(57)【要約】【課題】窒素含有物質を検知する方法およびその検知装置を提供する。【解決手段】被検知領域にある窒素含有物質を検知する方法であって、被検知領域に中性子を照射することにより、該領域に存在する窒素含有物質に含有される窒素元素からガンマ線を放射させ、該ガンマ線の電子対生成により生成した陽電子が電子対消滅する際に放射される消滅ガンマ線を測定することにより被検知領域に存在する窒素含有物質の検知方法。【効果】山間部や傾斜などの大型クレーンが入れない地域での地雷探査には適している、小型で簡便な窒素含有物質の検出方法および検出装置を提供することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検知領域に存在する窒素含有物質を検知する方法であって、被検知領域に中性子を照射することにより、該領域に存在する窒素含有物質に含まれる窒素元素からガンマ線を放射させ、該ガンマ線の電子対生成により生成した陽電子が電子対消滅する際に放射される消滅ガンマ線を測定することを特徴とする被検知領域に存在する窒素含有物質の検知方法。
【請求項２】
被検知領域に存在する窒素含有物質を検知する方法であって、被検知領域に中性子を照射することにより、該領域に存在する窒素含有物質に含まれる窒素元素からガンマ線を放射させ、該ガンマ線を第１の低密度シンチレータに導入してガンマ線の電子対生成により生成した陽電子が電子対消滅する際に放射されるガンマ線を、第２の高密度シンチレータで測定することを特徴とする被検知領域に存在する窒素含有物質の検知方法。
【請求項３】
第１のシンチレータでの発光と第２のシンチレータでの発光を同時に検出したときに、窒素含有物質に含まれる窒素元素から放射されたガンマ線による電子対生成により生成した陽電子が電子対消滅したものと判断して、窒素含有物質の存在を確認する請求項１または２に記載の被検知領域に存在する窒素含有物質の検知方法。
【請求項４】
測定される窒素含有物質からのガンマ線が１０．８ＭｅＶであり、消滅ガンマ線が０．５ＭｅＶである請求項１から３のいずれかに記載の被検知領域に存在する窒素含有物質の検知方法。
【請求項５】
ガンマ線入射面および光電子増倍管と接続されている面以外の第１のシンチレータの外側表面が第２のシンチレータと光学的に接続されている請求項２から４のいずれかに記載の被検知領域に存在する窒素含有物質の検知方法。
【請求項６】
窒素含有物質が、爆薬物である請求項１から５のいずれかに記載の被検知領域に存在する窒素含有物質の検知方法。
【請求項７】
中性子照射手段と、第１および第２のシンチレータ、両シンチレータからの発光を受光する光電子増倍管、および該光電子増倍管からのデータを処理するデータ処理部を備え、中性子が照射された被検知領域に存在する窒素含有物質に含まれる窒素元素から放射されるガンマ線に基づいて窒素含有物質の存在を検知する被検知領域に存在する窒素含有物質の検知装置であって、
（ａ）低密度の物質からなる第１のシンチレータと、高密度の物質からなる第２のシンチレータが光学的に結合された構造をなし、
（ｂ）第１および第２のシンチレータが同時にガンマ線の放射を検知したときに、被検知領域に窒素含有物質が存在することを判定するデータ処理部を備えたことを特徴とする被検知領域に存在する窒素含有物質の検知装置。
【請求項８】
第１のシンチレータにおいて、窒素元素が放射する入射ガンマ線の電子対生成により生成された陽電子が電子対消滅して消滅ガンマ線が放射され、第２のシンチレータにおいて、該消滅ガンマ線を計測する請求項７に記載の被検知領域に存在する窒素含有物質の検知装置。
【請求項９】
第１のシンチレータにおけるガンマ線の入射面および光電子増倍管と接続されている面以外の外側表面が第２のシンチレータと光学的に接続されている請求項７または８に記載の被検知領域に存在する窒素含有物質の検知装置。
【請求項１０】
第１のシンチレータが円柱形状からなり、第２のシンチレータが第１のシンチレータを中心に同心円状に設けられている請求項９に記載の被検知領域に存在する窒素含有物質の検知装置。
【請求項１１】
測定される窒素含有物質からのガンマ線が１０．８ＭｅＶであり、消滅ガンマ線が０．５ＭｅＶである請求項７から１０のいずれかに記載の被検知領域に存在する窒素含有物質の検知装置。
【請求項１２】
窒素含有物質が、爆薬物である請求項７から１１のいずれかに記載の被検知領域に存在する窒素含有物質の検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中性子が照射された窒素元素から放射されるガンマ線を検知することにより、窒素高含有物質、例えば爆薬を検知する方法および検知装置に関するものであり、更に詳しくは、中性子が照射された窒素含有物質から放射されるガンマ線の電子対生成により生成された陽電子が電子対消滅する際に放射されるガンマ線を計測することにより、中性子を照射した領域に窒素含有物質が存在するか否かを判定する窒素含有物質の検知方法および検知装置に関するものである。
【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、土壌中に金属類を多く含む場所で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値を示している。通常、金属探知法による地雷の発見率は、５００〜１０００回試みて１回程度であり、また、有人による探知はせいぜい１日当たり１平方メートル程度を探査できるに過ぎないと言われている。
【０００３】
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１参照）。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と、地雷と異物の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。また、金属探知とレーダー探知を併用して探知能力を向上させた探知器が提案されている（特許文献２参照）。
【０００４】
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などと識別する地雷探知法が提案されるようになった。これは、自然界には、地雷の火薬成分のような物質以外には、土壌中において窒素元素が高い密度で存在することは無いとの現象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て地雷の爆薬に含まれる窒素元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ガンマ線を測定して地中の地雷探知を行うものである。この方法は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、元素によって定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）。すなわち、爆薬に含まれる窒素元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ものである。
【０００５】
【数１】
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【０００６】
最近、可搬型の強力なＤＤ核融合中性子源が開発されたことにより、この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、地雷の位置を正確に把握することが可能である。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、例えば、特許文献３および４に開示されている。因みに、現在は、１０８ｎ／ｓの２．４５ＭｅＶの中性子を生成することが実現されている。
【０００７】
爆発物や禁制薬物の構成元素（例えば、炭素、酸素、窒素など）の元素含有率が、他の物質と明確に差別化できることから、これらの元素の含有率を測定することで、爆発物や禁制薬物を検知する可搬装置としては、例えば、特許文献５に開示されるものがある。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（窒素含有物質）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、これまでの技術では、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、これを実現するには、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るという問題があった。
【０００８】
電子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としては、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中性子捕獲反応によるガンマ線を検出するものが提案されている。しかしながら、コンプトン方式では、円錐状の入射軸不定性、検出器での多重散乱、他の元素からのバックグラウンドの除去などを解決するには原理的な面から大きな困難を伴う。さらに、従来のコンプトン型シンチレーション検出器では、ガンマ線が円錐状の領域の範囲から放射されてい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し、検出するには、膨大な量のデータを収集する必要があった。
【０００９】
ＬＡＴ検出器は、１０ＧｅＶ〜１００ＧｅＶの高エネルギーのガンマ線を検出することができ、その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ので、窒素元素から放射されるガンマ線の検出は不可能である。
【００１０】
ところで、荷電粒子が混在するフィールドにおいて、中性子のスペクトルを測定する検出器としては、例えば、非特許文献２に開示されるものがある。
また、軍事用の車載型の地雷検出器としては、例えば、非特許文献３に開示されるものがある。
【００１１】
【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号公報
【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).
【非特許文献２】M. Takada, et al.: "Characteristics of a phoswich detector to measure the neutron spectrum in a mixed field of neutrons and charged particles", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 476 (2002) 332-336
【非特許文献３】E.T.H. Clifford, et al.: "A militarily fielded thermal neutron activation sensor for landmine detection", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 579 (2007) 418-425
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明者らは、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、電子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存在位置を探索することを可能とした窒素含有物質の検知方法および検知装置を提案した（特願２００７−２１４１０３号）。
【００１３】
すなわち、測定の対象となるエネルギーを、窒素元素が中性子捕獲反応により生成した１０．８ＭｅＶガンマ線の電子対生成を利用して窒素含有物質を検知することを可能とした。この提案により、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は低減ないしは除去されて、窒素含有物質が高精度に探知できるとともに、窒素元素が放射するガンマ線の入射方向が算出されて、窒素含有物質の正確な位置、例えば三次元の座標を計測することが可能となった。
【００１４】
この窒素含有物質検知装置は、第１のシンチレータＳ１に連接した複数層の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、および低密度のシンチレータおよび光電子増倍管を備えた第２のシンチレータＳ２から構成されるワイヤー方式の地雷検出器である。ドリフトチェンバー内には電子・陽電子のガスによる散乱の影響を少なくするためにドリフトガスとしてＨｅガスを用いている。このワイヤー方式検出器の概念図を図２に示す。この検出器は電子対生成反応を利用するものであり、爆薬中の窒素元素の中性子捕獲反応により放出される１０．８ＭｅＶガンマ線の飛来方向を測定することにより、従来よりも高精度に地雷（窒素含有物質）の位置を探知することが可能となった。また、この検知装置は、比較的大きな面積、例えば、１ｍ四方を一度に探査することができると共に、地雷などの埋設深さをも特定できる利点を有している。
【００１５】
しかしながら、この検知装置は、大出力の中性子源が必要であり、また、山間部、傾斜地や狭い空間などの大型クレーンが入れない地域での地雷探査には適していないという問題を有している。
【００１６】
本発明は、上記の技術が有している問題点を解消することを目標として、鋭意研究を積み重ねた結果、中性子を照射した窒素含有物質から放射されるガンマ線を検知することにより、窒素含有物質、例えば爆薬を検知するにあたり、中性子を照射した窒素含有物質に含まれる窒素元素から放射される１０．８ＭｅＶガンマ線による電子対生成反応、およびこの対生成反応で生成した陽電子が対消滅する際に放射される０．５ＭｅＶガンマ線を計測することにより窒素含有物質の存在が検知できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１７】
本発明の目的は、中性子探知法による窒素含有物質の検知において、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検知方法および検知装置を提供することである。
また、本発明の目的は、中性子を照射した窒素含有物質から放射される１０．８ＭｅＶガンマ線による電子対生成反応、およびこの対生成反応で生成された陽電子が対消滅する際の０．５ＭｅＶのガンマ線を利用して窒素含有物質の存在を検知することである。
また、本発明の目的は、大出力の中性子源を必要としない、山間部や傾斜地などの大型クレーンが入れない地域での地雷探査には適している窒素含有物質の探知装置を提供することである。
また、本発明の目的は、小型で簡便な窒素含有物質の検出方法および検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、大出力の中性子源を必要としない、山間部や傾斜地などの大型クレーンが入れない地域での地雷探査に適している、小型で簡便な窒素含有物質の検出方法および検出装置を提供するものであり、以下の技術的手段から構成される。
（１）被検知領域に存在する窒素含有物質を検知する方法であって、被検知領域に中性子を照射することにより、該領域に存在する窒素含有物質に含まれる窒素元素からガンマ線を放射させ、該ガンマ線の電子対生成により生成した陽電子が電子対消滅する際に放射される消滅ガンマ線を測定することを特徴とする被検知領域に存在する窒素含有物質の検知方法。
（２）被検知領域にある窒素含有物質を検知する方法であって、被検知領域に中性子を照射することにより、該領域に存在する窒素含有物質に含まれる窒素元素からガンマ線を放射させ、該ガンマ線を第１の低密度シンチレータに導入してガンマ線の電子対生成により生成した陽電子が電子対消滅する際に放射されるガンマ線を、第２の高密度シンチレータで測定することを特徴とする被検知領域に存在する窒素含有物質の検知方法。
（３）第１のシンチレータでの発光と第２のシンチレータでの発光を同時に検出したときに、窒素含有物質に含まれる窒素元素から放射されたガンマ線による電子対生成により生成した陽電子が電子対消滅したものと判断して、窒素含有物質の存在を確認する上記（１）または（２）に記載の被検知領域に存在する窒素含有物質の検知方法。
（４）測定される窒素含有物質からのガンマ線が１０．８ＭｅＶであり、消滅ガンマ線が０．５ＭｅＶである上記（１）から（３）のいずれかに記載の被検知領域に存在する窒素含有物質の検知方法。
（５）ガンマ線入射面および光電子増倍管と接続されている面以外の第１のシンチレータの外側表面が第２のシンチレータと光学的に接続されている上記（２）から（４）のいずれかに記載の被検知領域に存在する窒素含有物質の検知方法。
（６）窒素含有物質が、爆薬物である上記（１）から（５）のいずれかに記載の被検知領域に存在する窒素含有物質の検知方法。
【００１９】
（７）中性子照射手段と、第１および第２のシンチレータ、両シンチレータからの発光を受光する光電子増倍管、および該光電子増倍管からのデータを処理するデータ処理部を備え、中性子が照射された被検知領域に存在する窒素含有物質に含まれる窒素元素から放射されるガンマ線に基づいて窒素含有物質の存在を検知する被検知領域に存在する窒素含有物質の検知装置であって、
（ａ）低密度の物質からなる第１のシンチレータと、高密度の物質からなる第２のシンチレータが光学的に結合された構造をなし、
（ｂ）第１および第２のシンチレータが同時にガンマ線の放射を検知したときに、被検知領域に窒素含有物質が存在することを判定するデータ処理部を備えたことを特徴とする被検知領域に存在する窒素含有物質の検知装置。
（８）第１のシンチレータにおいて、窒素元素が放射する入射ガンマ線の電子対生成により生成された陽電子が電子対消滅して消滅ガンマ線が放射され、第２のシンチレータにおいて、該消滅ガンマ線を計測する上記（７）に記載の被検知領域に存在する窒素含有物質の検知装置。
（９）第１のシンチレータにおけるガンマ線の導入面および光電子増倍管と接続されている面以外の外側表面が第２のシンチレータと光学的に接続されている上記（７）または（８）に記載の被検知領域に存在する窒素含有物質の検知装置。
（１０）第１のシンチレータが円柱形状からなり、第２のシンチレータが第１のシンチレータを中心に同心円状に設けられている上記（９）に記載の被検知領域に存在する窒素含有物質の検知装置。
（１１）測定される窒素含有物質からのガンマ線が１０．８ＭｅＶであり、消滅ガンマ線が０．５ＭｅＶである上記（７）から（１０）のいずれかに記載の被検知領域に存在する窒素含有物質の検知装置。
（１２）窒素含有物質が、爆薬物である上記（７）から（１１）のいずれかに記載の被検知領域に存在する窒素含有物質の検知装置。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は以下の効果を奏するものである。
（１）窒素以外の元素からのガンマ線を低減ないし、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を簡便に、正確に検知することができる検知方法および装置を提供することができる。
（２）ホスウィッチ構造を持つ本発明の検出器は１０．８ＭｅＶガンマ線の存在のみ（例えば、地雷埋設の有無のみ）を正確に短時間に測定でき、低出力の中性子源を使用した場合でも窒素含有物質の存在を探知することが可能となる。
（３）山間部や傾斜などの大型クレーンが入れない地域での地雷探査には適している、小型で簡便な窒素含有物質の検出方法および検出装置を提供することができる。
（４）小型で簡便で正確な測定が可能な地雷検知装置や手荷物検査器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
最良の形態の本発明は、窒素元素を高濃度で含有する物質、特に土壌中に埋設された爆薬物、を探知するための検知方法および探知装置に関する。爆薬物としては、例えば、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物質である。表１に主な爆薬物における窒素の含有率を示す。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
土壌中に埋設された爆薬物を探知するには、土壌中や爆薬物中に含まれる窒素元素以外の元素から放射される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、窒素を正確に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に、非特許文献１に記載された、主な元素が中性子捕獲反応において放出するガンマ線のエネルギーを挙げる。
【００２４】
【表２】
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【００２５】
本発明は、窒素元素から放射される１０．８ＭｅＶガンマ線のみを捕捉することにより、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理由は次の通りである。すなわち、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が、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元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。また、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程度の差異しかないガンマ線を特定するのは困難である。さらに、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、窒素元素に起因するガンマ線であることを識別することが可能である。
【００２６】
また、ガンマ線のエネルギーが増加するとともに電子対生成反応率が上昇するという利点がある。特に、１０ＭｅＶ以上のガンマ線ではコンプトン散乱よりも電子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て電子対生成反応率が上昇するという利点がある。本発明においては、１０．８ＭｅＶのガンマ線の電子対生成反応により生成した陽電子が、電子対消滅を起こす際に０．５ＭｅＶの消滅ガンマ線を放射することを利用するものである。この放射された０．５ＭｅＶのガンマ線を第２のシンチレータにより検知することにより窒素含有物質の存在を確認することができる。
【００２７】
中性子源としては、例えば、１０８ｎ／ｓｅｃ以上の中性子を照射する。中性子を照射する中性子源は、例えば、ＤＤ核融合炉や２５２Ｃｆや２４１ＡＭ-Ｂｅなどが開示されるがこれらに限定されない。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、土壌との散乱により十分に熱化できるため、エネルギーの強度は中性子捕獲反応にそれほど関係なく、ＤＴ核融合炉であってもよい。
【００２８】
本発明は、ホスウィッチ(Phoswich)構造を有する検出器を利用した窒素含有物質の検知装置に関するものであり、その検出部の一例を概念的に示したのが図３である。本発明の検知装置は、プラスチックシンチレータＳ３とＢＧＯシンチレータＳ４と光電子増倍管７を備える。プラスチックシンチレータＳ３は低密度のプラスチックからなり、入射してくるガンマ線に対して電子対生成を起こさせて、このときできる電子・陽電子の両荷電粒子がその飛跡上に付与するエネルギーが光に変換され発光する現象が起こる。プラスチックシンチレータＳ３で発する光の減衰時間は約１０ｎsecである。プラスチックシンチレータＳ３内で陽電子が止められ電子対消滅する、すなわち、陽電子は近傍の電子と結合し、対向する二本の消滅ガンマ線を放射する。この消滅ガンマ線は、プラスチックシンチレータＳ３を透過してより密度の高いＢＧＯシンチレータＳ４により止められる。そこでシンチレーションを起こし発光する。ＢＧＯシンチレータＳ４での発光の減衰時間は約５０ｎsecである。プラスチックシンチレータＳ３とＢＧＯシンチレータＳ４のそれぞれでの発光が同時に検出されたとき、窒素含有物質の窒素元素からの陽電子を検知したものと判断して信号を出力する。もし、バックグラウンドノイズである低エネルギーのガンマ線が検出器に入射しても、二種類のシンチレータのどちらか一方しか発光しないためノイズと判断し除去することができる。
【００２９】
すなわち、窒素元素の中性子獲得反応により放射された１０．８ＭｅＶのガンマ線から電子対生成により生成された陽電子は、静止する直前に対消滅を起こし、プラスチックシンチレータＳ３に対して十分透過力のある２本の０．５ＭｅＶの対向する消滅ガンマ線を放射する。このガンマ線が高密度ＢＧＯシンチレータＳ４で発光する。このとき、シンチレータＳ３，Ｓ４での発光は時間的特性が異なるため、波形弁別することによりシンチレータＳ３に陽電子が入射した事象を判定可能となる。ここで行う波形弁別は、検出器からの発光を光電子増倍管で電気信号に変換しこのデータをデータ処理部で解析する。そのとき得られた電気信号を、数本に分岐させてフィルタリング処理を行い、それぞれの電圧を、デジタル波形解析装置を用いて解析することにより検出器に入射した放射線の種類及びその発光量を決定し、各放射線に対する発光量から線量への変換演算子を用いることにより測定する。波形弁別した後のシンチレータＳ３およびＳ４から得られる発光の強度と経過時間との関係の一例を図４に示す。
【００３０】
本発明の検知装置のホスウィッチ検出器の電子回路は、高圧増幅器、波高弁別器、波形弁別器、遅延回路、積分回路などから適宜構成される。ホスウィッチ検出器電子回路ユニットの一例を図５に示す。ホスウィッチ検出器の光電子増倍管からのアナログ出力電気信号をインピーダンスマッチングさせた信号分割器により２つ以上に分割する。それぞれの信号を異なる微積フィルタリングモジュールに入力して２つの信号系統に分割する。同図のように一方は５０ｎｓ程度の微積処理を施し、十分な増幅を加えたアナログ信号系統（以下Ｆａｓｔ系統）、もう一方は１μs程度の微積処理を施し、十分な増幅を加えたアナログ信号系統（以下Ｓｌｏｗ系統）である。これらの各信号をコンスタント・フラクション・ディスクリミネータモジュールに入力することで、ある閾値以上の電圧を感知したときに正確なタイミングでロジックパルスが生成される。これらの信号をコインシデンスモジュールの各チャンネルに入力することで同期計測を行い、ゲート信号を生成する。各パルスを取り込むため、ゲートはパルス幅に対して十分に開けておく。電荷積分型ＡＤＣで波形を積分して計測する。
【００３１】
波形弁別器を用いないで窒素元素の存在を検知するには、例えば、次のようにして窒素元素の検知が行われる。
シンチレータから出力されたアナログ信号は電子回路部に入力され、電圧増倍管により増幅される。増幅されたアナログ信号は波高弁別回路に入力され、プラスチックシンチレータＳ３で検出された信号であるかを波高弁別する。このとき、ＢＧＯシンチレータＳ４からの信号との弁別を行うため波高弁別する際の閾値は、ＢＧＯシンチレータで検出される消滅ガンマ線（０．５ＭｅＶ）の波高以上に設定する。波高弁別器で閾値を越えた信号であった場合は、デジタル信号を出力し、遅延回路を作動させる。遅延回路において、プラスチックシンチレータＳ３で検出した信号が十分減衰し終える時間分（約１０ｎsec）だけ遅延を行い、積分回路を作動させる。積分回路では、遅延回路からの信号を受け電圧増幅器から出力から出力されているアナログ信号の積分を開始する。積分回路における積分時間は、ＢＧＯシンチレータＳ４が検出する消滅ガンマ線を十分計測できるように、ＢＧＯシンチレータＳ４の減衰時間（約５０ｎsec）以上の積分時間を設定する。積分を終了すると、波高分別器において、消滅ガンマ線またはそれ以上の信号であるかどうかを判定し、消滅ガンマ線またはそれ以上であるならばデジタル信号を出力する。さらに、始めに行ったプラスチックシンチレータＳ３からの信号を波高弁別した結果とＢＧＯシンチレータＳ４からの信号を積分し波高弁別した結果をＡＮＤ回路に入力する。ＡＮＤ回路では、双方の結果が「真」の時だけ陽電子と判断し、それ以外はノイズと判断する。
【００３２】
このようにしてシンチレータ内の発光量から入射ガンマ線のエネルギーが測定される。本発明のホスウィッチ構造を持つ検出器は１０．８ＭｅＶガンマ線の存在のみ（例えば、地雷埋設の有無のみ）を正確に短時間に測定でき、低出力の中性子源を使用した場合でも窒素含有物質の存在を探知することが可能となる。
【００３３】
ホスウィッチ構造の本発明の検知器について電磁シャワーモンテカルロ計算コードＥＧＳ４を用いてシミュレーションを行った。その結果、検出原理通りに陽電子が２本の対消滅ガンマ線を生成し、この対消滅ガンマ線はプラスチックシンチレータをつきぬけ、ＢＯＧシンチレータ内部で静止することがわかった。そうすると、陽電子の対消滅ガンマ線のエネルギーは、ＢＧＯシンチレータにおいてすべて光に変換され光電管により測定される。ＥＧＳ４によるシミュレーションの結果を図６に示す。
【００３４】
次に、本発明の窒素含有物質の検出装置におけるホスウィッチ検出器の構造の概念図を図３に示されている。本発明のホスウィッチ検出器は、例えば、２種類の異なったシンチレータを光学的に結合して１本の光電子変換素子と組み合わせたものであり、密度の低い物質、例えば、ＮＥ１０２Ａ（ＮＥテクノロジー社製）、ＢＣ４００（バイクロン社製）からなる第１のシンチレータＳ３と密度の高い物質、例えば、ＢＧＯ（ビスマスジャーマネイト）、ＮａＩ（Ｔｌ）からなる第２のシンチレータＳ４が光学的に結合されている。第１のシンチレータは、例えば、円柱状の形状を有し、その外周を包むように第２のシンチレータが光学的に接合され一体となり、第１のシンチレータにおけるガンマ線の入射面および光電子増倍管と接続されている面以外の外側表面が第２のシンチレータと光学的に接続されていることが好ましい。例えば、第１のシンチレータを芯とし、第２のシンチレータを外皮とする二重構造をなしている。本発明のシンチレータの断面構造はバックグラウンドγ線からの影響を小さくするため、Ｓ４の内径は小さい形状をなしているのが好ましい。また、一体化された円柱状のシンチレータの１端部にはライトガイドを介して光電子増倍管が接続されていて、第１および第２のシンチレータにおいて発光される光を計測する構造となっている。本発明のホスウィッチ検出器の全長は、光電子増倍管を除くと約１０ｃｍであり、非常に小型化されている。この構造のホスウィッチ検出器では、光電子増倍管には第１および第２のシンチレータからの光が同時に検出されるため、波形弁別回路により両者を分離した波形に変換したデータを得ることが望ましい。また、上記したように、波形弁別回路がなくても測定は可能である。
【００３５】
第１および第２のシンチレータからなるホスウィッチ検出器において、光電子増倍管を複数用いてもよい。例えば、第１のシンチレータの光のみを受光する光電子増倍管と、第２のシンチレータからの光のみを直接受光する光電子増倍管を設けることにより、前述の波形分析回路を設けた検出器と同等の測定結果は得られるが、光電子増倍管を複数設けなければならないこと、装置が複雑となりコンパクト化ができないなどの問題があるものの検知そのものには問題はない。
【００３６】
また、第１および第２のシンチレータ、光電子増倍管を連続して一線上に設けたホスウィッチ検出器が提案されているが（例えば、特開平６−１２３７７７号公報参照）、この構造では、第１のシンチレータにおいて電子対生成により生成された電子、陽電子が検出器外に放射されて、第２のシンチレータに入射する陽電子が減少するおそれがあり正確な計測は期待できない。
【００３７】
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１】
【００３８】
本実施例は、１０．８ＭｅＶガンマ線による電子対生成反応に続き生起する対消滅反応で放射される消滅ガンマ線を利用した地雷探知器に関する。
本実施例の地雷探知器は、図１に示すように、可搬型中性子源１とガンマ線検出器６とから構成され、例えば、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。
【００３９】
［１］中性子発生手段
本実施例で用いる中性子発生手段１は、公知の中性子源が利用でき、ここでは特許文献３に開示される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、イオン同士を衝突させて核融合反応を得る。その際、以下の式２に示す反応により高エネルギーの中性子が発生する。
【数２】
2009236635.tif 000006
【００４０】
［２］ガンマ線検出器６ 
図３は、本実施例のガンマ線検出器の主要構成部を示す図である。
《シンチレータＳ３，Ｓ４》
シンチレータＳ３は、長さ約１０ｃｍ、直径５ｃｍの円柱形状をしたポリビニルトルエンという透明なプラスチックに、二種類の蛍光物質をわずかに混ぜたものからなるプラスチックシンチレータである。シンチレータＳ３の長さを比較的長尺としたのは、入射したガンマ線を電子対生成させて生成した陽電子からの消滅ガンマ線の放射を確実にする必要があるからである。シンチレータＳ３で電子対生成を起こすためには、通常、密度の大きいＢＧＯなどのシンチレータが適しているが、消滅γ線がＳ３内で吸収されてしまう事象が多くなる。そのため密度の低いプラスチック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、商品名ＮＥ１０２、Ｐｉｌｏｔ  Ｕ（密度１．０３２〜１．２５ｇ／ｃｍ３）が好適である。シンチレータＳ３では、シンチレータ内部で電子対生成により電子・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。
【００４１】
シンチレータＳ４は、ＢＧＯシンチレータにより構成される。シンチレータＳ４は、陽電子が電子対消滅により放射されるガンマ線をすべて捕獲する必要があるため、密度の大きい材質が使用される。本実施例では、厚さ３ｃｍのＢＧＯが、円柱状に形成された第１のシンチレータＳ３の外側に光学的に結合されている。この厚みを有するＢＧＯ層は第１のシンチレータＳ３から入射した消滅ガンマ線を完全に捕獲することができる。  シンチレータＳ３およびＳ４は、ライトガイドを介して光電子増倍管８と接続され、光を電気信号に変換する。
【００４２】
《データ処理部》
データ処理部は、時間記録モジュール、同時計測モジュール、波高記録モジュール、波形弁別器、および記憶装置などを備える。光電子増倍管では、シンチレータＳ３およびＳ４からの光を受光する。受光を光電子増倍管で電気信号に変換して、デジタル波形解析装置を用いて第１のシンチレータＳ１からの光の波形と、第２のシンチレータＳ４からの光の波形に弁別する。例えば、図４に示す減衰時間が約１０ｎｓ以下である第１のシンチレータＳ３の受光波形と、減衰時間が約５０ｎｓ以下である第４のシンチレータＳ４での受光波形に弁別される。第１のシンチレータＳ３と第２のシンチレータＳ４の受光を同時に検出したことが計測された場合に、窒素含有物質に含まれる窒素元素からのガンマ線を受光したものと判断し、窒素含有物質を検知したことを表示する。
【００４３】
窒素含有物質に含まれる窒素元素以外の元素から放出されるガンマ線は、すべて測定対象となる窒素元素の１０．８ＭｅＶガンマ線と比べてエネルギーが低いので電子対生成反応を起こす確率が低いので窒素元素からのガンマ線が測定されることはほとんどない。本発明では電子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となった。
【００４４】
以上に述べたとおり、本実施例の地雷探知器は、コンプトン方式の検出器を用いず、電子対生成反応および電子対消滅反応を利用する新規な検出器であり、多重散乱による解析の煩雑さを回避したこと、バックグラウンドを大幅に低減することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明の窒素含有物質の検知方法または検知装置は、ホスウィッチ構造の検出器により陽電子を検出することにより、窒素含有率が比較的高い物質の存在を精度よく探知することが可能となる。そのため、本発明の検知装置は、空港、港などでの爆発物や禁制薬物を探知し、それらの乗り物への持ち込みや移送を監視することに適している。また、窒素元素を検出して爆薬を検知するため、近年テロリストなどが用いている液体混合型の爆薬の所持、持ち込みに対しても有効な検出手段を提供することができる。本発明が提供する新しい地雷探査装置は、地面に中性子を照射しながら地表上をスキャンする形式のものであり、比較的小さく設計することができるため山間部や傾斜面など大型の装置が入らない地域の地雷探査に適している。また、本発明は、例えば、植物中に含まれる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】
【００４６】
【図１】可搬型中性子源を用いた地雷探知方式の概略図を示す。
【図２】ワイヤー方式の地雷探知方式の概略図を示す。
【図３】本発明のホスウィッチ検出器の概念図を示す。
【図４】本発明の光電子増倍管からの出力波形を示す。
【図５】本発明のホスウィッチ検出器電子回路ユニットの一例を示す構成図である。
【図６】本発明の検出器での陽電子の動きのシミュレーション結果を示す。
【符号の説明】
【００４７】
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  光電子増倍管
Ｓ１、Ｓ２  プラスチックシンチレータ
Ｓ３  本発明のプラスチックシンチレータ
Ｓ４  本発明のＢＧＯシンチレータ
【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６】
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