(57)【要約】【課題】非常に広い範囲の危険物（爆発物、化学物質等）を検知するように構成されていた。したがって、比較的変化の少ないゲートをＯＮした後の出力変化をとらえ、分析していた。【解決手段】ゲートをＯＦＦした後の出力変化をとらえ分析する。検知物質が限定されるが、より検出しやすくできる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検査物をイオン化するイオン化部と、該イオン化部の出力するイオンを分析するイオン分析部、該イオン分析部の出力からイオンを検出する検出器を備えた飛行時間質量分析型危険物検知装置において、前記イオン化部と前記イオン分析部の間に設けられ、イオンの通過・不通過状態を制御するＯＮ−ＯＦＦゲートを有し、該ゲートがＯＦＦされてから前記検出器の出力変化を検出し、分析することを特徴とする危険物検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は被検査物をイオン化し、その出力を分析して、被検査物に関する危険物（爆発物、化学物質等）の種類を特定することを目的とした危険物検知装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来は、危険物の種類の特定（決定）と共に、その量まで分析するように構成されていた。いわゆる質量分析装置をそのまま危険物検知装置として使用していた。
【０００３】
例えば、特許文献１（特表２００１−５２１２６８号公報）、特許文献２（特開２００２−１１００８２号公報）等に示すように、イオンの通過・不通過状態を制御するＯＮ−ＯＦＦゲートを有し、該ゲートを短時間ＯＮ−ＯＦＦし、その時から検出器の出力が観測されるまでの時間（ＯＮ−ＯＦＦゲートから少し離れた検出器までイオンが飛行して到達する時間）で危険物（爆発物、化学物質等）の種類と量とを判定するように構成されている。
【０００４】
【特許文献１】特表２００１−５２１２６８号公報
【０００５】
【特許文献２】特開２００２−１１００８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、危険物（爆発物、化学物質等）を簡単に検知することが目的である。すなわち、安全を確保すると言う意味では、危険物を特定し、その量まで知る必要は必ずしもなく、特定の決められた危険物の有無を検知することで十分な場合も多い。本発明は特定の決められた危険物の有無を検知するに使用目的を限定し、どこでも簡単に使用できる危険物検知装置を提案するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、飛行時間質量分析（ＴＯＦＭＳ（Time of Flight Mass Spectrometry））型危険物検知装置において、イオンの通過・不通過状態を制御するＯＮ−ＯＦＦゲートをＯＮした短時間後に該ゲートをＯＦＦした時点からの出力変化を分析し、危険物（爆発物、化学物質等）を判定する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、イオンの通過・不通過状態を制御するＯＮ−ＯＦＦゲートをＯＦＦした後の測定部の電圧変化により危険物を判定する。ゲートがＯＮした後の測定部の電圧変化よりも出力変化は急激であり、より正確に危険物を検知することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の実施例を図１を用いて説明する。
【００１０】
図１は本発明による危険物検知装置の簡単な断面図を示す。図２は検出装置の出力波形を示す。
【００１１】
図１において、１はイオン化部であり、被検査物を導入してイオン化する。イオン化技術自体は古くから研究が成され、レーザを用いる方法、放射線を用いる方法、高圧放電を用いる方法等がある。本発明ではいずれの方法でも良いが、実施例ではコロナ放電によるイオン化を採用した例を説明する。１５は危険物が含まれる可能性がある被検査物をガス化した形のガスの流れを示す。１９はイオン発生部であり、イオン化部１に導入されたガスに高圧の電圧を印加し、コロナ放電を発生させ、イオン化する。１７は排出ガスの流れを示す。
【００１２】
２は分析部である。イオンの分析方法にも各種方法があるが、本発明は飛行時間質量分析（ＴＯＦＭＦ（Time of Flight mass spectrometry））＝イオンの大きさにより、飛行時間が異なることを利用し、イオン分析を行なう方式に関するものである。分析部２は、例えば、中空の円板状の電極２０が複数枚配列された構成であり、イオン化部１に近い電極ほど高い電圧を印加し順次電圧を低くすれば、中空部分に電界が発生し、イオン化部１に生成されたイオンを効率良く導入することが出来る。１８はイオンの分析部２に導入されるイオンの経路である。分析部２に導入されたイオンは、中空部分の電界に導かれて、検出器３に到達する。この分析部２を通過する時間（飛行時間）がイオンの大きさ（重さ）によって異なり、その種類を特定することができる。
【００１３】
３はイオン検出器である。イオン化部１から分析部２を通ってきたイオンを検出する。一般的には光電子増倍管や、ファラディカップが用いられる。４は検出器３の信号を増幅する増幅器、５はその波形を観察するオシロスコープである。これらを総括して、必要に応じてイオン検出部と称する。
【００１４】
分析部２がＴＯＦＭＳ方式であることから、イオンの飛行開始時点を制御することが必要である。６はイオンの通過・不通過状態を制御するＯＮ−ＯＦＦゲートである。ＯＮ−ＯＦＦゲート６（以下ゲート６と称する）のゲート電圧を制御し、イオンの通過・不通過を制御し、イオンの飛行開始時点を制御することにより、検出器３までイオンが到達する時間を測る。その動作については、後で述べる。
【００１５】
図２はイオン検出部オシロスコープ５の出力波形８の例である。７はゲート６の波形である。時刻ｔ１でゲート６をＯＮとしてイオンを通過開始させる。イオンの通過が許されるとイオンの大きさ（重さ）が小さいものから順次イオンが検出器３に到達するので、検出器３の出力波形８が順次増加する。ｔ２は全イオンが検出器３に到達した時刻である。ｔ４はゲート６が閉じられた時刻である。ｔ５はゲート６が閉じられた後、検出器３の出力がなくなった時刻である。
【００１６】
イオン検出部オシロスコープ５の出力波形８は、ゲート６が開いた瞬間（時刻ｔ１）では、イオンが検出器３に到達していないので、出力は出ない。その後、順次検出器にイオンが到達し、時刻ｔ２には全イオンが検出器３に到達する。ゲート６がＯＮした時刻ｔ１から時刻ｔ２までの時間Ｔ１は全イオンが検出器３に到達するために必要な時間であり、これは、被検査物に含まれるイオンを示す時間ということになる。したがって、時間Ｔ１を測定することにより被検査物に危険物が含まれる場合、この時間の計測で危険物を特定できるのである。従来、この考え方で危険物を検出することが行われていた。しかし、ゲート６がＯＮした時刻ｔ１から時刻ｔ２までの時間Ｔ１の測定は、イオン検出部オシロスコープ５の出力が時間経過と共にゆっくりと増加するため、出力飽和点がわかりにくく、実際の測定においては、時間Ｔ１は測定しにくいという欠点があった。
【００１７】
一方、ゲート６がＯＦＦされた時刻ｔ４から検出器３の出力がなくなる時刻ｔ５までの時間Ｔ２は、イオン検出部オシロスコープ５の出力の飽和点から出力が０になる時間を測定すれば良く、更に変化が急峻であることから、時間の検出が比較的容易に出来る利点がある。
【００１８】
図３はその動作を説明するための、イオンの模式図である。１４はイオンの進行方向を示す。１３Ａは一番軽いイオン、１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄと順次（大きく）重くなる。
【００１９】
図２で示したように、ゲート６を開いた瞬間は軽いイオンも重いイオンも一線にならんで居る。時間が経過し、イオンが検出器３の方へ進むにしたがって、軽いイオンは早く進み、重いイオンは遅れて進む。図１の分析部２では、ゲート６の位置で混在していた各種のイオンが、図３に示すように、時間の経過に応じて並んだ状態になると考えられる。したがって、図２の出力波形に示すように、ゲート６を開いてから、１３Ａ，Ｂ、Ｃ，Ｄが順次検出器３に到着するため、出力は順次上昇する。もちろん、その後、次々に生成されるイオンが検出器３に到着するため、ある時間が経過すると、１３Ａ，Ｂ、Ｃ，Ｄが混合して検出され、検出器の出力は一定になる。
【００２０】
ゲート６が閉じられると、検出器３に到達するイオンの終りの部分は１３Ｄのような重いイオンのみとなるため、出力波形図２に示すように比較的急激に減衰することになる。
【００２１】
その状態を説明したものが、図４である。図４の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は図１の時刻ｔ１、時刻ｔ２、時刻ｔ４、時刻ｔ５における分析部２内のイオンの存在状態を模式的に示したものである。説明のため、最も大きなイオン１３Ｄと最も小さなイオン１３Ａだけを表示してある。ゲート６が開く瞬間の時刻ｔ１の状態は、図４（Ａ）に示すように、ゲート直前に大きなイオンも小さなイオンもごちゃ混ぜに存在している。有る時間経過した時刻ｔ２では、図４（Ｂ）に示すように、小さなイオンは先頭になっているが、順次大きなイオンが検出されるようになる。したがって、時間経過とともに検出器の出力電圧は上昇する。
【００２２】
ゲート６がＯＦＦされた時刻ｔ４になると、イオン化部１からのイオンの供給が断たれるので、その時点に分析部２内に存在していたイオンが分析部２内で検出器３の方に移動する結果、移動速度が遅い大きなイオンが最後になり、その後方にはイオンが存在しない。その状況を図４の（Ｃ）に示す。その結果、検出器３の出力は急速に低下して行くことになる。
【００２３】
ゲート６がＯＦＦされ、一定時間が経過した時刻ｔ５になると、ゲート６でイオン化部１からのイオンの供給が断たれたままであるため、分析部２にはイオンは存在せず、検出器３の出力も無い状態となる。
【００２４】
本発明はゲート６がＯＦＦされてから急激に検出器３の出力が減衰する現象に着目し、分析に用いるものである。
【００２５】
図５は上段にイオン化部１、ゲート６、分析部２、検出部の電極の配列例を示し、下段に各部の電極に対する電圧配分の例を示す図である。イオン化部１にはイオン発生部１９が形成されていて、イオン化部１に導入されたガスにＥ１９で示す高圧の電圧を印加し、コロナ放電を発生させ、イオン化する。このための電極の一方を便宜的に１９Ａで示し、この電極の電位をＥ１９Ａとした。Ｅ１９とＥ１９Ａとの電位差は約３ＫＶである。
【００２６】
ゲート６は近接して配置された電極６−Ａと電極６−Ｂの２枚で構成する。電極６−Ａの電位Ｅ６−ＡをＥ１９Ａより低くすることにより、イオン化部１で生成されたイオンを分析部２に誘導することが出来る。一方、電極６−Ａに近接して配置された電極６−Ｂの電位を電位Ｅ６−Ａより高い電位Ｅ６−Ｂ−（ａ）あるいは電位Ｅ６−Ａより低い電位Ｅ６−Ｂ−（ｂ）に選択的に制御できるように構成する。電極６−Ｂに電位Ｅ６−Ａより高い電位Ｅ６−Ｂ−（ａ）が与えられたときは、電極６−Ａによって誘導されたイオンは電極６−Ｂの電位が高いために通過することが出来ない。すなわち、ゲート６はＯＦＦとなる。一方、電極６−Ｂに電位Ｅ６−Ａより低い電位Ｅ６−Ｂ−（ｂ）が与えられたときは、電極６−Ａによって誘導されたイオンは電極６−Ｂの電位が低いために、通過することが出来る。すなわち、ゲート６はＯＮとなる。
【００２７】
分析部２には電極２０（Ａ−Ｆ）が均等に分離して配置されて、イオン化部１に近い方の電位を高く（例えば２．５ＫＶ）し、検出器３に近い方の電位を低く（例えば、０．５ＫＶ）設定し、この電位差を電極２０（Ａ−Ｆ）に均等に分配して構成される電界によってイオンを検出器３まで導く。検出器３の電位Ｅ３は、例えば、０Ｖとする。
【００２８】
図６Ａはゲート６の部分を拡大してそれぞれの電極に加える電位を詳細に示す図であり、図６Ｂはそのための電圧制御回路の例を示す図である。
【００２９】
ゲート６は隣接した二つの電極６−Ａと６−Ｂが並行に配置された構成である。電極６−Ａの電位をＥ６−Ａの一定電位に保ち、電極Ｅ６−Ｂの電位をＥ６−Ｂ−（ａ）と電位Ｅ６−Ｂ−（ｂ）に制御してゲート６のＯＮ、ＯＦＦを制御する。電極Ｅ６−Ｂの電位をＥ６−Ｂ−（ａ）としたときは、イオンは通過できず、ゲート６はＯＦＦとなる。一方、電極Ｅ６−Ｂの電位をＥ６−Ｂ−（ｂ）としたときは、イオンは通過でき、ゲート６はＯＮとなる。
【００３０】
図６Ｂにおいて２３は定電圧電源であり、その電位はＥ６−Ｂ−（ａ）とされる。抵抗Ｒ１、Ｒ２およびＲ３でこれを分圧して端子４１に電位Ｅ６−Ａを得て、これを電極６−Ａに加える。また抵抗Ｒ４、Ｒ５およびＲ６の直列回路を定電圧電源２３に接続し、抵抗Ｒ５およびＲ６の接続点に設けられた端子４３に電位Ｅ６−Ｂ−（ｂ）が得られるようにそれぞれの抵抗値を設定する。一方、抵抗Ｒ５およびＲ６を短絡可能なトランジスタ２５を設けて、このトランジスタ２５の駆動端子を、抵抗Ｒ７およびＲ８を介して接続されたトランジスタ２４の直列回路の抵抗Ｒ７およびＲ８の接続点に接続する。
【００３１】
トランジスタ２４の駆動端子にパルスを印加し、トランジスタ２５を制御する。すなわち、トランジスタ２４の駆動端子が高電位になって、トランジスタ２４がオンになっているときは、トランジスタ２５の駆動端子が低電位になって、トランジスタ２５がオンになる。一方、トランジスタ２４の駆動端子が低電位になって、トランジスタ２４がオフになっているときは、トランジスタ２５の駆動端子が高電位になって、トランジスタ２５がオフになる。
【００３２】
トランジスタ２５がオンになると抵抗Ｒ５およびＲ６が短絡されるので、端子４３に電位Ｅ６−Ｂ−（ａ）が得られる。トランジスタ２５がオフになると抵抗Ｒ５およびＲ６の短絡が解除されるので、端子４３に抵抗Ｒ４−Ｒ６で分圧された電位Ｅ６−Ｂ−（ｂ）が得られる。すなわち、端子４３には、トランジスタ２４の駆動端子に加えられる電圧に応じてパルス的に変化する電位Ｅ６−Ｂ−（ａ）とＥ６−Ｂ−（ｂ）を得て、ゲート６を制御できる。
【００３３】
図７は検出器３で得られた波形を処理し、表示するためのシステムの全体構成の一例を示す図である。分析部２には、図１で説明したように、検出器３、アンプ４（通常電流アンプが用いられる）、および、アンプ４の波形をそのまま観測するオシロスコープ５が接続される。２６は時間測定装置であり、オシロスコープ５に得られる測定波形から、ゲート６がＯＦＦされてから、オシロスコープ５の出力が０になるまでの時間を計測する。２７は比較器で、時間測定装置２６の信号とメモリ２８の信号とを比較する。メモリ２８には、予め測定しておいた危険物に関するデータが格納されている。２９は表示部で、比較器２７の出力を表示する。比較器２７は、事前に計測されている危険物に関するデータと被検査物の計測結果とを比較し、被検査物の計測結果が事前に計測されている危険物に関するデータと関連するものであるときはその旨の信号を出力するから、表示部２９には、これに対応した表示をする。３０は図６Ｂで説明したゲート６の制御回路である。３１は装置全体の動作をコントロールするコントローラである。
【００３４】
コントローラ３１の指令により、ゲート６をＯＮ−ＯＦＦ制御する。ゲート６をＯＦＦしてから、オシロスコープ５の出力が０になるまでの時間を時間測定装置２６ので読取る。たとえば、クロックを用い、ゲート６がＯＦＦされた時刻ｔ４からオシロスコープ５の出力が零となる時刻ｔ５の時間のクロック数をカウントすることにより、デジタル的に処理する。その結果と、あらかじめ測定しておいたメモリ２８のデータを比較器２７で比較し、その結果を表示部２９に表示する。本発明は、被検査物の成分の精密な分析を目的とするものでは無く、危険な物質の有無の検出、警告だけで良い。したがって、あらかじめ取得しておいた危険な物質に関するデータと被検査物の計測結果との類似性を得られればその目的を達成できる。すなわち、検知すべき対象物質を限定し、ゲート６をＯＦＦした後の出力変化（出力が０になるまでの時間等）をあらかじめ検出装置に記憶させて、その結果と比較する事によって、実用に即した特定物質の検出が可能である。
【００３５】
現実的には、一般の市民生活に脅威となる火薬や麻薬等の限られた物質を検知することで、本発明の目的は十分に達成できる。あらかじめ、実験によって、特定する危険物の特性を測定しておき、そのデータをコンピュータに記憶させておく。その結果と、測定結果を比較し、表示するように構成する。
【００３６】
図８は、本発明の実施例による計測結果の一例を示す図である。２１は通常の空気を被検査物としたときの検出結果であり、２２は線香花火の粉末を被検査物としたときの検出結果を示す。被検査物として線香花火の粉末を採用した理由は、法規制のない物質で実験するためである。
【００３７】
通常の空気の場合は、ゲート６をＯＦＦした時刻ｔ４から検出器３の出力が０になる時刻ｔ６までの時間はＴ３に過ぎないのに対して、花火粉末の場合は時刻ｔ４からｔ７まではＴ４まで時間がかかっている。この時間差で、被検査物が危険物であることが判別できる。実際にゲート６を開いている時間を１００ｍｓ程度に設定すれば、Ｔ３は１ｍｓ程度、Ｔ４は５ｍｓ程度であり、明確な差が検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明による危険物検知装置の簡単な断面図。
【図２】図１の検出装置の出力波形を示す図。
【図３】イオンの動きを示す模式図。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は図１の時刻ｔ１、時刻ｔ２、時刻ｔ４、時刻ｔ５における分析部２内のイオンの存在状態を模式的に示した図。
【図５】上段にイオン化部１、ゲート６、分析部２、検出部の電極の配列例を示し、下段に各部の電極に対する電圧配分の例を示す図。
【図６Ａ】ゲート６の部分を拡大してそれぞれの電極に加える電位を詳細に示す図。
【図６Ｂ】ゲート６の電圧制御回路の例を示す図。
【図７】検出器３で得られた波形を処理し、表示するためのシステムの全体構成の一例を示す図。
【図８】本発明の実施例による計測結果の一例を示す図。
【符号の説明】
【００３９】
１…イオン化部、２…分析部、３…イオン検出器、４…増幅器、５…オシロスコープ、６…ゲート、６Ａ，６Ｂ…ゲート電極、８…イオン検出器の出力波形、１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ…イオン、１４…イオンの進行方向、１５…被検査物をガス化した形のガスの流れ、１７…排出ガスの流れ、１８…イオンの分析部２に導入されるイオンの経路、１９…イオン発生部、２０…電極、２１，２２…検出結果、２３…定電圧電源、２４，２５…トランジスタ、２６…時間測定装置、２７…比較器、２８…メモリ、２９…表示部、３０…ゲート６の制御回路、３１…コントローラ、４１，４３…端子、ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４，ｔ５，ｔ６，ｔ７…時刻、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４…時間、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８…抵抗。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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