(57)【要約】  本発明の核物質探知装置（１）は、コンテナに対して照射する中性子を発生させる中性子源（１０）と、この中性子源から照射させた一次中性子及び核物質（４）の核分裂反応により発生した二次中性子を含む中性子を検出可能な検出部（２０）と、この検出部が中性子を検出して得たデータに基づいて炉雑音解析処理を行う処理部（３０）とを備えている。  中性子源（１０）は、パルス状に中性子を発生させる。処理部（３０）は、検出部が中性子を検出して得た時系列データから、中性子源がパルス状に発生させた中性子の発生時間を含む時間領域のデータを除いたデータに基づいて、炉雑音解析処理を行う。  本発明によると、コンテナ（３）に隠蔽されている核物質（４）を探知できる。
2014034734.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物内の核物質を探知する核物質探知装置であって、
前記対象物に対して照射する中性子を発生させる中性子源と、
前記中性子源から照射させた一次中性子及び核物質の核分裂反応により発生した二次中性子を含む中性子を検出可能な検出部と、
前記検出部が中性子を検出して得たデータに基づいて炉雑音解析処理を行う処理部と、を備え、
前記中性子源は、パルス状に中性子を発生させ、
前記処理部は、前記検出部が中性子を検出して得た時系列データから、前記中性子源がパルス状に発生させた中性子の発生時間を含む時間領域のデータを除いたデータに基づいて、前記炉雑音解析処理を行うことを特徴とする核物質探知装置。
【請求項２】
前記処理部は、前記時系列データを生成すると共に、この時系列データから、前記時間領域のデータを除いたデータを抽出し、抽出したこのデータに基づいて前記炉雑音解析処理を行って雑音成分を求める請求項１に記載の核物質探知装置。
【請求項３】
前記処理部は、前記中性子源がパルス状に発生させる中性子の発生開始タイミングから、当該中性子の前記発生時間の５００〜５０００倍の時間経過後までのタイミングを前記時間領域として、この時間領域のデータを、前記時系列データから除く請求項１又は２に記載の核物質探知装置。
【請求項４】
前記中性子源は、２つの重水素を反応させる核融合反応を用いて中性子を発生させる請求項１〜３のいずれか一項に記載の核物質探知装置。
【請求項５】
前記中性子源と前記検出部との内の少なくとも一方は、路面に対して移動する移動体に搭載されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の核物質探知装置。
【請求項６】
前記中性子源から前記対象物へ向かう方向と、前記対象物から前記検出部へと向かう方向とは、交差する関係にある請求項１〜５のいずれか一項に記載の核物質探知装置。
【請求項７】
前記中性子源は、２つの重水素を反応させる核融合反応を用いて中性子を発生させる構成であり、
前記検出部は、中性子をそのエネルギーと共に検出する機能を有し、
前記処理部は、前記核融合反応により発生し前記検出部に到達する中性子が有する最大エネルギーよりも高いエネルギーを有する中性子が、前記検出部により検出された中性子に含まれていることを求める機能を有している請求項１〜６のいずれか一項に記載の核物質探知装置。
【請求項８】
対象物内の核物質を探知する核物質探知方法であって、
前記対象物に対してパルス状に中性子を照射し、
照射した一次中性子及び核物質の核分裂反応により発生した二次中性子を含む中性子を検出し、
この検出して得たデータに基づいて炉雑音解析処理を行い、
前記炉雑音解析処理を、中性子を検出して得た時系列データから、前記パルス状に発生させた中性子の発生時間を含む時間領域のデータを除いたデータに基づいて行うことを特徴とする核物質探知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンテナ等に隠蔽されている可能性のある核物質を探知する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
世界各国でウラン２３５やプルトニウム２３９等の核物質（特定核物質）を用いたテロリズムの危険性が高まっている。そのため、アメリカのメガポートイニシアティブ等では、このようなテロリズムを未然に防ぐために、コンテナ等に隠蔽された核物質を探知する技術の開発が必要とされている。【０００３】
しかし、核物質が隠蔽されていると疑われるコンテナに対して、例えば可搬式のような簡単な装置により非破壊検査を行うことができ、しかも、その信頼性が高い技術は、現在、存在していない。
例えば、核物質を探知するために、Ｘ線等の強力な放射線をコンテナに照射し、このコンテナ内の核物質の核反応により発生する中性子やガンマ線を測定する手段が考えられるが、この場合、強力な放射線を発生させるために大型の加速器が必要となり、可搬式の装置として実用化させることは極めて困難である。【０００４】
なお、特許文献１には、中性子を用いた小型で簡便な検査・分析装置として、核融合反応により発生させた中性子を、試料（材料）に照射し、中性子散乱、中性子ラジオグラフィ、中性子即発ガンマ線分析、中性子放射化分析又は中性子反射表面分析を用いて、試料の検査・分析を行う装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３１５２８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の装置では、中性子源が発生させた中性子から特定波長の中性子を取り出し、この取り出した特定波長の中性子を試料に照射し、この試料から散乱した中性子を検出する手法が採用されている。
しかし、この手法によりコンテナ等に隠蔽されている可能性のある核物質を探知することは、原理的に不可能であり、核物質探知装置として実用化することはできない。【０００７】
そこで、本発明は、核物質の検知能力が高く、実用可能な核物質検知装置及び核物質検知方法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】
【０００８】
本発明は、対象物内の核物質を探知する核物質探知装置であって、前記対象物に対して照射する中性子を発生させる中性子源と、前記中性子源から照射させた一次中性子及び核物質の核分裂反応により発生した二次中性子を含む中性子を検出可能な検出部と、前記検出部が中性子を検出して得たデータに基づいて炉雑音解析処理を行う処理部とを備え、前記中性子源は、パルス状に中性子を発生させ、前記処理部は、前記検出部が中性子を検出して得た時系列データから、前記中性子源がパルス状に発生させた中性子の発生時間を含む時間領域のデータを除いたデータに基づいて、前記炉雑音解析処理を行うことを特徴とする。【０００９】
検出部により検出される中性子には、中性子源から照射させた一次中性子と、核物質が対象物内に隠蔽されている場合にその核物質の核分裂反応により発生する二次中性子とが含まれる。そして、核物質を探知するためには二次中性子を検出する必要があるが、一次中性子の影響により（つまり、一次中性子がバックグランドとなり）二次中性子の検出が困難となる。
そこで、本発明によれば、中性子源からパルス状に中性子（一次中性子）を発生させ、検出部が中性子を検出して得た時系列データから、一次中性子の影響が大きいと推測される時間領域のデータを除いて、炉雑音解析処理が行われる。このため、核物質の探知能力を高めることができ、実用可能な核物質探知装置を得ることが可能となる。【００１０】
また、前記処理部は、前記時系列データを生成すると共に、この時系列データから、前記時間領域のデータを除いたデータを抽出し、抽出したこのデータに基づいて前記炉雑音解析処理を行って雑音成分を求めるのが好ましい。
この場合、中性子源がパルス状に発生させた一次中性子の影響が大きい時間領域のデータを、時系列データから除き、一次中性子の影響の少ない時間領域のデータを抽出することができる。そして、この抽出した時間領域のデータに基づいて炉雑音解析処理を行って、雑音成分（Ｙ値）を求めることができる。【００１１】
また、前記処理部は、前記中性子源がパルス状に発生させる中性子の発生開始タイミングから、当該中性子の前記発生時間の５００〜５０００倍の時間経過後までのタイミングを前記時間領域として、この時間領域のデータを、前記時系列データから除くのが好ましい。
この場合、中性子源がパルス状に発生させた一次中性子の影響を効果的に除くことができ、また、時系列データから除くデータを少なくして炉雑音解析処理における統計誤差を小さくすることが可能となる。【００１２】
また、前記中性子源は、２つの重水素を反応させる核融合反応を用いて中性子を発生させるのが好ましい。
２つの重水素を反応させる核融合反応（以下、ＤＤ核融合反応ともいう）は、重水素と三重水素とを反応させる核融合反応（以下、ＤＴ核融合反応ともいう）に比べて、中性子の発生量が劣るが、前記のとおり、核物質の探知能力を高めることができることから、中性子源にＤＤ核融合反応を用いたとしても、隠蔽されている核物質の探知が可能となる。そして、ＤＤ核融合反応では、三重水素を使わないことから、装置として安全であり、また、装置の取り扱いが容易となる。【００１３】
また、前記中性子源と前記検出部との内の少なくとも一方は、路面に対して移動する移動体に搭載されているのが好ましい。
中性子源を移動体に搭載させるためには、中性子源を小型化する必要がある。前記のとおり、核物質の探知能力を高めることができることから、多くの中性子を発生させるために大型の中性子源ではなく、小型の中性子源でもよい。このため、中性子源の移動体への搭載が可能となる。また、核物質の探知能力を高めることができることから、検出部を小型化することができ、検出部の移動体への搭載が可能となる。
なお、移動体としては、トラック等の荷台を有する自動車とすることができ、この荷台に中性子源と検出部との内の少なくとも一方が搭載される。
また、移動体は一つであり、この移動体に中性子源と検出部との双方が搭載されていてもよく、または、移動体は二つであり、中性子源と検出部とを移動体それぞれに分けて搭載してもよい。【００１４】
また、前記中性子源から前記対象物へ向かう方向と、前記対象物から前記検出部へと向かう方向とは、交差する関係にあるのが好ましい。
この場合、中性子源から対象物へ向かう方向に照射された中性子が、直接的に検出部に対して照射されるのを防ぐことが可能となる。【００１５】
また、前記中性子源は、２つの重水素を反応させる核融合反応を用いて中性子を発生させる構成であり、前記検出部は、中性子をそのエネルギーと共に検出する機能を有し、前記処理部は、前記核融合反応により発生し前記検出部に到達する中性子が有する最大エネルギーよりも高いエネルギーを有する中性子が、前記検出部により検出された中性子に含まれていることを求める機能を有しているのが好ましい。【００１６】
この場合、中性子源から、２つの重水素を反応させる核融合反応（ＤＤ核融合反応）を用いて中性子を発生させると、検出部に到達する一次中性子の最大エネルギーは、ある値（２．４５ＭｅＶ）となる。これに対して、探知しようとする核物質から発生する二次中性子には、前記ある値（２．４５ＭｅＶ）よりもエネルギーが高い中性子が多く含まれる。このため、ＤＤ核融合反応により発生する中性子が有する最大エネルギーよりも高いエネルギーを有する中性子を、検出対象とすることで、一次中性子がバックグランドとならず、前記最大エネルギーよりもエネルギーが高い中性子が検出された場合に、核物質が存在していると判断することが可能となる。【００１７】
また、前記炉雑音解析処理による核物質の探知（第一の探知処理）と、前記最大エネルギーよりもエネルギーが高い中性子の検出に基づく核物質の探知（第二の探知処理）と、を並行して行うことが可能となり、一方の探知処理が他方の探知処理のバックアップとして機能し、また、他方の探知処理が一方の探知処理のバックアップとして機能し、核物質の探知の信頼性が向上する。【００１８】
また、本発明は、対象物内の核物質を探知する核物質探知方法であって、前記対象物に対してパルス状に中性子を照射し、照射した一次中性子及び核物質の核分裂反応により発生した二次中性子を含む中性子を検出し、この検出して得たデータに基づいて炉雑音解析処理を行い、前記炉雑音解析処理を、中性子を検出して得た時系列データから、前記パルス状に発生させた中性子の発生時間を含む時間領域のデータを除いたデータに基づいて行うことを特徴とする。
本発明によれば、前記核物質探知装置と同様の作用効果を奏することができる。【００１９】
なお、本発明の核物質探知装置及び核物質探知方法により核物質を探知するために用いられる技術は、前記特許文献１に記載の、中性子散乱、中性子ラジオグラフィ、中性子即発ガンマ線分析、中性子放射化分析及び中性子反射表面分析による技術ではなく、中性子照射によって起こる核分裂反応により発生した中性子を計測する技術である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、中性子を検出して得た時系列データから、パルス状に発生させた一次中性子の影響が大きいと推測される時間領域のデータを除いて、炉雑音解析処理が行われる。つまり、一次中性子の影響を軽減させたデータに基づく処理が可能となる。この結果、核物質の探知能力を高めることができ、実用可能な核物質探知装置及び核物質探知方法を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の核物質探知装置の実施の一形態を示す平面図である。
【図２】中性子源の機能を説明する説明図である。
【図３】処理部が生成するデータの説明図である。
【図４】処理部の機能を説明する説明図である。
【図５】処理部が生成するデータの説明図である。
【図６】実験装置の概略構成を示す説明図である。
【図７】処理部が統計処理して得たＹ値を示すグラフである。
【図８】中性子のエネルギーの説明図である。
【図９】中性子エネルギー計測のシミュレーションの計算体系を示す説明図である。
【図１０】検出部において検出された中性子のエネルギースペクトルを示すグラフである。
【図１１】核物質探知装置の変形例を示す平面図である。
【図１２】核物質探知装置のさらに別の変形例を示す平面図である。
【図１３】処理部が統計処理して得たＹ値を示すグラフである（複数の検出器の信号を用いた場合）。
【図１４】ＤＤ核融合反応による中性子源から発生する中性子を液体シンチレータにより測定した際の波高分布を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
〔１．  核物質探知装置の全体構成〕
図１は、本発明の核物質探知装置１の実施の一形態を示す平面図である。この核物質探知装置１（以下、単に、探知装置１ともいう）は、検査の対象物であるコンテナ３内に隠蔽されている可能性のある核物質（特定核物質）４を、発生させた中性子を用いて探知する装置である。例えば、コンテナ３の流通経路の途中で、この探知装置１により、コンテナ３内に隠蔽されているウラン２３５又はプルトニウム２３９等の核物質４を探知する。図１では、探知を困難にするための遮蔽材（厚さ２ｃｍの鉄）５で覆われた１ｋｇのウラン２３５がコンテナ３内に隠蔽されている状況を示している。
【００２３】
本実施形態の探知装置１は、車載可能であり、かつ、万が一の事故時に放射能汚染の被害が小さい装置である。つまり、この探知装置１は、トラック等の自動車の荷台に搭載可能な小型であり、また、中性子を発生させる中性子源１０を備えているが、この中性子源１０は、２つの重水素を反応させる核融合反応（以下、ＤＤ核融合反応という）を用いて中性子を発生させる。
【００２４】
探知装置１は、コンテナ３に対して照射する中性子を発生させる中性子源１０と、中性子を検出可能な検出部２０と、この検出部２０が中性子を検出して得たデータに基づいてデータ処理を行う処理部３０とを備えている。さらに、探知装置１はコリメータ（遮蔽体）１１を備えており、発生させた中性子をコンテナ３へ効率良く照射させる。
本実施形態では、中性子源１０及びコリメータ１１が一台の第一自動車（トラック）Ｔ１の荷台に搭載されており、検出部２０及び処理部３０が一台の第二自動車（トラック）Ｔ２の荷台に搭載されている。
【００２５】
自動車Ｔ１，Ｔ２は、コンテナ３に接近した位置で停止し、核物質４が隠蔽されている可能性のあるコンテナ３に中性子源１０及び検出部２０が隣接するようにしている。
そして、中性子源１０から発生する中性子線による被ばくを避けるために半径約５ｍの範囲を立入禁止とした後、中性子源１０を起動し、コンテナ３に対して中性子を照射しながら検出部２０で中性子の計測を行う。コンテナ３内に隠蔽されている１ｋｇのウラン２３５の存在を、約１０分の検査時間で探知する。
【００２６】
図２は、中性子源１０の機能を説明する説明図である。中性子源１０は、ＤＤ核融合反応により、図２に示すように、所定時間ΔＨ毎にパルス状に中性子を発生させる。所定時間ΔＨはパルス周期であり、この周期を５０ミリ秒〜１秒に設定することができ（発生周期は２０Ｈｚ〜１Ｈｚとなる）、本実施形態では、１００ミリ秒間隔で中性子を発生させる。中性子を発生させている時間ΔＴｐは、５〜５０マイクロ秒に設定することができ、本実施形態では１０マイクロ秒である。中性子の発生時間ΔＴｐは、中性子源１０からの中性子の照射時間と一致する。なお、前記パルス状は、矩形波によるパルス状以外に、三角波等によるパルス状であってもよい。
【００２７】
中性子源１０は、例えば直径数十ｃｍの球体容器内に重水素ガスを充填してプラズマを発生させることにより、次の式（１）に示す核融合反応（ＤＤ核融合反応）を生起して中性子を発生させる。
（重水素）＋（重水素）  →３Ｈｅ（０．８２MeV）＋ｎ（２．４５MeV）    …（１）
【００２８】
なお、中性子源１０を、重水素と三重水素とによる核融合反応（ＤＴ核融合反応）に基づく構成とする場合、同様の球体容器内に、重水素と三重水素の混合ガスを充填してプラズマを発生させる。これにより、次の式（２）に示す核融合反応を生起して中性子を発生させる。
（重水素）＋（三重水素）→４Ｈｅ（３．６７MeV）＋ｎ（１４．０６MeV）  …（２）
【００２９】
なお、式（１）（２）それぞれの右辺の括弧内は、核融合反応により発生する各粒子の運動エネルギーを表している。これらのエネルギーは、反応前後のエネルギー保存と運動量保存とにより決定され、式（１）のＤＤ核融合反応では２．４５ＭｅＶの単一エネルギーの中性子（式中では“ｎ”）が発生し、式（２）のＤＴ核融合反応では、１４．０６ＭｅＶの単一エネルギーの中性子（式中では“ｎ”）が発生する。
【００３０】
検出部２０は、中性子を検出可能であるが、この中性子には、中性子源１０から照射された中性子（一次中性子という）、及び、コンテナ３内に核物質４が隠蔽されている場合には、この核物質４の核分裂反応により発生した中性子（二次中性子という）が含まれる。なお、核物質４では、一次中性子により核分裂反応が生じる他に、この核物質４が核分裂反応することで発生した二次中性子により核分裂反応が生じる場合がある。
【００３１】
検出部２０は、複数の検出器が並べられて構成されており、この検出器としては、様々な型式のものを採用することが可能であり、また、検出部２０は、複数種類の検出器を備えることができる。例えば、検出部２０は、ヘリウム３検出器と、有機液体シンチレータとを備えている。なお、以下に説明する第一の探知処理のためには、検出部２０は、ヘリウム３検出器を備えており、第二の探知処理のためには、検出部２０は、有機液体シンチレータを備えている。
【００３２】
処理部３０は、処理装置（ＣＰＵ）、記憶装置、入出力装置などを有するコンピュータからなる。このコンピュータには、検出部２０が検出して得たデータに基づいて核物質を探知するための処理を行うコンピュータプログラムがインストールされている。このコンピュータプログラムが実行されることにより、コンピュータが処理部３０として機能し、後に説明する、検出部２０の出力信号から所定のデータを生成する処理、炉雑音解析処理及び中性子エネルギー測定処理を行う。
【００３３】
〔２．  処理部３０による処理〕
〔２．１  検出部２０の出力信号から所定のデータを生成する処理〕
検出部２０（ヘリウム３検出器）が検出する中性子には、核物質が核分裂反応することで発生する二次中性子だけではなく、中性子源１０から照射された一次中性子も含まれる。検出部２０は、このような中性子を検出すると、その検出信号を出力し、処理部３０はこの検出信号を取得し、これを処理することで所定のデータを生成する。
【００３４】
図３は、処理部３０が生成するデータの説明図である。図３の横軸は時間Ｔを示し、縦軸は検出部２０が検出した中性子の検出結果を示している。具体的に説明すると、検出部２０に二次中性子が届くと、検出部２０は処理部３０へ信号を出力する。つまり、処理部３０は、一つの二次中性子が検出部２０に届くことで、図３の矢印Ａに示すカウントを一つ示す。図３に示す時刻Ｔｐ１〜Ｔｐ２までの中性子パルスの発生の１周期の間には、６つの二次中性子がカウントされている。
【００３５】
また、図３の矢印Ｂで示す曲線は、中性子源１０から照射され検出部２０に届いた一次中性子の計数率である。
図２に示すように、所定時間ΔＨ毎に中性子パルスが発生すると、この発生した中性子（一次中性子）は、例えばコンテナ３内の様々な物に当たり散乱したり吸収されたりし、その数が変化する。このため、検出部２０に届く一次中性子の計数率の時間変化は、図３に示す時刻Ｔｐ１〜Ｔｐ２までのパルスの１周期毎に、矢印Ｂに示す曲線形状となる。
【００３６】
この曲線形状について説明する。中性子源１０は所定時間ΔＨ毎に（周期１０Ｈｚで）中性子パルスを発生させている。図３において、中性子パルスの発生開始タイミング（発生開始時刻）をＴｐｎ（ｎ＝１，２，３・・・）とすると、時刻Ｔｐｎ直後の時間帯で、検出部２０に届いた中性子の数（計数率）にピークが発生する。また、このピークを過ぎると、中性子の数は指数関数的に減少する。そして、中性子源１０から中性子パルスが繰り返し発生することにより、中性子の計数率を示す前記曲線形状は、図３に示すように連続する。以上より、処理部３０は、検出部２０が中性子（一次中性子及び二次中性子）を検出して出力した信号から、図３に示す時系列データＤ１（図３参照）を生成する。
【００３７】
さらに、処理部３０は、図４に示すように、この時系列データＤ１から、中性子源１０がパルス状に発生させた中性子の発生時間ΔＴｐを含む第一時間領域ΔＡのデータを除いたデータを生成する。そして、このデータの一部を除く処理が行われた時系列データを、編集時系列データＤ２（図５参照）という。そして、処理部３０は、この編集時系列データＤ２に基づいて、後に説明する炉雑音解析処理を行う。
【００３８】
処理部３０は、中性子源１０がパルス状に発生させる中性子の発生開始タイミングＴｐｎ（ｎ＝１，２，３・・・）から、この中性子の発生時間ΔＴｐの５００〜５０００倍の時間経過後までのタイミングを第一時間領域ΔＡとして、この第一時間領域ΔＡのデータを、時系列データＤ１から除く処理を行う。
本実施形態では、中性子の発生時間ΔＴｐが１０マイクロ秒であり、その５０００倍の５０ミリ秒を第一時間領域ΔＡとしている。
【００３９】
また、中性子源１０による中性子パルスの１周期に含まれる時間領域は、図４に示すように、中性子パルスの発生時間ΔＴｐを含む第一時間領域ΔＡと、その後の第二時間領域ΔＢとからなる。中性子パルスの発生周期は１０Ｈｚ（１００ミリ秒間隔）であることから、第一時間領域ΔＡが５０ミリ秒である場合、第二時間領域ΔＢはその残りの５０ミリ秒となる。
そして、残された第二時間領域ΔＢのデータを時系列順に並べたデータが、編集時系列データＤ２となる。つまり、編集時系列データＤ２（図５参照）は、第二時間領域Ｂのデータが連続するデータからなる。
【００４０】
以上より、図４と図５とに示すように、処理部３０は、時系列データＤ１を生成すると共に、この時系列データＤ１から、中性子源１０による中性子の発生周期毎に、第一時間領域ΔＡのデータを除いた第二時間領域ΔＢのデータを抽出し、抽出したこのデータ（編集時系列データＤ２）に基づいて、後述する炉雑音解析処理を行う。
これにより、処理部３０は、一次中性子の計数率がある程度減少した後の第二時間帯ΔＢの中性子の計数率の分布（中性子雑音）に基づいて処理を行うことになる。
【００４１】
なお、第一時間領域ΔＡで検出部２０において検出される中性子は、中性子源１０からのパルス中性子照射の直後に発生する即発中性子が支配的であり、第二時間領域ΔＢで検出部２０において検出される中性子は、中性子源１０からのパルス中性子照射に遅れて発生する遅発中性子が支配的である。このため、第二時間領域ΔＢを、遅発領域ともいう。
【００４２】
〔２．２  炉雑音解析処理〕
処理部３０は、図５に示す編集時系列データＤ２に基づいて炉雑音解析処理を行い、雑音成分（Ｙ値）を求める。そして、処理部３０は、この雑音成分（Ｙ値）が所要の値（閾値）を超えているか否かの判定を行い、超えている場合に、コンテナ３内に核物質４が隠蔽されていると判定する。
【００４３】
雑音成分（Ｙ値）は次の式（３）により求められる。
Ｙ＝｛（計数の分散）／（計数の平均）｝−１      ・・・（３）
【００４４】
すなわち、最初の中性子パルスの発生開始から所要の時間（例えば５分間）検出部２０において中性子の検出を行うことで生成された編集時系列データＤ２に関して、ある一定のゲート幅内の前記カウントを計数し、前記所要の時間におけるカウントの計数の平均及び計数の分散を求め、これら平均と分散とに基づいて炉雑音解析のＹ値と呼ばれる量（雑音成分）を求める。
【００４５】
そして、前記ゲート幅を変化させて上記と同様の処理を行う。この処理の結果、後の具体例において説明する、図７（Ａ）（Ｂ）のグラフが得られる。なお、本実施形態では、中性子パルスの周期毎に、中性子パルス発生後、５０ミリ秒経過後から１００ミリ秒までの５０ミリ秒分の第二時間領域ΔＢのデータを一つのまとまりとして解析を行うことから、ゲート幅の最大値は５０ミリ秒となる。
【００４６】
この探知装置１により核物質４を探知するために用いる技術は、中性子照射によって起こる核分裂反応により発生する中性子を計測する技術であることから、コンテナ３内に核物質４が隠蔽されていても、この核物質４では核分裂の連鎖反応を伴うことから、検出中性子はポアッソン分布からずれるため、その度合いであるＹ値を求めることにより、その核物質４の存在を調べることが可能となる。
【００４７】
〔２．３  炉雑音解析処理の具体例〕
時系列データＤ１及び編集時系列データＤ２の生成処理、並びに、炉雑音解析処理を含む中性子雑音計測の具体例について説明する。
図６は、この具体例のための実験装置の概略構成を示す説明図である。なお、この実験装置では、中性子源１０として、ＤＤ核融合反応ではなく重水素と三重水素との核融合反応（以下、ＤＴ核融合反応ともいう）により中性子を発生させる構成としている。
【００４８】
トリチウムターゲット２２に対して、パルス状に重水素イオンビームを入射し、ＤＴ核融合反応を生じさせることで中性子を発生させる。発生点であるトリチウムターゲット２２での中性子発生率は、平均１０８個／秒となる。
この中性子源１０によりパルス状に発生させた中性子を、高濃縮ウラン（核物質４）に照射しながら、４台のヘリウム３検出器２１を備えている検出部２０により、中性子を検出する。
【００４９】
ここでは、高濃縮ウラン（核物質４）の量が０．５ｋｇの場合、０．２５ｋｇの場合、及び、高濃縮ウラン（核物質４）が存在していない場合の３つのケースについて、検出部２０における中性子の検出実験を行った。検出部２０による中性子の計数率の時系列データＤ１は、図３に示すようになり、この時系列データＤ１から、遅発中性子が支配的であり照射中性子パルスの影響が少ない第二時間領域（遅発領域）ΔＢのデータを抽出する（図５参照）。そして、この第二時間領域ΔＢのデータを抽出して時系列順に並べて得た編集時系列データＤ２を、処理部３０により統計処理して、Ｙ値と呼ばれる雑音成分を算出した。
【００５０】
図７（Ａ）（Ｂ）は、処理部３０が統計処理して得たＹ値を示すグラフである。図７（Ａ）は、高濃縮ウラン（核物質４）の量が０．５ｋｇの場合（矢印Ｋ１）と、その比較のために、高濃縮ウランを配置しない場合（矢印Ｋ０）とを示している。なお、横軸はゲート幅を示している。図７（Ｂ）は、高濃縮ウラン（核物質４）の量が０．２５ｋｇの場合（矢印Ｋ２）と、その比較のために、高濃縮ウランを配置しない場合（矢印Ｋ０）とを示している。
【００５１】
図７（Ａ）（Ｂ）それぞれに示すように、Ｙ値に関して、高濃縮ウラン（核物質４）の存在及びその量による違いが明確に表れている。
今回の実験条件によれば、０．２５ｋｇの高濃縮ウラン（核物質４）の存在を１０分で探知することができる。このため、例えば図１に示す実施形態において核物質４であるウランの量が１ｋｇであるとすると、この図１に示す実施形態のウランの量は、今回の実験のウランの量の４倍であり、中性子源１０による中性子発生率は、実験と図１に示す実施形態とで同じ平均１０８個／秒であることから、図１に示す実施形態において、例えば４本のヘリウム３検出器２１を備える検出部２０を用いることで、この図１に示す実施形態の高濃縮ウランの存在を、十分に実用可能な時間で探知することが可能である。
【００５２】
なお、前記のとおり検出部２０は４台のヘリウム３検出器２１を備えているが、図７（Ａ）（Ｂ）に示すグラフは、この４台のうちの１台の検出器２１から得られた信号を統計処理して得たＹ値を示すグラフである。このように、１台の検出器２１から得られた信号に基づいてＹ値を求めても良いが、複数台の検出器２１から得られた信号に基づいてＹ値を求めるのがより好ましい。例えば、図１３に示すグラフは、複数台の検出器２１の全てから得られた信号を統計処理して得たＹ値を示している。図１３に示すグラフは、高濃縮ウラン（核物質４）の量が０．５ｋｇの場合（矢印Ｋ１）と、その比較のために、高濃縮ウランを配置しない場合（矢印Ｋ０）とのそれぞれに関して、処理部３０が統計処理して得たＹ値を示している点で、図７（Ａ）に示すグラフと同様である。しかし、図１３に示すグラフは、検出部２０が備えている９台の検出器２１の全ての信号を統計処理して得たＹ値を示している。
【００５３】
図１３の場合、図７（Ａ）の場合と比較して、高濃度ウランの有無の差異がより明確に示されている。特に、図１３と図７（Ａ）とに示すグラフで横軸のスケールが異なっていることからも明らかなように、図１３に示す場合の方が、より短時間で高濃度ウランの有無の差異が現れる。つまり、複数台の検出器２１から得られた信号に基づいてＹ値を求めることで、高濃度ウランの有無をより明確にかつより短時間で検出することが可能となる。このように、検出部２０に含まれる検出器２１を増やし、これら検出器２１からの信号を用いることによって、Ｙ値として見られる高濃度ウランの有無の差異をより明確にすることができ、また、より短時間でその差異を判定することが可能となる。
【００５４】
〔２．４  炉雑音解析処理を含む中性子雑音計測を行う探知装置について〕
検出部２０により検出される中性子には、中性子源１０から照射された一次中性子と、核物質４がコンテナ３内に隠蔽されている場合にその核物質４の核分裂反応により発生する二次中性子とが含まれる。そして、核物質４の存在を探知するためには二次中性子を検出する必要があるが、一次中性子の影響により、二次中性子の検出が困難となることがある。つまり、一次中性子がバックグランドとなり、二次中性子の検出が困難となることがある。
【００５５】
しかし、本実施形態に係る探知装置１によれば、中性子源１０からパルス状に中性子（一次中性子）を発生させ、検出部２０が中性子を検出して得た時系列データＤ１から、一次中性子の影響が大きいと推測される第一時間領域ΔＡのデータを除いて、炉雑音解析処理が行われる。つまり、処理部３０では、一次中性子の影響を軽減させた編集時系列データＤ２に基づいて炉雑音解析処理が行われる。
【００５６】
このように、中性子源１０がパルス状に発生させた一次中性子の影響が大きい第一時間領域ΔＡのデータを、時系列データＤ１から除き、一次中性子の影響の少ない第二時間領域ΔＢのデータを抽出し、この抽出した第二時間領域ΔＢによる編集時系列データＤ２に基づいて炉雑音解析処理を行って、雑音成分（Ｙ値）を求める。
【００５７】
この炉雑音解析処理によれば、核物質４の核分裂の連鎖反応を伴うことによる特有の傾向を捉えることができるため、バックグラウンドとなる照射中性子の存在下でも核物質４を探知することができる。つまり、このＹ値に関して核物質４の有無により違いが明確に表れることから、核物質４の探知能力を高めることができ、実用可能な核物質探知装置を得ることが可能となる。
【００５８】
また、前記実施形態（図４参照）のように、処理部３０は、中性子源１０による中性子パルスの発生開始タイミング（例えば時刻Ｔｐ１）から、この中性子の発生時間ΔＴｐの５００〜５０００倍の時間経過後までのタイミングを第一時間領域ΔＡとして、この第一時間領域ΔＡのデータを、時系列データＤ１から除いている。このため、中性子源１０がパルス状に発生させた一次中性子の影響を効果的に除くことができ、また、時系列データＤ１から除くデータをできるだけ少なくして炉雑音解析処理における統計誤差を小さくすることが可能となる。
【００５９】
また、前記実験では、中性子源として、ＤＴ核融合反応を用いているが、図１に示す探知装置１では、中性子源１０はＤＤ核融合反応を用いている。ＤＤ核融合反応は、ＤＴ核融合反応に比べて、中性子の発生量が劣るが、前記のとおり、検出部２０及び処理部３０の機能により、核物質４の探知能力を高めることができることから、中性子源１０にＤＤ核融合反応を用いたとしても、隠蔽されている核物質４の探知が可能となる。そして、ＤＤ核融合反応では、三重水素を使わないことから、装置として安全であり、また、装置の取り扱いが容易となる。
特に、図１に示すように、中性子源１０は自動車Ｔ１（路面に対して移動する移動体）に搭載されているが、ＤＤ核融合反応を用いていることから、万が一の事故が発生しても、放射能汚染の可能性が小さいクリーンな装置となる。
【００６０】
また、中性子源１０をこのような自動車Ｔ１に搭載させるためには、中性子源１０を小型化する必要があるが、本実施形態の探知装置１によれば、前記のとおり、核物質４の探知能力を高めることができることから、多くの中性子を発生させるための大型の中性子源ではなく、小型の中性子源でもよい。このため、中性子源１０の自動車Ｔ１への搭載が可能となる。また、核物質４の探知能力を高めることができることから、検出器２１は必要最小限で済み、検出部２０全体を小型化することができ、検出部２０の自動車Ｔ２への搭載が可能となる。
【００６１】
〔２．５  中性子エネルギー測定処理〕
図１に示す探知装置１では、前記のような炉雑音解析処理に基づく核物質４の探知の他に、中性子エネルギー測定に基づく核物質４の探知が可能である。
このために、中性子源１０は、２つの重水素を反応させるＤＤ核融合反応を用いて２．４５ＭｅＶの中性子を発生させる。この中性子源１０による中性子発生率は、平均１０８個／秒である。
【００６２】
そして、検出部２０は、中性子をそのエネルギーと共に検出する機能を有している。例えば、検出部２０は、有機液体シンチレータからなる検出器２１を備えている。この検出器２１からの検出信号に基づいて、処理部３０は、中性子のエネルギースペクトルを求めることが可能となる。
【００６３】
前記式（２）に示すとおり、ＤＴ核融合反応を用いた場合には、１４．０６ＭｅＶの高いエネルギーを有する中性子が発生するため、減速材を用いてエネルギーを低下させても、最大で１４．０６ＭｅＶのエネルギーを有する中性子が存在する。そして、この中性子をコンテナ３に照射し、コンテナ３内に隠蔽されている核物質４において核分裂を誘発させ、この核分裂に伴って放出される中性子（二次中性子）を計測する場合、その平均エネルギーは約２ＭｅＶであり、１４．０６ＭｅＶより低い。
したがって、核物質４の核分裂によって発生した中性子（二次中性子）を計測する場合において、最初に照射した中性子（一次中性子）が検出部２０で検出される可能性があり、この中性子（一次中性子）がバックグランドとなる。これは、ＤＴ核融合反応で発生する中性子のエネルギーが１４．０６ＭｅＶと高いため、原理的に発生するバックグランドである。
【００６４】
そこで、本実施形態では、前記式（１）に示したＤＤ核融合反応を利用する。
ＤＤ核融合反応を用いることにより、中性子源１０で発生して検出部２０に到達する中性子の最大エネルギーは２．４５ＭｅＶである。そして、探知しようとする核物質４が核分裂することで発生する二次中性子については、図８に示すように、２．４５ＭｅＶよりも高い成分が全二次中性子の約３０％を占める。このため、２．４５ＭｅＶよりエネルギーが高い中性子を検出部２０及び処理部３０により検出する構成とすることにより、原理的に照射中性子がバックグラウンドとならない。
【００６５】
すなわち、図１に示す本実施形態に係る探知装置１の処理部３０は、ＤＤ核融合反応により発生し検出部２０に到達する中性子が有する最大エネルギー（つまり、２．４５ＭｅＶ）よりも高いエネルギーを有する中性子が、検出部２０により検出された中性子に含まれていることを求める機能を有している。このように、中性子源１０から中性子を照射した際に核物質４に誘起される核分裂反応で発生する二次中性子のうち、２．４５ＭｅＶよりも高いエネルギーの成分を、処理部３０は計測する。
【００６６】
以上より、ＤＤ核融合反応により発生する中性子が有する最大エネルギー（２．４５ＭｅＶ）よりも高いエネルギーを有する中性子を、検出する対象とすることで、一次中性子がバックグランドとならず、最大エネルギー（２．４５ＭｅＶ）よりもエネルギーが高い中性子が検出された場合に、処理部３０は、核物質４が存在していると判断することが可能となる。つまり、ＤＤ核融合反応によれば、核物質４がコンテナ３内に存在していない場合は、２．４５Ｍｅｖ以下の中性子しか、検出部２０において検出されないはずである。これに対して、２．４５Ｍｅｖ以上の中性子が検出されると、コンテナ３内に核物質４が存在していると判断することができる。
【００６７】
また、図１に示す探知装置１によれば、照射する中性子のエネルギーを選別する必要はなく、例えば、中性子波長選別装置及び中性子導管を不要とすることが可能であり、小型化に貢献することができる。
さらに、本実施形態の放電型核融合装置を中性子源１０として用いることで、トラック等の自動車に搭載可能な小型とすることができ、また、必要な中性子強度を得ることができる。また、三重水素を使用しないため、公衆の放射能汚染の危険性も少なく、自動車等による移動式の探知装置に好適に用いることができる。
【００６８】
〔２．６  中性子エネルギー計測の具体例〕
図１の探知装置１による前記中性子エネルギー計測の具体例について説明する。図１に示す実施形態を想定し、連続エネルギーモンテカルロ計算コードＭＣＮＰによる中性子エネルギー計測の数値シミュレーションを行った。計算体系を図９に示す。核データライブラリーにはＪＥＮＤＬ３．３を使用している。１ｋｇのウラン２３５を厚さ２ｃｍの鉄の球形遮へい体の中心に置き、これを一般的な海運コンテナ（２０’×８’×８’）内に設置した。
【００６９】
ＤＤ核融合反応による中性子源は２．４５ＭｅＶの点線源であり、その周りに厚さ５ｃｍ、幅寸法（直径）１３０ｃｍのポリエチレン性のコリメータを配置した。このシミュレーションでは中性子減速材を用いていない。図９に示す各機器の配置により、検出部における中性子エネルギースペクトルと、有機液体シンチレータの水素原子核と中性子との弾性散乱反応率を求めた。
【００７０】
この検出部において検出された中性子のエネルギースペクトルを図１０に示す。ウラン２３５が存在していない場合を、四角の点で示しており、この図１０に示すように、２．４５ＭｅＶ以上の中性子は存在しない。これに対して、ウラン２３５が存在している場合（三角の点）には誘起された核分裂反応に起因する２．４５ＭｅＶを超える中性子エネルギースペクトルが明確に見られる。また、計算より求めた反応率の結果から、２．４５ＭｅＶ以上の中性子の計数率は５６ｃｐｓとなった。
【００７１】
ここで、図１４に示すグラフは、高濃度ウランが無い条件において、ＤＤ核融合反応による中性子源、及び検出器として有機液体シンチレータを用い、検出部２０における中性子エネルギースペクトルを実験的に測定したものである。つまり、図１４は、高濃度ウラン無しの条件によるバックグラウンド評価を示すものである。図１４に示すグラフにおいて、各ドットは測定結果を示しており、実線ＬはＤＤ核融合反応による中性子をシミュレートしたもの（２．４５ＭｅＶの単色中性子が入射した際の計算値）を示している。すなわち、実線Ｌに及ばない高エネルギー領域（図１４のグラフ中の横軸０．８以上の領域）が、関心のある２．４５ＭｅＶ以上の領域である。図１４に示す結果は、ＤＤ核融合反応による中性子、及びそれ以外の放射線を含めた全計数率約１０００ｃｐｓに対して、２．４５ＭｅＶ以上に現れたバックグラウンドとなる信号が約２ｃｐｓであることを意味している。
【００７２】
そして、図９に計算体系を示す前記数値シミュレーションにおいて、ウラン２３５から発生する二次中性子のうち、測定される全中性子の計数率は約２００ｃｐｓである。そのうち照射中性子の最大エネルギーである２．４５ＭｅＶ以上の二次中性子の計数率は、約６０ｃｐｓである。
以上より、ウランが無い条件での前記測定実験（図１４参照）により、全計数率が約１０００ｃｐｓと高い計数率であったとしてもバックグラウンド信号は約２ｃｐｓと非常に少なく、統計誤差を考慮しても、ウランが存在した場合にはこのバックグラウンド信号を上回ることが十分に期待できる。すなわち、図１に示した実施形態において、１ｋｇのウラン２３５の存在を約１０分の検査時間で探知することが可能である。
【００７３】
〔３．  炉雑音解析処理による核物質４の探知と、中性子エネルギー計測による核物質の探知とについて〕
本実施形態では、前記炉雑音解析処理による核物質４の探知（第一の探知処理）と、２．４５ＭｅＶよりもエネルギーが高い中性子の検出に基づく核物質の探知（第二の探知処理）とを並行して行うことが可能である。この場合、一方の探知処理が他方の探知処理のバックアップとして機能し、また、他方の探知処理が一方の探知処理のバックアップとして機能し、核物質の探知の信頼性を向上させることができる。
すなわち、コンテナ３内に核物質４が隠蔽されている場合において、第一の探知処理では誤探知により核物質４の存在が否定されたとしても、第二の探知処理により、核物質の存在が肯定された場合、そのコンテナ３をさらに詳しく調べることにより、隠蔽されている核物質４を見逃すことなく、見つけ出すことが可能となる。
【００７４】
なお、これら第一の探知処理及び第二の探知処理の両方ではなく、いずれか一方を利用することで、従来技術の課題を解決して、実用可能な核物質探知装置に必要な性能が得られる。
【００７５】
つまり、第二の探知処理のみを行う機能を有する探知装置１は、以下のとおりである。
対象物（コンテナ３）内に隠蔽されている可能性のある核物質４を探知する核物質探知装置１であって、
前記対象物に対して照射する中性子を、２つの重水素を反応させる核融合反応を用いて発生させる中性子源１０と、
前記中性子源１０から照射された一次中性子及び核物質の核分裂反応により発生した二次中性子を含む中性子を、そのエネルギーと共に検出可能な検出部２０と、
前記検出部２０が中性子を検出して得たデータに基づいて処理を行う処理部３０と、を備え、
前記処理部３０は、前記核融合反応により発生し前記検出部２０に到達する中性子が有する最大エネルギーよりも高いエネルギーを有する中性子が、前記検出部２０により検出された中性子に含まれていることを求める処理を行うことを特徴とする核物質探知装置。
【００７６】
このような第二の探知処理のみを行う機能を有する探知装置１によれば、中性子源１０から、２つの重水素を反応させる核融合反応（ＤＤ核融合反応）を用いて中性子を発生させると、検出部２０に到達する一次中性子の最大エネルギーは、ある値（２．４５ＭｅＶ）となる。これに対して、探知しようとする核物質４から発生する二次中性子には、前記ある値（２．４５ＭｅＶ）よりもエネルギーが高い中性子が多く含まれる。このため、ＤＤ核融合反応により発生する中性子が有する最大エネルギーよりも高いエネルギーを有する中性子を、検出対象とすることで、一次中性子がバックグランドとならず、前記最大エネルギーよりもエネルギーが高い中性子が検出された場合に、核物質が存在していると判断することができる。
なお、中性子エネルギー計測による核物質の探知（第二の探知処理）の場合、中性子源１０は中性子をパルス状に発生させてもよいが、パルス状ではなく、定常的に発生させてもよい。
【００７７】
〔４．  変形例〕
図１に示す実施形態では、中性子源１０と検出部２０との双方が自動車に搭載されている場合について説明したが、これ以外であってもよく、中性子源１０と検出部２０との内の少なくとも一方が、自動車に搭載されていればよい。また、自動車はトラック以外であってもよく、探知装置１の専用自動車であってもよい。さらに、中性子源１０と検出部２０との内の少なくとも一方を搭載し路面に対して移動する移動体として、自動車の場合を説明したが、自動車以外であってもよい。
【００７８】
また、前記実施形態（図１）では、自動車は二台であり、中性子源１０と検出部２０とを自動車Ｔ１，Ｔ２それぞれに分けて搭載する場合について説明したが、図１１に示すように、自動車Ｔ（移動体）は一台であり、この自動車に中性子源１０と検出部２０との双方が搭載されていてもよい。なお、図１１では、二つの検出部２０が設けられており、これら検出部２０は中性子源１０を挟む配置としている。
【００７９】
また、図１に示す実施形態では、小型の中性子源１０と中性子コリメータ１１を搭載した第一自動車Ｔ１と、中性子雑音計測及びエネルギー中性子計測のための検出部２０を搭載した第二自動車Ｔ２とが、コンテナ３を両側から挟み込むように位置して、停車している場合について説明した。この場合、中性子源１０からコンテナ３へ向かう中性子の照射方向が、コンテナ３から検出部２０へ向かう検出部２０における核物質４からの中性子の検出方向に含まれている。
【００８０】
しかし、この実施形態よりも、中性子源１０からコンテナ３へ向かう中性子の照射方向と、コンテナ３から検出部２０へ向かう中性子の検出方向とは、交差する関係にあるのが好ましい。
例えば、図１２に示すように、中性子源１０は、立方体からなるコンテナ３の一面に対面する配置にあり、検出部２０はこのコンテナ３の他面に対面する配置とするのが好ましい。この場合、中性子源１０からコンテナ３へ向かう方向に照射された一次中性子が、直接的に検出部２０に対して照射されるのを防ぐことが可能となり、検出部２０における一次中性子の影響をより一層効果的に抑えることができる。
【００８１】
また、図１１に示すように、一台の自動車Ｔとした場合、中性子源１０からコンテナ３へ向かう中性子の照射方向と、コンテナ３から各検出部２０へと向かう中性子の検出方向とは、Ｖ字形となり、これら方向は交差する。
さらに、中性子源１０及び検出部２０の配置は、図１１及び図１２に示す形態以外であってもよく、例えば、図示しないが、検出部２０をコンテナ３の上に配置してもよい。
【００８２】
また、前記実施形態及び各変形例では、発生させた中性子のうち、特定の波長を取り出すための中性子波長選別装置、中性子を導くための中性子導管を用いていないことから、照射中性子はビーム状ではなく、広い範囲でコンテナ３に対して放射されることとなり、検査可能となる体積は大きくなり、実用可能な探知装置１となる。また、装置の小型化にも貢献することができる。
【００８３】
また、本発明の探知装置１は、図示する形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。すなわち、今回開示した実施形態（上述の各変形例を含む。）はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の権利範囲は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された構成と均等の範囲内でのすべての変更が含まれる。
【符号の説明】
【００８４】
１：核物質探知装置
３：コンテナ（対象物）
４：核物質
Ｔ１：自動車（移動体）
Ｔ２：自動車（移動体）
１０：中性子源
２０：検出部
３０：処理部
ΔＴｐ：発生時間
ΔＨ：所定時間
Ｄ１：時系列データ
ΔＡ：第一時間領域
ΔＢ：第二時間領域
【図１】
2014034734.tif 000003
【図２】
2014034734.tif 000004
【図３】
2014034734.tif 000005
【図４】
2014034734.tif 000006
【図５】
2014034734.tif 000007
【図６】
2014034734.tif 000008
【図８】
2014034734.tif 000009
【図９】
2014034734.tif 000010
【図１１】
2014034734.tif 000011
【図１２】
2014034734.tif 000012
【図７】
2014034734.tif 000013
【図１０】
2014034734.tif 000014
【図１３】
2014034734.tif 000015
【図１４】
2014034734.tif 000016
【国際調査報告】
2014034734.tif 000017
2014034734.tif 000018
2014034734.tif 000019
2014034734.tif 000020