間にも遮蔽板１３ａを設置する。
この例のように、検出素子１４ａを多層に積層することにより、入射Ｘ線１の進行方向に散乱体１２を厚くでき、入射Ｘ線１の検出効率を上げることができる。
【００５３】
図９は、本発明によるエネルギー弁別検査装置の第３実施形態を示す側面図である。
この図において、散乱体１２は、入射Ｘ線１の入射方向に沿って、各検出素子１４ａに対応するように複数（この例では４つ）に分割されている。
この例のように、散乱体１２を多層にし、遮蔽板１３ａと同じ高さからは散乱Ｘ線２が発生しないようにすることにより、余計な領域での反応が減り、ノイズとなる散乱線を減らし、入射Ｘ線１の検出効率を上げることができる。
【００５４】
図１０は、本発明によるエネルギー弁別検査装置の第４実施形態を示す側面図である。
この図において、散乱Ｘ線検出器１４と遮蔽体１３は、入射Ｘ線１に対し、一体的に揺動可能であり、散乱角を変更できるように構成されている。
この例のように、散乱Ｘ線検出器１４と遮蔽体１３の入射Ｘ線１に対する角度を可変にすることにより、図５に示したように散乱Ｘ線２のエネルギーが変わるので、入射Ｘ線１のエネルギーと検出分解能を考慮した最適な条件設定が可能となる。
【００５５】
図１１は、本発明によるエネルギー弁別検査装置の第５実施形態を示す側面図である。
この例では、散乱体１２に沿って入射Ｘ線１の入射方向に積層されている複数（この例では３層）の検出素子１４ａが、散乱体１２の同一位置に向けて、入射Ｘ線１に対し異なる散乱角で設置されている。
この例のように、積層方向に入射Ｘ線１に対する角度を変えて検出素子１４ａを配置することにより、同じ散乱体１２の厚さから多くのイベントを検出することができ、検出信号のＳ／Ｎ比を向上させることができる。
【００５６】
図１２は、本発明によるエネルギー弁別検査装置の第６実施形態を示す側面図である。この図において、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は入射Ｘ線のエネルギースペクトルである。
散乱体１２において、電子対消滅が発生すると図１２（Ｂ）に示すように、電子対消滅に起因するＸ線（エネルギー５１１ｋｅＶ）が、入射Ｘ線の外乱として検出される。
上述した入射Ｘ線解析器１６は、対向する検出素子１４ａで同時に検出したＸ線（エネルギー５１１ｋｅＶ）を検出信号としてはカウントしない。
なお、波高弁別後の入射Ｘ線のエネルギースペクトル（図１２（Ｂ））において、５１１ｋｅＶのイベントを検出信号としてはカウントしないようにしてもよい。
この方法により、電子対消滅による外乱の影響を低減することができる。
【００５７】
図１３は、本発明によるエネルギー弁別検査装置の第７実施形態を示す平面図である。
この例において、散乱体１２は、円板状散乱体である。
また散乱Ｘ線検出器１４は、散乱体１２の外周に沿って周方向に間隔を隔てて配列された複数の検出素子１４ａと、各検出素子１４ａの出力を増幅する複数の増幅器（図示せず）とを有する。さらに遮蔽体１３は、複数の検出素子１４ａの間を遮蔽するように放射状に配列された複数の遮蔽板１３ａからなる。
この例のように、散乱体１２を取り囲むように、検出素子１４ａと遮蔽板１３ａを配置することにより、スキャン方向は２軸必要になるが、検出効率を上げることができる。
【００５８】
上述した本発明によるエネルギー弁別検査装置を用い、本発明の検査方法は、以下の５つのステップ（工程）からなる。
（Ａ）Ｘ線発生装置１１により、被検査物６に向けて１ＭｅＶを超える高エネルギーＸ線１ａを照射する。
（Ｂ）散乱体１２により、被検査物６を透過して入射する入射Ｘ線１を散乱体１２によりコンプトン散乱させる。
（Ｃ）遮蔽体１３により、コンプトン散乱された散乱Ｘ線２の入射Ｘ線１に対する散乱角θを所定の範囲に制限する。
（Ｄ）散乱Ｘ線検出器１４により、制限された散乱Ｘ線２のエネルギースペクトルを検出する。
（Ｅ）入射Ｘ線解析器１６により、検出された散乱Ｘ線２のエネルギースペクトルから入射Ｘ線１のエネルギースペクトルを演算する。
【００５９】
上述したように本発明では、被検査物６を透過して入射する入射Ｘ線１を散乱体１２でコンプトン散乱させ，例えば９０度の散乱方向に設置した散乱Ｘ線検出器１４で散乱Ｘ線２のエネルギースペクトルを計測する。さらに散乱Ｘ線２のエネルギースペクトルから入射Ｘ線１のエネルギースペクトルを演算する。
また、遮蔽体１３の向きを変えることで，散乱Ｘ線２のエネルギー範囲を変えることができ，対象とするエネルギー領域に最適な角度を選ぶことができる。さらに，散乱体１２と散乱Ｘ線検出器１４を２次元面内でスキャンさせることで、被検査物６の２次元マッピングを行うことができる。
【００６０】
上述した本発明の装置と方法によれば、散乱体１２を用いて所定の方向から入射する入射Ｘ線１をコンプトン散乱させるので、散乱Ｘ線２は入射Ｘ線１よりも相対的に低いエネルギー（例えば９０°の方向には高々５１１ｋｅＶ）となるため、比較的低エネルギー（＜１ＭｅＶ）のＸ線の検出に用いられている従来のＸ線検出器（シンチレータや半導体検出器など）を用いて散乱Ｘ線のエネルギーを弁別することができる。
【００６１】
また、散乱Ｘ線検出器１４を用いて入射Ｘ線１に対し特定の方向（散乱角θ）にコンプトン散乱された散乱Ｘ線２のエネルギーを検出するので、特定の散乱角θのもとでは、散乱Ｘ線解析器１６によりコンプトン散乱の式（３）を用いて、散乱Ｘ線２のエネルギースペクトルから入射Ｘ線１のエネルギーを一意に決めることができる。
従って、散乱Ｘ線２のエネルギースペクトルから入射Ｘ線１のエネルギースペクトルを求めることができる。
【００６２】
また、遮蔽体１３によりコンプトン散乱された散乱Ｘ線２の入射Ｘ線１に対する散乱角を所定の範囲に制限するので、散乱Ｘ線２の入射頻度を小さくできるため、パルスＸ線等，瞬間的に強度の高くなるＸ線に対しても、パイルアップを起こすことなくエネルギー弁別できる。
【００６３】
また、散乱体１２が直線状に延びる細長い板状散乱体であり、散乱Ｘ線検出器１４が、散乱体１２の片側又は両側に位置し散乱体に沿って直列に配列された複数の検出素子１４ａを有する構成により、高エネルギーＸ線用の１次元アレイセンサを構成することができ、これを用いて高エネルギーＸ線により大型の被検査物（例えばコンテナ）の材質識別型撮像ができる。
【００６４】
また、散乱体１２が円板状散乱体であり、散乱Ｘ線検出器１４が、散乱体の外周に沿って周方向に間隔を隔てて配列された複数の検出素子１４ａを有する構成により、Ｓ／Ｎ比の高い高エネルギーＸ線用のセンサを構成することができ、これを用いて高エネルギーＸ線により被検査物の特定位置を、高いＳ／Ｎ比で材質識別することができる。
【００６５】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。
【符号の説明】
【００６６】
１ａ 高エネルギーＸ線、１ 入射Ｘ線、
２ 散乱Ｘ線、３ 散乱体、
４ 吸収体、５ シールド、６ 被検査物、
１０ エネルギー弁別検査装置、１１ Ｘ線発生装置、
１２ 散乱体、１３ 遮蔽体、遮蔽板１３ａ、
１４ 散乱Ｘ線検出器、１４ａ 検出素子、
１４ｂ 前置増幅器、１４ｃ 主増幅器、
１４ｄ マルチチャンネルアナライザ、
１５ 電源、１６ 入射Ｘ線解析器、
１８ 透過Ｘ線検出器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１ＭｅＶを超える高エネルギーＸ線のエネルギー弁別検査装置と検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
税関や空港における手荷物検査等において、Ｘ線を被検査物に照射し、透過したＸ線の強度分布を画像化して内部の危険物（銃器等）を検出するＸ線検査装置が従来から広く用いられている。
また、被検査物を透過したＸ線をエネルギー弁別して、被検査物内の材質や状態を観察する技術も知られている（例えば非特許文献１）。
さらに、本発明と関連する技術が、非特許文献２、３及び特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】富田康弘、他、「エネルギー弁別型フォトンカウンティング放射線ラインセンサ（Ｘ線カラースキャナ）、放射線 Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．１（２００６）
【非特許文献２】Ｓｈｉｎ Ｗａｔａｎａｂｅ ｅｔ ａｌ．，“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｉｍａｇｉｎｇ ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ ｆｏｒ ａ Ｓｉ／ＣｄＴｅ Ｃｏｍｐｔｏｎ ｃａｍｅｒａ”， Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｈｕｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａ ５７９ （２００７） ８７１−８７７
【非特許文献３】中村 尚司、「放射線物理と加速器安全の工学」、地人書簡、Ｐ３８−３９
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２０８０５７号公報、「ガンマ線検出器及びガンマ線撮像装置」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した非特許文献１では、Ｘ線を電気信号に変換するＸ線検出器として、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）放射線素子を用いている。ＣｄＴｅは、Ｘ線、γ線に対し高い吸収特性を示し、Ｘ線、γ線を直接電荷に変換するため、非常に優れた光電変換特性を示す。
そのため、１ＭｅＶ未満の比較的低エネルギーのＸ線に対しては、Ｘ線のエネルギースペクトルの計測において、従来のＸ線検出器（シンチレータや半導体検出器など）からの出力信号を波高弁別することで、Ｘ線のエネルギーを弁別することが可能であった。
【０００６】
一方、コンテナ用Ｘ線検査装置では、エネルギーが１Ｍｅｖ〜９ＭｅＶのＸ線を用いてコンテナの透過像を取得し、この透過像から危険物の有無を検査している。
しかし、エネルギーが１ＭｅＶを超えるＸ線（以下、「高エネルギーＸ線」と呼ぶ）では，エネルギー弁別の基礎となるＸ線の全吸収の過程が起こりにくくなり、従来のＸ線検出器を用いてもエネルギー弁別できない問題点があった。
【０００７】
また，線型加速器等により発生する高エネルギーＸ線はパルスで発生するため，瞬間的にビーム強度が高くなり，検出器内の１回の計測に複数のＸ線が入射する現象（「パイルアップ」と呼ばれる）を起こすため、高エネルギーＸのエネルギー弁別ができない問題点があった。
【０００８】
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、１ＭｅＶを超える高エネルギーＸ線のエネルギー弁別ができ、かつ高エネルギーＸ線がパルスで発生しても、パイルアップが生じにくい高エネルギーＸ線のエネルギー弁別検査装置と検出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、被検査物に向けて１ＭｅＶを超える高エネルギーＸ線を照射するＸ線発生装置と、
前記被検査物を透過して入射する入射Ｘ線をコンプトン散乱させる散乱体と、
コンプトン散乱された散乱Ｘ線の前記入射Ｘ線に対する散乱角を所定の範囲に制限する遮蔽体と、
前記遮蔽体で制限された散乱Ｘ線のエネルギースペクトルを検出する散乱Ｘ線検出器と、
前記散乱Ｘ線のエネルギースペクトルから入射Ｘ線のエネルギースペクトルを演算する入射Ｘ線解析器と、を備えたことを特徴とする高エネルギーＸ線のエネルギー弁別検査装置が提供される。
【００１０】
本発明の実施形態によれば、前記入射Ｘ線に対し前記散乱体の背面に設置され散乱体を透過した入射Ｘ線を検出する透過Ｘ線検出器を備える。
【００１１】
また本発明の実施形態によれば、前記散乱体は、直線状に延びる細長い板状散乱体であり、
前記散乱Ｘ線検出器は、前記散乱体の片側又は両側に位置し散乱体に沿って直列に配列された複数の検出素子と、各検出素子の出力を増幅する複数の増幅器とを有し、
前記遮蔽体は、前記複数の検出素子の間を遮蔽する複数の遮蔽板からなる。
【００１２】
前記複数の検出素子は、前記散乱体に沿って入射Ｘ線の入射方向に積層されている、ことが好ましい。
【００１３】
前記散乱体は、入射Ｘ線の入射方向に沿って、各検出素子の位置に対応するように分割されている、ことが好ましい。
【００１４】
前記散乱Ｘ線検出器と遮蔽体は、前記入射Ｘ線に対し、一体的に揺動可能であり、前記散乱角を変更できるように構成されている、ことが好ましい。
【００１５】
また本発明の実施形態によれば、前記散乱体は、円板状散乱体であり、
前記散乱Ｘ線検出器は、前記散乱体の外周に沿って周方向に間隔を隔てて配列された複数の検出素子と、各検出素子の出力を増幅する複数の増幅器とを有し、
前記遮蔽体は、前記複数の検出素子の間を遮蔽するように放射状に配列された複数の遮蔽板からなる。
【００１６】
前記入射Ｘ線解析器は、対向する検出素子で同時に検出した散乱Ｘ線を検出信号としてはカウントしない、ことが好ましい。
【００１７】
また本発明によれば、被検査物に向けて１ＭｅＶを超える高エネルギーＸ線を照射し、
前記被検査物を透過して入射する入射Ｘ線を散乱体によりコンプトン散乱させ、
コンプトン散乱された散乱Ｘ線の前記入射Ｘ線に対する散乱角を所定の範囲に制限し、
制限された散乱Ｘ線のエネルギースペクトルを検出し、
検出された前記散乱Ｘ線のエネルギースペクトルから入射Ｘ線のエネルギースペクトルを演算する、ことを特徴とする高エネルギーＸ線のエネルギー弁別検査方法が提供される。
【発明の効果】
【００１８】
上記本発明の装置と方法によれば、散乱体を用いて所定の方向から入射する入射Ｘ線をコンプトン散乱させるので、散乱Ｘ線は入射Ｘ線よりも相対的に低いエネルギー（例えば９０°の方向には高々５１１ｋｅＶ）となるため、比較的低エネルギー（＜１ＭｅＶ）のＸ線の検出に用いられている従来のＸ線検出器（シンチレータや半導体検出器など）を用いて散乱Ｘ線のエネルギーを弁別することができる。
【００１９】
また、遮蔽体によりコンプトン散乱された散乱Ｘ線の前記入射Ｘ線に対する散乱角を所定の範囲に制限し、散乱Ｘ線検出器により前記遮蔽体で制限された散乱Ｘ線のエネルギースペクトルを検出するので、特定の散乱角のもとでは、散乱Ｘ線解析器によりコンプトン散乱の式を用いて、散乱Ｘ線のエネルギースペクトルから入射Ｘ線のエネルギーを一意に決めることができる。
従って、散乱Ｘ線のエネルギースペクトルから入射Ｘ線のエネルギースペクトルを求めることができる。
【００２０】
また、遮蔽体によりコンプトン散乱された散乱Ｘ線の前記入射Ｘ線に対する散乱角を所定の範囲に制限するので、散乱Ｘ線の入射頻度を小さくできるため、パルスＸ線等，瞬間的に強度の高くなるＸ線に対しても、パイルアップを起こすことなくエネルギー弁別できる。
【００２１】
また、散乱体が直線状に延びる細長い板状散乱体であり、散乱Ｘ線検出器が、散乱体の片側又は両側に位置し散乱体に沿って直列に配列された複数の検出素子を有する構成により、高エネルギーＸ線用の１次元アレイセンサを構成することができ、これを用いて高エネルギーＸ線により大型の被検査物（例えばコンテナ）の材質識別型撮像ができる。
【００２２】
また、散乱体が円板状散乱体であり、散乱Ｘ線検出器が、散乱体の外周に沿って周方向に間隔を隔てて配列された複数の検出素子を有する構成により、Ｓ／Ｎ比の高い高エネルギーＸ線用のセンサを構成することができ、これを用いて高エネルギーＸ線により被検査物の特定位置を、高いＳ／Ｎ比で材質識別することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】Ｘ線のエネルギー付与スペクトルの一例を示す図である。
【図２】従来のコンプトンカメラの原理図である。
【図３】本発明による高エネルギーＸ線のエネルギー弁別検査装置の全体構成図である。
【図４】入射Ｘ線と散乱Ｘ線の強度比を示す図である。
【図５】散乱角度による散乱Ｘ線のエネルギー変化を示す図である。
【図６】電子対生成とコンプトン散乱との断面積比を示す図である。
【図７】本発明によるエネルギー弁別検査装置の第１実施形態を示す図である。
【図８】本発明によるエネルギー弁別検査装置の第２実施形態を示す側面図である。
【図９】本発明によるエネルギー弁別検査装置の第３実施形態を示す側面図である。
【図１０】本発明によるエネルギー弁別検査装置の第４実施形態を示す側面図である。
【図１１】本発明によるエネルギー弁別検査装置の第５実施形態を示す側面図である。
【図１２】本発明によるエネルギー弁別検査装置の第６実施形態を示す側面図である。
【図１３】本発明によるエネルギー弁別検査装置の第７実施形態を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。
【００２５】
図１は、ＣｄＴｅ内でのＸ線のエネルギー付与スペクトルの一例を示す図である。
この図において、横軸はＸ線のエネルギー、縦軸はカウント数、図中の曲線は、１ＭｅＶのＸ線に対する光電吸収ピークとコンプトン散乱を示している。
従来のＸ線検出器に用いられている検出素子（この例では、テルル化カドミウム：ＣｄＴｅ）は、光電吸収ピークを検出し、入射Ｘ線のエネルギーを検出している。しかし、図１から光電吸収の他にコンプトン散乱が頻発していることがわかる。このコンプトン散乱光は、検出素子においてその一部が吸収され、大部分は外部に散乱する。
【００２６】
一方、比較的低エネルギー（＜１ＭｅＶ）のＸ線に対しては、Ｘ線のエネルギースペクトルの計測において、Ｘ線のエネルギーの実質的に全てが吸収されるので、従来のＸ線検出器からの出力信号を波高弁別することで、Ｘ線のエネルギーを弁別することが可能であった。
【００２７】
しかし、エネルギーが１ＭｅＶを超えるＸ線（高エネルギーＸ線）では、エネルギー弁別の基礎となるＸ線の全吸収の過程が起こりにくくなり、従来のＸ線検出器を用いてもエネルギー弁別できない。
例えば、３ＭｅＶの高エネルギーＸ線では、光電吸収ピークは１ＭｅＶ（図１）に比べて２桁小さく、９ＭｅＶの高エネルギーＸ線では、光電吸収ピークは確認できないほど小さくなる。
従って、１ＭｅＶを超える高エネルギーＸ線に対しては、比較的低エネルギー（＜１ＭｅＶ）のＸ線と同じ手段では、エネルギー弁別できないことがわかる。
【００２８】
一方、１ＭｅＶを超える高エネルギーＸ線は、通常、加速器で生成されるため、ビーム構造はパルス的であり、瞬間的に強い強度で発生する。
検出器に入射するＸ線のフルエンス率は、パルス幅，検出面積にも依存するが、例えば従来の検査装置の使用条件では、１０１１［ｐｈｏｔｏｎ／ｓ］のオーダであるのに対し、従来のエネルギー弁別検出器の応答速度は、１０−６ｓｅｃのオーダであり、１回の検出時に、１０６のオーダのＸ線パルスが入射するパイルアップが発生し、エネルギー弁別できないことがわかる。
【００２９】
図２は、非特許文献２に開示された従来のコンプトンカメラの原理図である。
この図において、１は入射Ｘ線、２は散乱Ｘ線、３は散乱体、４は吸収体、５はシールドである。入射Ｘ線１のエネルギーをＥｉｎ、散乱体３による吸収エネルギーをＥ１、吸収体４による吸収エネルギーをＥ２、入射Ｘ線１に対する散乱Ｘ線２の散乱角度をθとすると、数１の式（１）と式（２）が成り立つ。ここで、ｍｅＣ２は電子のエネルギーである。
従って、入射Ｘ線が高エネルギーＸ線であっても、Ｅ１、Ｅ２、θから、入射Ｘ線のエネルギーＥｉｎを求めることができる。
【００３０】
【数１】
【００３１】
しかし、この手段は、高エネルギーＸ線に対応できるが、従来のエネルギー弁別検出器を用いるため、応答速度が遅く（１０−６ｓｅｃのオーダ）、Ｘ線パルスには対応できない。
さらにこの手段では、高エネルギーＸ線およびそれによる２次電子を検出器内ですべて吸収する必要があるため、吸収体を含めた検出器全体のサイズが大きくなる。その結果、検査装置に組み込む場合にはその空間分解能が悪くなる恐れがある。
【００３２】
図３は、本発明による高エネルギーＸ線のエネルギー弁別検査装置の全体構成図である。
この図において、本発明のエネルギー弁別検査装置１０は、Ｘ線発生装置１１、散乱体１２、遮蔽体１３、散乱Ｘ線検出器１４、入射Ｘ線解析器１６及び透過Ｘ線検出器１８を備える。なお、１は入射Ｘ線、２は散乱Ｘ線、６は被検査物である。
【００３３】
Ｘ線発生装置１１は、被検査物６に向けて１ＭｅＶを超える高エネルギーＸ線１ａを照射する。被検査物６は、例えば大型コンテナである。高エネルギーＸ線１ａは、好ましくは１Ｍｅｖ〜９ＭｅＶのＸ線である。この高エネルギーＸ線１ａは、線型加速器等により発生するパルスＸ線であってもよい。
【００３４】
散乱体１２は、所定の方向（この例では上方）から被検査物６を透過して入射する入射Ｘ線１をコンプトン散乱させる。散乱体１２は、好ましくは、水素、炭素、アルミニウム、シリコン、又はこれらを主成分とする化合物である。
【００３５】
遮蔽体１３は、鉛、鉄などの重金属からなり、コンプトン散乱された散乱Ｘ線２の入射Ｘ線１に対する散乱角θを所定の範囲に制限する。所定の範囲は、後述の例では立体角が２π×０．０１であり、パイルアップを抑制し、エネルギー弁別することができるように散乱体の厚さ、散乱方向、立体角を調整するのがよい。
【００３６】
散乱Ｘ線検出器１４は、入射Ｘ線１に対し特定の方向θにコンプトン散乱された散乱Ｘ線２のエネルギースペクトルを検出する。
散乱Ｘ線検出器１４は、検出素子１４ａ（ＣｄＴｅ，ＣｄＺｎＴｅ，Ｇｅ，Ｓｉ，シンチレータなど）、及び検出回路（前置増幅器１４ｂ、主増幅器１４ｃ、及びマルチチャンネルアナライザ１４ｄ）からなり、散乱Ｘ線２のエネルギースペクトルを検出できるように構成されている。なお、１５は電源である。
【００３７】
入射Ｘ線解析器１６は、例えばコンピュータであり、散乱Ｘ線２のエネルギースペクトルから入射Ｘ線１のエネルギースペクトルを演算する。また、この入射Ｘ線解析器１６は、Ｘ線発生装置１１及び散乱Ｘ線検出器１４を制御するようになっている。
【００３８】
透過Ｘ線検出器１８は、入射Ｘ線１に対し散乱体１２の背面に設置され、散乱体１２を透過した入射Ｘ線を検出する。この透過Ｘ線検出器１８により、高エネルギーＸ線１ａによる被検査物６の透過像を撮影することができる。
【００３９】
図３の構成において、コンプトン散乱による散乱Ｘ線２のエネルギーｈνは、散乱角度θにより数２の式（３）により一意に決まることが、非特許文献３に開示されている。ここで、ｈν０は入射Ｘ線１のエネルギー、ｍｅＣ２は電子のエネルギーである。
【００４０】
【数２】
【００４１】
従って、式（３）により、散乱Ｘ線２のエネルギースペクトルから入射Ｘ線１のエネルギースペクトルを演算することができる。
また、式（３）において、電子のエネルギー（ｍｅｃ２）は、約０．５ＭｅＶであり、本願の対象とする入射Ｘ線１のエネルギー（ｈν０）は、例えば１〜９ＭｅＶであることから、散乱角度θが９０度の場合、散乱Ｘ線２のエネルギーｈνは、約０．３３〜０．４７ ＭｅＶであり、散乱Ｘ線検出器１４として従来のＸ線検出器を用いて散乱Ｘ線２のエネルギーを弁別できることがわかる。
【００４２】
さらに入射Ｘ線解析器１６により、コンプトン散乱の断面積から入射Ｘ線１のエネルギースペクトルを補正する。すなわち散乱体での自己吸収、およびコンプトン散乱の断面積を考慮してスペクトルの形を補正する。
【００４３】
図３の構成において、コンプトン散乱による微分断面積（ｄσｃ／ｄΩ）は、Ｋｌｅｉｎ−仁科の式として、数３の式（４）と式（５）で与えられることが、非特許文献３に開示されている。ここで、ｒｅは電子の古典半径（２．８１７９４×１０−１５［ｍ］）である。
【００４４】
【数３】
【００４５】
また、補正前後のエネルギースペクトルを各々ｆ１、ｆ２とすると、数４の式（６）が成り立つ。
【００４６】
【数４】
【００４７】
従って、式（４）〜（６）から、入射Ｘ線１のエネルギースペクトルを補正することができる。
【００４８】
図４は、入射Ｘ線と散乱Ｘ線の強度比を示す図である。この図において、横軸は入射Ｘ線のエネルギー、縦軸は散乱比率であり、図中の曲線は、散乱体が厚さ１ｍｍのＳｉであり、散乱方向が９０°、立体角が２π×０．０１の場合を示している。
この例において、入射Ｘ線１のエネルギー（ｈν０）が１〜９ＭｅＶである場合、散乱比率は約１〜４．５×１０−５であり、散乱Ｘ線２は入射Ｘ線１に比べて約５桁頻度が落ちることがわかる。
従って、上述した例において、高エネルギーＸ線のフルエンス率が、１０１１［ｐｈｏｔｏｎ／ｓ］のオーダであり、エネルギー弁別検出器の応答速度が、１０−６ｓｅｃのオーダであっても、１回の検出時に、入射するＸ線パルスは１桁（＝１０１１×１０−６×１０−５）となり、パイルアップを抑制し、エネルギー弁別が可能となることがわかる。
すなわち、上述の例において、散乱体の厚さ、散乱方向、立体角を適宜調整することにより、パイルアップを抑制し、エネルギー弁別することができる。
【００４９】
図５は、散乱角度による散乱Ｘ線のエネルギー変化を示す図である。この図において、横軸は入射Ｘ線のエネルギー、縦軸は散乱Ｘ線のエネルギー、図中の各線は、散乱角度θが、上から６０，７５，９０，１２０度の場合を示している。
この図から、散乱角度θが６０〜１２０度の範囲において、入射Ｘ線１のエネルギー１〜９ＭｅＶに対して、散乱Ｘ線２のエネルギーは、約０．２５〜０．９ＭｅＶであり、散乱Ｘ線検出器１４として従来のＸ線検出器を用いて散乱Ｘ線２のエネルギーを弁別できることがわかる。
一方、散乱角度が小さい場合、散乱Ｘ線２のエネルギーの最大値は大きくなるが、入射Ｘ線１のエネルギーに換算する際の精度は向上することがわかる。従って、この観点から散乱角度θは、６０〜９０度の範囲であることが好ましい。
【００５０】
図６は、電子対生成とコンプトン散乱との断面積比を示す図である。この図において、横軸はＸ線エネルギー、縦軸は電子対生成とコンプトン散乱の比率（電子対生成／コンプトン散乱）である。
電子対生成は、コンプトン散乱を検出する際のノイズとして作用するので、図６における比率が小さいほど、Ｓ／Ｎ比が改善される。すなわち、この図から、原子番号が小さい方が、コンプトン散乱を起こす比率が高く、Ｓ／Ｎ比の改善が期待できることがわかる。
従って、上述したように散乱体１２は、水素、炭素、アルミニウム、シリコン、又はこれらを主成分とする化合物であるのがよい。
【００５１】
図７は、本発明によるエネルギー弁別検査装置の第１実施形態を示す図である。この図において、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は平面図である。
この図において、散乱体１２は、直線状に延びる細長い板状散乱体である。例えば板状散乱体の幅は１〜２ｍｍ、長さは２〜３ｍであり、大型コンテナの幅又は高さをカバーできる長さに設定するのがよい。
散乱Ｘ線検出器１４は、散乱体１２の片側又は両側に位置し散乱体１２に沿って直列に配列された複数の検出素子１４ａと、各検出素子１４ａの出力を増幅する複数の増幅器（図示せず）とを有する。また遮蔽体１３は、複数の検出素子１４ａの間を遮蔽する複数の遮蔽板１３ａからなる。なおこの例において散乱角度θは９０度である。
この例のように、複数の検出素子１４ａの間に遮蔽体１３（遮蔽板１３ａ）を設置することで、特定の散乱角度の散乱Ｘ線のみを散乱Ｘ線検出器１４で検出することができる。また、散乱体１２の両側に検出素子１４ａを設置することで散乱Ｘ線検出器１４の感度を上げることができる。
【００５２】
図８は、本発明によるエネルギー弁別検査装置の第２実施形態を示す側面図である。
この図において、検出素子１４ａは、散乱体１２に沿って入射Ｘ線１の入射方向に複数（この例では３層）に積層されている。この場合、層間にも遮蔽板１３ａを設置する。
この例のように、検出素子１４ａを多層に積層することにより、入射Ｘ線１の進行方向に散乱体１２を厚くでき、入射Ｘ線１の検出効率を上げることができる。
【００５３】
図９は、本発明によるエネルギー弁別検査装置の第３実施形態を示す側面図である。
この図において、散乱体１２は、入射Ｘ線１の入射方向に沿って、各検出素子１４ａに対応するように複数（この例では４つ）に分割されている。
この例のように、散乱体１２を多層にし、遮蔽板１３ａと同じ高さからは散乱Ｘ線２が発生しないようにすることにより、余計な領域での反応が減り、ノイズとなる散乱線を減らし、入射Ｘ線１の検出効率を上げることができる。
【００５４】
図１０は、本発明によるエネルギー弁別検査装置の第４実施形態を示す側面図である。
この図において、散乱Ｘ線検出器１４と遮蔽体１３は、入射Ｘ線１に対し、一体的に揺動可能であり、散乱角を変更できるように構成されている。
この例のように、散乱Ｘ線検出器１４と遮蔽体１３の入射Ｘ線１に対する角度を可変にすることにより、図５に示したように散乱Ｘ線２のエネルギーが変わるので、入射Ｘ線１のエネルギーと検出分解能を考慮した最適な条件設定が可能となる。
【００５５】
図１１は、本発明によるエネルギー弁別検査装置の第５実施形態を示す側面図である。
この例では、散乱体１２に沿って入射Ｘ線１の入射方向に積層されている複数（この例では３層）の検出素子１４ａが、散乱体１２の同一位置に向けて、入射Ｘ線１に対し異なる散乱角で設置されている。
この例のように、積層方向に入射Ｘ線１に対する角度を変えて検出素子１４ａを配置することにより、同じ散乱体１２の厚さから多くのイベントを検出することができ、検出信号のＳ／Ｎ比を向上させることができる。
【００５６】
図１２は、本発明によるエネルギー弁別検査装置の第６実施形態を示す側面図である。この図において、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は入射Ｘ線のエネルギースペクトルである。
散乱体１２において、電子対消滅が発生すると図１２（Ｂ）に示すように、電子対消滅に起因するＸ線（エネルギー５１１ｋｅＶ）が、入射Ｘ線の外乱として検出される。
上述した入射Ｘ線解析器１６は、対向する検出素子１４ａで同時に検出したＸ線（エネルギー５１１ｋｅＶ）を検出信号としてはカウントしない。
なお、波高弁別後の入射Ｘ線のエネルギースペクトル（図１２（Ｂ））において、５１１ｋｅＶのイベントを検出信号としてはカウントしないようにしてもよい。
この方法により、電子対消滅による外乱の影響を低減することができる。
【００５７】
図１３は、本発明によるエネルギー弁別検査装置の第７実施形態を示す平面図である。
この例において、散乱体１２は、円板状散乱体である。
また散乱Ｘ線検出器１４は、散乱体１２の外周に沿って周方向に間隔を隔てて配列された複数の検出素子１４ａと、各検出素子１４ａの出力を増幅する複数の増幅器（図示せず）とを有する。さらに遮蔽体１３は、複数の検出素子１４ａの間を遮蔽するように放射状に配列された複数の遮蔽板１３ａからなる。
この例のように、散乱体１２を取り囲むように、検出素子１４ａと遮蔽板１３ａを配置することにより、スキャン方向は２軸必要になるが、検出効率を上げることができる。
【００５８】
上述した本発明によるエネルギー弁別検査装置を用い、本発明の検査方法は、以下の５つのステップ（工程）からなる。
（Ａ）Ｘ線発生装置１１により、被検査物６に向けて１ＭｅＶを超える高エネルギーＸ線１ａを照射する。
（Ｂ）散乱体１２により、被検査物６を透過して入射する入射Ｘ線１を散乱体１２によりコンプトン散乱させる。
（Ｃ）遮蔽体１３により、コンプトン散乱された散乱Ｘ線２の入射Ｘ線１に対する散乱角θを所定の範囲に制限する。
（Ｄ）散乱Ｘ線検出器１４により、制限された散乱Ｘ線２のエネルギースペクトルを検出する。
（Ｅ）入射Ｘ線解析器１６により、検出された散乱Ｘ線２のエネルギースペクトルから入射Ｘ線１のエネルギースペクトルを演算する。
【００５９】
上述したように本発明では、被検査物６を透過して入射する入射Ｘ線１を散乱体１２でコンプトン散乱させ，例えば９０度の散乱方向に設置した散乱Ｘ線検出器１４で散乱Ｘ線２のエネルギースペクトルを計測する。さらに散乱Ｘ線２のエネルギースペクトルから入射Ｘ線１のエネルギースペクトルを演算する。
また、遮蔽体１３の向きを変えることで，散乱Ｘ線２のエネルギー範囲を変えることができ，対象とするエネルギー領域に最適な角度を選ぶことができる。さらに，散乱体１２と散乱Ｘ線検出器１４を２次元面内でスキャンさせることで、被検査物６の２次元マッピングを行うことができる。
【００６０】
上述した本発明の装置と方法によれば、散乱体１２を用いて所定の方向から入射する入射Ｘ線１をコンプトン散乱させるので、散乱Ｘ線２は入射Ｘ線１よりも相対的に低いエネルギー（例えば９０°の方向には高々５１１ｋｅＶ）となるため、比較的低エネルギー（＜１ＭｅＶ）のＸ線の検出に用いられている従来のＸ線検出器（シンチレータや半導体検出器など）を用いて散乱Ｘ線のエネルギーを弁別することができる。
【００６１】
また、散乱Ｘ線検出器１４を用いて入射Ｘ線１に対し特定の方向（散乱角θ）にコンプトン散乱された散乱Ｘ線２のエネルギーを検出するので、特定の散乱角θのもとでは、散乱Ｘ線解析器１６によりコンプトン散乱の式（３）を用いて、散乱Ｘ線２のエネルギースペクトルから入射Ｘ線１のエネルギーを一意に決めることができる。
従って、散乱Ｘ線２のエネルギースペクトルから入射Ｘ線１のエネルギースペクトルを求めることができる。
【００６２】
また、遮蔽体１３によりコンプトン散乱された散乱Ｘ線２の入射Ｘ線１に対する散乱角を所定の範囲に制限するので、散乱Ｘ線２の入射頻度を小さくできるため、パルスＸ線等，瞬間的に強度の高くなるＸ線に対しても、パイルアップを起こすことなくエネルギー弁別できる。
【００６３】
また、散乱体１２が直線状に延びる細長い板状散乱体であり、散乱Ｘ線検出器１４が、散乱体１２の片側又は両側に位置し散乱体に沿って直列に配列された複数の検出素子１４ａを有する構成により、高エネルギーＸ線用の１次元アレイセンサを構成することができ、これを用いて高エネルギーＸ線により大型の被検査物（例えばコンテナ）の材質識別型撮像ができる。
【００６４】
また、散乱体１２が円板状散乱体であり、散乱Ｘ線検出器１４が、散乱体の外周に沿って周方向に間隔を隔てて配列された複数の検出素子１４ａを有する構成により、Ｓ／Ｎ比の高い高エネルギーＸ線用のセンサを構成することができ、これを用いて高エネルギーＸ線により被検査物の特定位置を、高いＳ／Ｎ比で材質識別することができる。
【００６５】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。
【符号の説明】
【００６６】
１ａ 高エネルギーＸ線、１ 入射Ｘ線、
２ 散乱Ｘ線、３ 散乱体、
４ 吸収体、５ シールド、６ 被検査物、
１０ エネルギー弁別検査装置、１１ Ｘ線発生装置、
１２ 散乱体、１３ 遮蔽体、遮蔽板１３ａ、
１４ 散乱Ｘ線検出器、１４ａ 検出素子、
１４ｂ 前置増幅器、１４ｃ 主増幅器、
１４ｄ マルチチャンネルアナライザ、
１５ 電源、１６ 入射Ｘ線解析器、
１８ 透過Ｘ線検出器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検査物に向けて１ＭｅＶを超える高エネルギーＸ線を照射するＸ線発生装置と、
前記被検査物を透過して入射する入射Ｘ線をコンプトン散乱させる散乱体と、
コンプトン散乱された散乱Ｘ線の前記入射Ｘ線に対する散乱角を所定の範囲に制限する遮蔽体と、
前記遮蔽体で制限された散乱Ｘ線のエネルギースペクトルを検出する散乱Ｘ線検出器と、
前記散乱Ｘ線のエネルギースペクトルから入射Ｘ線のエネルギースペクトルを演算する入射Ｘ線解析器と、を備えたことを特徴とする高エネルギーＸ線のエネルギー弁別検査装置。
【請求項２】
前記入射Ｘ線に対し前記散乱体の背面に設置され散乱体を透過した入射Ｘ線を検出する透過Ｘ線検出器を備える、ことを特徴とする請求項１に記載のエネルギー弁別検査装置。
【請求項３】
前記散乱体は、直線状に延びる細長い板状散乱体であり、
前記散乱Ｘ線検出器は、前記散乱体の片側又は両側に位置し散乱体に沿って直列に配列された複数の検出素子と、各検出素子の出力を増幅する複数の増幅器とを有し、
前記遮蔽体は、前記複数の検出素子の間を遮蔽する複数の遮蔽板からなる、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のエネルギー弁別検査装置。
【請求項４】
前記複数の検出素子は、前記散乱体に沿って入射Ｘ線の入射方向に積層されている、ことを特徴とする請求項３に記載のエネルギー弁別検査装置。
【請求項５】
前記散乱体は、入射Ｘ線の入射方向に沿って、各検出素子の位置に対応するように分割されている、ことを特徴とする請求項４に記載のエネルギー弁別検査装置。
【請求項６】
前記散乱Ｘ線検出器と遮蔽体は、前記入射Ｘ線に対し、一体的に揺動可能であり、前記散乱角を変更できるように構成されている、ことを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１つに記載のエネルギー弁別検査装置。
【請求項７】
前記散乱体は、円板状散乱体であり、
前記散乱Ｘ線検出器は、前記散乱体の外周に沿って周方向に間隔を隔てて配列された複数の検出素子と、各検出素子の出力を増幅する複数の増幅器とを有し、
前記遮蔽体は、前記複数の検出素子の間を遮蔽するように放射状に配列された複数の遮蔽板からなる、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のエネルギー弁別検査装置。
【請求項８】
前記入射Ｘ線解析器は、対向する検出素子で同時に検出した散乱Ｘ線を検出信号としてはカウントしない、ことを特徴とする請求項１に記載のエネルギー弁別検査装置。
【請求項９】
被検査物に向けて１ＭｅＶを超える高エネルギーＸ線を照射し、
前記被検査物を透過して入射する入射Ｘ線を散乱体によりコンプトン散乱させ、
コンプトン散乱された散乱Ｘ線の前記入射Ｘ線に対する散乱角を所定の範囲に制限し、
制限された散乱Ｘ線のエネルギースペクトルを検出し、
検出された前記散乱Ｘ線のエネルギースペクトルから入射Ｘ線のエネルギースペクトルを演算する、ことを特徴とする高エネルギーＸ線のエネルギー弁別検査方法。
【請求項１】
被検査物に向けて１ＭｅＶを超える高エネルギーＸ線を照射するＸ線発生装置と、
前記被検査物を透過して入射する入射Ｘ線をコンプトン散乱させる散乱体と、
コンプトン散乱された散乱Ｘ線の前記入射Ｘ線に対する散乱角を所定の範囲に制限する遮蔽体と、
前記遮蔽体で制限された散乱Ｘ線のエネルギースペクトルを検出する散乱Ｘ線検出器と、
前記散乱Ｘ線のエネルギースペクトルから入射Ｘ線のエネルギースペクトルを演算する入射Ｘ線解析器と、を備えたことを特徴とする高エネルギーＸ線のエネルギー弁別検査装置。
【請求項２】
前記入射Ｘ線に対し前記散乱体の背面に設置され散乱体を透過した入射Ｘ線を検出する透過Ｘ線検出器を備える、ことを特徴とする請求項１に記載のエネルギー弁別検査装置。
【請求項３】
前記散乱体は、直線状に延びる細長い板状散乱体であり、
前記散乱Ｘ線検出器は、前記散乱体の片側又は両側に位置し散乱体に沿って直列に配列された複数の検出素子と、各検出素子の出力を増幅する複数の増幅器とを有し、
前記遮蔽体は、前記複数の検出素子の間を遮蔽する複数の遮蔽板からなる、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のエネルギー弁別検査装置。
【請求項４】
前記複数の検出素子は、前記散乱体に沿って入射Ｘ線の入射方向に積層されている、ことを特徴とする請求項３に記載のエネルギー弁別検査装置。
【請求項５】
前記散乱体は、入射Ｘ線の入射方向に沿って、各検出素子の位置に対応するように分割されている、ことを特徴とする請求項４に記載のエネルギー弁別検査装置。
【請求項６】
前記散乱Ｘ線検出器と遮蔽体は、前記入射Ｘ線に対し、一体的に揺動可能であり、前記散乱角を変更できるように構成されている、ことを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１つに記載のエネルギー弁別検査装置。
【請求項７】
前記散乱体は、円板状散乱体であり、
前記散乱Ｘ線検出器は、前記散乱体の外周に沿って周方向に間隔を隔てて配列された複数の検出素子と、各検出素子の出力を増幅する複数の増幅器とを有し、
前記遮蔽体は、前記複数の検出素子の間を遮蔽するように放射状に配列された複数の遮蔽板からなる、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のエネルギー弁別検査装置。
【請求項８】
前記入射Ｘ線解析器は、対向する検出素子で同時に検出した散乱Ｘ線を検出信号としてはカウントしない、ことを特徴とする請求項１に記載のエネルギー弁別検査装置。
【請求項９】
被検査物に向けて１ＭｅＶを超える高エネルギーＸ線を照射し、
前記被検査物を透過して入射する入射Ｘ線を散乱体によりコンプトン散乱させ、
コンプトン散乱された散乱Ｘ線の前記入射Ｘ線に対する散乱角を所定の範囲に制限し、
制限された散乱Ｘ線のエネルギースペクトルを検出し、
検出された前記散乱Ｘ線のエネルギースペクトルから入射Ｘ線のエネルギースペクトルを演算する、ことを特徴とする高エネルギーＸ線のエネルギー弁別検査方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−９９６９７（Ｐ２０１１−９９６９７Ａ）
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５２９４２（Ｐ２００９−２５２９４２）
【出願日】平成２１年１１月４日（２００９．１１．４）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月４日（２００９．１１．４）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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