JP6469780B2 - 物質識別のための飛行時間中性子検査方法及びシステム - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０１２年６月１日に出願され、「物質識別のための飛行時間中性子検査方法及びシステム」と題された米国仮特許出願第６１／６５４、６５６号を基礎として優先権を主張する。また上記した米国仮特許出願は、全て、本願明細書に取り込まれている。

本明細書は、隠された物体を検出するための放射エネルギーイメージングシステムに関する。特に、中性子検査を用いて物体を検査し、強化されたレベルの物質のキャラクタリゼーションを提供するシステムに関する。

郵便物や、商品、原材料、他の物品の輸送等を含む物質の物理的な輸送は、いかなる経済活動にも不可欠である。通常、物質は、輸送用コンテナや荷箱等に収められて輸送される。一般に、輸送用コンテナや荷箱は、コンテナ船や貨物輸送機によって運ばれるインターモーダルコンテナと同様にセミトレーラー、大型トラック、鉄道車両によって輸送される。しかしながら、このような輸送用や貨物用のコンテナは、しばしば違法な禁制品の輸送にも使用される。これらの危険物の検出には、迅速、安全、且つ正確な検査システムが必要とされる。

高エネルギＸ線検査は、ドラッグ、通貨、武器及びマニフェストバイオレーションを含む禁制品を検出するために世界的に広く採用されている。禁制品の検出は、大抵、異常のために画像を解析することで行われる。しばしば、可能性のある禁制品として異常が確認された場合、手作業による徹底した、且つ時間のかかる荷解きが必要とされる。場合によっては、禁制品が実際に存在するか否かを判別するために機材等が損傷を受けなければならない。不運にも、これらの異常は良性の貨物の自然変化に起因して発生することがあり、故に手作業の検査は不必要であったという誤報状況を導く結果となる。

コンテナに詰められた貨物の検査用の既知のスキャニング過程には、Ｘ線スキャニング、貨物から発する気体の化学的な解析、生物を検出するための貨物からの音の聞き取り、一人又は複数の安全保障当局者による最終的な介入である手作業での調査が含まれている。

システムによっては、中性子が、爆発物、その他の物質の存在の検出や非存在の確認のための二次検査技術及び方法に使用されている。例えば、ラピスカン システムズ、インコーポレイテッドは、車両爆発物検出システム（ＶＥＤＳ）を有している。ＶＥＤＳは、貨物コンテナを検査する中性子を発生するためにｄ−Ｄ反応又はｄ−Ｔ反応などのモデレイテッド^２３２Ｃｆ自発核分裂源又は電子中性子発生器（ＥＮＧ）を採用している。多くの場合、中性子は、主としてコリメートされず、コンテナの大きな領域と衝突し、深さの感度ではなく、制限された元素の情報を提供する。このため、これらのシステムは、中程度の量の禁制品の検出が可能であり、いくつかのタイプの物質に制限される。

中性子を用いることの有利な点の一つは、中性子と物体との相互反応がガンマ線になる点である。これらのガンマ線は、ガンマ線を発生させる元素に特徴的であり、故に元素組成を推測するために用いることができる。物体が中性子を用いて取り調べられる場合、ガンマ線信号は物体の様々な部位から発生し、信号の混じり合いは、時間の関数として単一のエネルギを有する中性子の位置を特定することによって減少する。これは、次に、時間の関数としてのガンマ線の情報を生成する。中性子の速度は既知であるため、ガンマ線の発生した位置を算出することができる。これにより、他の領域からの信号の混じり合いが少なく、深さの関数として、スキャンされた領域の元素組成を特定することができる。

放射を継続的に、若しくはマイクロセカンドの間隔でパルスとして発生させる連続波発生源を用いる場合、ガンマ線が発生した位置を特定することは困難である。物体の前方、中央、後方で発生したガンマ線の重なり合いが存在し、推測される元素組成が混ざり合う。例えば、紙が積まれたコンテナの中央にコカインが位置していると、ガンマ線は主に紙から発せられ、コカインからは最小限にしか発せられない。この場合、コカインは未検出のままとなる。なぜなら、中性子は、減衰により中央よりも前方でより多くが相互反応するからである。時間（深さ）情報がないため、コカインからの元素信号（極少の信号）は、と紙からの元素信号（より多くの信号）と合計される。例えば、コカインの信号はＣ＝４、Ｏ＝１（Ｃ／Ｏ＝４）である。紙の信号は、Ｃ＝１０、Ｏ＝１０（Ｃ／Ｏ＝１）である。計測された信号は、Ｃ＝１４、Ｏ＝１１であり、Ｃ／Ｏ＝１．３である。しかしながら、時間（深さ）の情報が存在する場合は、前方、中央、後方からの情報は個別に検出可能な信号に分離される。このように、ＴＮＡ（熱中性子解析）は、深さの関数としての信号が混じり合うことに起因して、良好に働かない。

例として、パルス化高速中性子解析（ＰＦＮＡ）技術では、強力なナノセカンドパルス化中性子ビームを発生するために、高エネルギパルス化重陽子ビームが重水素ターゲットに衝突する。これは、検査されている領域の元素内容の特定を可能とする。断面（Ｘ−Ｙ）マッピングは、コリメーションを用いることで得られ、深さ（Ｚ）マップは、飛行時間（ＴｏＦ）の技術を用いることで得られる。ＰＦＮＡは、一次検査や二次検査に用いることができる。第二の手法として、一次システム（ＰＦＮＡ、Ｘ線、その他）は、禁制品を含んでいる疑いのある領域を識別する。この領域は、その後、コリメートされた中性子ビームによって検査される。ＰＦＮＡは、非常に強力な技術であるが、当該技術に基づいたシステムは、大きく且つ高価である。このため、当該システムの配備は制限される。

同様に、関連するアルファ粒子イメージング（ＡＰＩ）は、部分的にコリメートされた中性子ビームを使用して物体を検査する。これにより物体の元素マップが測定される。断面の元素マップは、関連するアルファ粒子の方向を検出することによって得られる。当該方向は、発射された中性子の方向に関して１８０°の方向に発射される。また、深さマップは、パルス化中性子ビームの使用の代替ではなく、ＴｏＦ技術を使用することで得られ、アルファ粒子の検出は、スタート時間を提供する。発生器からの重陽子がトリチウムターゲットに衝突すると、核反応が起こり、その結果、互いに１８０°異なった方向にアルファ粒子と中性子とが発生する。アルファ粒子は、アルファ検出器が最も近いため、最初に検出される。これは、関連する中性子がどこであるかを特定するための計時開始に用いることができる。ｔ＝０において中性子は１０ｃｍの位置にある場合、中性子は略５ｃｍ／ｎｓで移動するため、ｔ＝１ｎｓで１５ｃｍの位置にあり、またｔ＝２ｎｓで２０ｃｍの位置にある。

アルファ粒子と中性子誘起のガンマ線計測値とのランダムコインシデンスに起因して、結果としての信号は高バックグラウンドに影響される。高バックグラウンドは、最大中性子出力を制限する。このため、バックグラウンドが低くなるレベルに中性子出力を低くすることが必要である。しかし、結果的に、これは検査時間の長時間化とスループットの低下とを招く。

ＰＦＮＡ及びＡＰＩと同様の技術を採用しているｄ−Ｄ及びｄ−Ｔ中性子発生器が用いられているが、これらは、サイズ及びコスト制限、若しくは低中性子の発生による長い検査時間のいずれかの理由によって広くは配備されていない。ｄ−Ｄ中性子発生器は、ガス重水素ターゲットに衝突して〜８．５ＭｅＶのビームエネルギを有する中性子ビームを発生する重陽子ビームを使用する。ｄ−Ｔ中性子発生器は、中性子を発生するために重水素（^２Ｈ）−トリチウム（^３Ｈ）反応を使用する。加速されたビーム内の重水素原子は、ターゲット内において重水素原子及びトリチウム原子と融合し、中性子及びアルファ粒子が発生する。

従って、配備に適した小型、低コスト、高強度の物質特定一次又は二次検査システム及び方法に対する需要が存在する。二次検査方法及びシステムとしては、高スループットをもって比較的短い検査時間で一次システムの警報をクリア又は確認するための方法及びシステムに対する需要が存在する。

このため、必要とされていることは、小型化、高収率、配備可能を目的とすることで検査時間を短くする中性子検査システムである。

本明細書は、飛行時間に基づいた中性子検査システムを記載する。本システムは、被疑貨物の検査に高速中性子のコリメートビームを用い、深さの関数としての元素情報を測定する。その後、禁制品の存在を判別するために元素組成が分析される。

一実施の形態において、ナノパルス化、小型且つ高収率のｄ−Ｔ発生器が使用される。

一実施の形態において、本システムは一次検査に使用され、ポータル構造、ガントリ構造、又はモバイル構造として実施される。

他の実施の形態において、本システムは、誤警報の割合、高コスト及び手作業での荷解きに関係する時間をさせるために、物質識別を行う二次検査用として用いられても良い。一実施の形態において、検査下の物体は、一次検査によって、又は、オペレータによって潜在的な危険物として特定され、さらに二次検査のために本発明のシステムに送られる。一実施の形態では、一次システムは、検査下の物体の内部の小さな領域をターゲットとする。

また他の実施の形態では、適切なコリメーションを伴うＡＰＩ発生器は二次検査用に用いられる。小さな領域をターゲットとすることによって、ＡＰＩ発生器の強度の増加を可能とする。その理由は、従前において大きな領域を調べるために使用されていた強度は、より小さな箇所に集束されているからである。これにより、中性子の出力をバックグラウンドが低いレベルに増加させる。さらに、検査時間を短縮することができる。

一実施の形態において、本明細書は、物体における被疑領域の検査システムを記載する。検査システムは、ナノセカンドパルス重陽子発生器と、トリチウムターゲットと、可動コリメータと、ガンマ線検出器と、プロセッシングユニットと、を備える。当該ナノセカンドパルス重陽子発生器は、重水素イオンのビームを発生するイオン発生源と、当該重水素イオンビームを幅狭のパルス幅に形成するためのイオンフィルタ、チョッパ及びバンチャと、を有する。当該トリチウムターゲットは、重水素イオンのパルス化ビームが衝突することでパルス化中性子を発生する。当該可動コリメータは、当該被疑領域に当該パルス化中性子を指向させる。当該ガンマ線検出器は、当該パルス化中性子と当該被疑領域との相互反応の後に発生するガンマ線を検出する。当該プロセッシングユニットは、当該被疑領域内の物質を特定するために当該ガンマ線検出器からの飛行時間（ＴｏＦ）データを解析する。一実施の形態では、当該ナノセカンドパルス重陽子発生器は、１秒間に少なくとも１０^９個の中性子を発生する。一実施の形態では、当該プロセッシングユニットは、ＴｏＦデータを用いてガンマ線検出器からの信号を当該被疑領域の元素へと深さの関数としてマッピングする。

一実施の形態では、当該トリチウムターゲットに衝突する当該重陽子ビームの流れは、１００μＡの範囲である。一実施の形態において、当該ビームの加速電圧は、１００〜３００ｋＶの範囲である。一実施の形態では、当該イオン源は、陽イオン源である。

一実施の形態では、当該トリチウムターゲットは、マルチターゲットを備える。他の実施の形態においては、当該トリチウムターゲットは、回転ターゲットを備える。さらに、当該トリチウムターゲットは、一次システムにおけるソースのうちの一つの位置と略同じ高さに位置している。

一実施の形態において、当該中性子発生器は、当該コリメートビーム以外の放射を減らし、さらにガンマ線バックグラウンドを低減するためにシールドされている。さらに、当該シールディングの全厚さは、略７５ｃｍである。

他の実施の形態において、本明細書は、物体における被疑領域を検査するための検査システムを記載する。当該被疑領域は、数１０ｃｍの範囲であり、当該システムは、ｄ−Ｔ中性子発生器と、中性子ビームコリメータと、アルファ粒子検出器と、ガンマ線検出器と、プロセッシングユニットと、を備える。当該ｄ−Ｔ中性子発生器は、中性子及び対応するアルファ粒子を発生する。中性子ビームコリメータは、当該中性子を当該被疑領域に向かうように指向させる。また、当該コリメータは、シールドされている。当該アルファ粒子検出器は、当該被疑領域に対して１８０°の位置に設置され、アルファ粒子を検出し中性子の発生時を特定する。また当該アルファ粒子検出器は、当該中性子ビームコリメータと実質的に同一な角度開口にコリメートされる。当該ガンマ線検出器は、中性子と当該被疑領域との相互反応の後に発生するガンマ線を検出する。また、当該ガンマ線検出器は、熱中性子及び熱外中性子捕獲の発生を防ぐためにシールドされている。当該プロセッシングユニットは、当該中性子の発生時及び当該発生したガンマ線の時間スペクトルに基づく深さの関数として当該被疑領域の元素組成を特定する。

一実施の形態では、ホウ素含有物質は、ホウ素含有ポリエステルである。

一実施の形態では、当該中性子発生器の全中性子出力は、１０^９個／秒の範囲である。

一実施の形態では、高重陽子ビーム電流が用いられる場合、当該ターゲット上に衝突する当該ビームのサイズは、少なくとも１ｃｍである。

一実施の形態では、当該アルファ粒子検出器は、ターゲットから２５ｃｍの範囲の距離に位置している。一実施の形態において、当該アルファ検出器は、マルチセグメント検出器を含む。

一実施の形態では、当該中性子発生器は、中性子を当該被疑領域に指向させるために、自身の長軸に沿って回転する。一実施の形態では、当該コリメートビームは、中性子を当該被疑領域に指向させるために、垂直に並進される。一実施の形態では、当該コリメートビームは、中性子を被疑領域に指向させるために、自身の長軸を中心に回転される。

一実施の形態では、当該コリメータの全長は、少なくとも７５ｃｍである。

一実施の形態では、当該中性子発生器は、当該コリメートビーム以外の放射を減らし、さらにバックグラウンドを低減するためにシールドされている。さらに、当該シールディングの全厚さは、略５０ｃｍである。

一実施の形態では、いずれか一のシステムが一次検査システムによる検査の後、二次検査用に使用される。一実施の形態では、本システムは、一次検査サブシステム及び二次検査サブシステムに基づいており、被疑領域は、一次システム又はオペレータによって特定され、コリメータされた中性子を用いた当該被疑領域の検査のために、検査下の物体の最適な位置及び回転角度を決定するためにアルゴリズムが使用される。

本願の前述及び他の実施の形態は、図面と、以下に提供する詳細な記載とにおいて、より詳細に記載される。

本明細書の一の実施の形態によるｄ−Ｔ反応に基づく飛行時間中性子検査システムの概要図であり、パルス化ビームを用いた場合を示す。 本明細書の一の実施の形態による飛行時間中性子検査システムの上面図であり、関連するアルファ粒子イメージング（ＡＰＩ）システムを用いた場合を示す。 図２（ａ）に示された中性子検査システムにおいて用いられる例示的なシールディング及びコリメーティング装置の構成図を示す。 図２（ａ）に示された飛行時間中性子検査システムの端面図を示す。 本発明のシステムを用いて検出可能な例示的な物質の元素組成情報及び対応する比率についての表を示す。 一次スキャン及び二次スキャンのソースの高さが異なることに起因する視差による不確かさの影響を示す。

本願明細書は、中性子の飛行時間（ＴｏＦ）に基づく検査システムに関する。具体的には、本願明細書は、コリメートビームを用いた高エネルギ飛行時間ベースの中性子システムの使用によって、貨物内の禁制品（密輸品）及び危険物を検出するシステム及び方法に関する。一実施の形態においては、本発明のシステムは、コリメートされた高速中性子ビームを用いて被疑貨物を調べ、深さの関数として元素組成を特定する。その後、特有の元素組成を解析することで、禁制品の存在を判別する。

中性子を用いることの有利な点の一つは、物体との相互反応によるガンマ線である。これらのガンマ線は、ガンマ線を発生させる元素を特徴付けるものであり、元素組成を推測するために用いることができる。このように、物体が中性子を用いて取り調べられるとき、ガンマ線信号は物体の様々な部位から発生し、時間の関数として単一のエネルギを有する中性子の位置を特定することにより信号のミキシングは減少する。次に、これは時間の関数としてのガンマ線の情報をもたらす。中性子の速度は既知であるため、ガンマ線の発生した位置を算出することができる。これにより、他の領域からの信号の混じり合いが少なく、深さの関数として、スキャンされた領域の元素組成を特定することができる。ほとんどの場合、これは、新規な方法においてナノセカンドパルス化中性子又は関連するアルファ粒子発生器を用いて中性子の位置を特定することで達成される。ナノセカンドパルス化中性子及び関連するアルファ粒子発生器のどちらもが本明細書で説明される。

一実施の形態では、ナノセカンドパルス化ｄ−Ｔ飛行時間（ＴｏＦ）ベースの中性子検査システムが使用され、一次検査に使用されてもよい。また、当該システムは、中性子を含む禁制品の検出のため、ポータル構造、ガントリ構造、又はモバイル構造として実施される。

他の実施の形態では、ＡＰＩ発生器が使用される。小さな領域を狙うために中性子を制限又は方向づけるコリメータを使用することで、ＡＰＩ発生器の強度を増加させることができる。なぜなら、従前において大きな領域を調べるために使用されていた強度を、より小さな箇所に集束させているからである。これは、このより小さな箇所に到達する中性子の数を、バックグラウンドに対する信号の割合が高いレベルに、すなわち、略１０^９個の中性子／秒のオーダに増加させる。このため、検査時間を短縮することができる。これにより、当該強度は、一般的なＡＰＩ発生器（ランダムコインシデンスがあまりにも高いバックグラウンドになる前に、ＡＰＩ発生器は、毎秒に中性子５×１０^７〜５×１０^８個中性子の強度範囲で動作する。）よりも１０から２０倍のオーダとなる。また、本明細書のコリメータは中性子ビームを制限するための小さな開口を備えており、且つ良好な遮蔽性を有している。さらに、本発明は、発生源の周囲のみならず検出器の周囲にもシールディングを設けている。

一実施の形態では、本システムは、誤警報の割合、高コスト及び手作業での荷解きに関係する時間を減少させるために、物質識別を行う二次検査として用いることができる。一実施の形態において、検査下の物体は、一次検査によって潜在的な危険物を含むと判断され、二次検査のための本発明のシステムに送られる。このため、一実施の形態では、本発明において記載されるシステムは、一次システムによって、又は、オペレータによって、禁制品又は危険物を含む疑い又は可能性があると判断された物体の小さな領域をスキャンする。

一実施の形態では、本システムは、炭素、窒素、酸素、塩素、リン、ナトリウム、鉄及び他の元素を深さの関数として検出するが、これに限定されない。本システムは、元素解析を行い、ドラッグ、化学兵器、その他の禁制品を検出し、加えて、積荷目録の確認を行う。水素、低速中性子に関連する塩素のような元素の他のガンマ線の特徴もまた、検出可能であり、位置情報ではなく貨物の付加的な情報を提供する。

本明細書のシステムは、少なくとも一つのディスプレイに連結される。ディスプレイは、ＧＵＩによって、検査過程及び検査データに関する情報を表示する。システムはさらに、全システム及びその部品の動作を制御するプロセッサ及びプロセッシングユニットのうちの少なくとも一つを備える。少なくとも一つのプロセッサは、プログラムインストラクション処理することが可能であり、プログラムインストラクションを保存するメモリを有し、ここに記載されたプロセスを実行するための複数のプログラムインストラクションからなるソフトウェアを用いることを理解すべきである。一実施の形態では、少なくとも一つのプロセッサは、揮発性又は不揮発性のコンピュータ可読媒体に保存された複数のプログラムインストラクションを受信し、実行し、送信することが可能な計算装置である。

本願明細書は、様々な実施の形態を含んでいる。以下の開示は、当業者が本発明を実施することを可能とするために提供される。本明細書で使用する言語は、適宜の実施の形態を一般的に否定するものとして解釈すべきではなく、特許請求の範囲に記載した表現の意味を超えて特許請求の範囲を制限するために用いるべきではない。ここに定義される一般的な原理は、発明の要旨及び範囲を逸脱しない範囲で、他の実施の形態や応用例に適用可能である。また、使用される専門用語や表現は、例となる実施の形態を記載するためのものであり、限定的に考慮すべきではない。したがって、本発明は、多数の代替例や、変形例、開示された原理や特徴に整合する等価例を包含する最も広い権利範囲に対応する。明瞭性を目的として、また、本発明に関連する技術分野において周知の技術内容に関する詳細については、本発明を不必要に曖昧としないために、記載しないこととする。

第１の実施形態において、本願明細書に記載のシステムは、有利にナノセカンドパルス化ｄ−Ｔ中性子発生器を使用する。ｄ−Ｔ中性子発生器は、重水素（^２Ｈ）とトリチウム（^３Ｈ）との反応を使用して中性子を発生させる。加速ビーム内の重水素原子は、とターゲット内の重水素及びトリチウム原子と融合し、中性子及びアルファ粒子を発生する。上記のＰＦＮＡに戻って参照すると、６ＭｅＶのパルス化重陽子ビームがガス重水素ターゲットに衝突すると、〜８．５ＭｅＶのビームエネルギで強力なナノセカンドパルス化中性子ビームを発生する。これらの反応は、下記の式によって特徴が示される。

８．５ＭｅＶの中性子は、１４ＭｅＶの中性子に対してより豊富で有利であるが、８．５ＭｅＶの中性子を発生するためには、より大きくより高価なシステムが必要である。このため、１４ＭｅＶの中性子を発生させるためには、はるかにコンパクトで低価格のシステムが必要とされる。

図１は、物体の被疑領域をスキャニングするためのパルス化中性子を発生するシステムの概要図を示す。図１を参照すると、イオン発生源１０１は、重水素イオンビーム１１０を生成し、一実施の形態においては、低い電圧で重水素イオンビームをイオンセレクタ１０２に向けて加速する。一実施の形態においては、イオン発生源は、高ビーム電流を発生させる陽イオン発生源である。イオンセレクタ１０２は、不要なイオンをフィルタリングして、イオンビーム１１０中に様々なエネルギのイオンが存在することを防ぐ。イオンビーム１１０中のエネルギの異なるイオンの存在は、電流の増加、ターゲットのスパッタリング、発生する中性子の僅かな増加を招く。イオンは、正電荷及び負電荷のいずれか一方の電荷を運ぶことが可能であり、様々な速度を有するため、目的は、正電荷又は負電荷のいずれか一方を除去し、用いられる加速器のタイプに応じて一のタイプの電荷のみを維持することが目的である。また、フィルタは、種々な構成部品に衝突するイオンの数を減少させて、加速器の内部における中性子の発生を最小限とする。これは、広範囲にわたるシールディングを必要とする。

フィルタリングされたビーム１１１は、偏向板１０３を使用して周期的に偏向される。これによって、ビームの一部がスリット１０４を通過することができる。このように、スリット１０４はビームチョッパとしての機能を果たす。ビームチョッパは、ビームをパルス化（粗パルス）するために用いられる。粗パルス化チョップ化ビームは、高出力バンチング装置を使用してバンチング又は成形される。高出力バンチング装置は、後続のイオンを加速し、先頭のイオンを減速する。この結果、先頭のイオンと後続のイオンとは、互いに追いつく、別名「バンチング」として知られる。一実施の形態では、ビームは、１ｎｓの範囲のパルス時間にバンチングされる。パルス時間をナノセカンドの範囲に維持することが重要である。結果としての中性子は、〜５ｃｍ／ｎｓの速さで移動する。従って、数ｃｍの範囲の分解能を得るための時間スケールは、ナノセカンドの範囲でなければならない。パルス時間がマイクロセカンドの範囲にあれば、メートル範囲の分解能となってしまう。この場合、物体の様々な部分からの信号のミキシング（混ざり合い）となり、禁制品が未検出のままとなる虞がある。その後、ビームは、ハードウェア１１２を使用して後段加速段階に送られる。ハードウェア１１２は、重水素イオンのさらなる加速を許容し、重水素イオンビームのエネルギは増加する。一実施の形態において、加速電圧は１００〜３００ｋＶの範囲にある。

その後、ビームはトリチウムターゲット１０６に衝突する。一実施の形態において、トリチウムターゲットに衝突する重水素ビームの電流は、最大５００μＡの範囲である。衝突の結果としてのパルス化中性子は、狭く遮蔽され、且つ、コリメータ１０７を使用して幅狭にコリメートされ、被疑領域１０８に向けられたビーム１２０となる。中性子が被疑領域１０８と相互作用した後、中性子との非弾性相互作用によって発生したガンマ線は、ガンマ線検出器１０９のアレイを使用して検出される。飛行時間（ＴｏＦ）エレクトロニクス及びプロセッシングユニットは、ガンマ線検出器１０９からの信号を深さの関数として元素にマッピングする。

当業者は、許容しがたい短い間隔でのシステムの点検を回避するために、長寿命のターゲットが使用されることを理解する。一実施の形態において、ターゲットは複数のターゲットからなり、一のターゲットが部分的に消耗した場合に、システムへの点検を要求せずに交換品を配置可能とする構成としてもよい。一実施の形態において、システムは回転ターゲットを用いる。

本発明のｄ−Ｔ発生器はコンパクト且つ高出力発生器であり、さらに従来のかさばる発生器と比較して、様々な用途での展開に好適である。一実施の形態において、中性子発生器は、良好に遮蔽性され、コリメート化ビーム以外の放射を減らし、ガンマ線バックグラウンドを低減する。

第２の実施の形態において、本発明のシステムは、アルファ粒子検出器を備えたｄ−Ｔ中性子発生器を使用し、中性子の位置を時間の関数として特定する。ｄ−Ｔ反応によって、１４ＭｅＶの中性子とアルファ粒子との両方が発生する。アルファ粒子は、発生した中性子とは１８０°反対の方向に進む。

アルファ粒子イメージング（ＡＰＩ）における従来の問題点は、より多くの中性子を得るために重陽子ビームの強度を強めると、アルファ粒子が互いに近寄りすぎることが発生し、且つ、アルファ粒子と中性子誘起ガンマ線測定値とのランダムコインシデンスに起因して中性子の同定が混乱することである。発生した中性子は、シールディング材に衝突し、ガンマ線を発生する。ガンマ線は不定期に検出され、対象の時間領域のバックグラウンドが増加する。結果としての信号は、最大中性子出力を制限する高いバックグラウンドによって影響される。従来、これは、バックグラウンドが低いレベルまで中性子の出力を下げることを必要とするが、検査時間が長時間となる。このように、ＡＰＩを使用して大きな貨物領域を画像化することは、出力が低く、また、大きな物体の画像化に許容しがたい長時間を要することとなるため、強度に起因して制限されていた。

具体的には、ランダムコインシデンスの発生は、中性子の強度の二乗、ａ^２Ｉ^２として増加する。ここで「ａ」は、バックグラウンドに依存するパラメータであり、実験的に導き出される。バックグラウンドは、主に２つの原因に由来している。その一つは、時間相関バックグラウンド（ＴＣＢ）であり、ＴＣＢは、高速中性子の相互作用によって生じる。また他の一つは、時間非相関バックグラウンド（ＴＵＢ）であり、ＴＵＢは、周囲の物体との熱中性子相互作用により発生する。従って、ランダムコインシデンスを低減させるためには、これらバックグラウンドの原因を減少させなければならない。上述したように、リークした中性子は、検査中の物体の他の部分の中で及び周囲の物質と相互作用し、ＴＣＢを発生する。最終的には、これらの中性子のいくつかは、速度を落とし、捕捉され、ＴＵＢを発生する。同様に、シールディング／コリメータの内部での中性子との相互作用によって発生したガンマ線は、ＴＣＢを増加させる。特に注目すべきは、炭素からの４．４４ＭｅＶの高エネルギガンマ線である。炭素のために高エネルギのガンマ線を実質的に除去するために、十分なシールディングを備えなければならない。水素からの２．２３ＭｅＶなどのシールディング材の内部における熱中性子捕獲によって発生した他のガンマ線もリークでき、ＴＵＢを増加させる。従って、これを回避するためにも十分なシールディングを備えなければならない。

本明細書は、物体の比較的小さな領域のみを一度スキャンする方法を記載する。これは、中性子ビームをコーンビーム又は小矩形ビームにコリメートして、対象領域のサイズに映し出すことで達成される。このように、本明細書の最適なＡＰＩ源のシールディング／コリメータの構成は、コリメート化された開口部を通過する中性子以外の中性子及びガンマ線の漏れを非常に少なくするように設計されている。最良の設計の仕様は、適切な物質を備えた大量のシールディング材と長いコリメータとの使用を含んでいる。

図２（ａ）は、高収率ＡＰＩ発生器を備えたシステムの上面概要図を示している。図２（ａ）を参照すると、高コリメート中性子ビーム２０１は、領域２０２を検査するために用いられる。例えば、領域２０２は、貨物２０３の一部である。ビーム２０１は、ＡＰＩ発生器２０４によって生成される。ＡＰＩ発生器２０４は、適切なシールディング及びコリメーティング装置２０５（図２（ｂ）に示される）を伴っている。中性子ビームは、良好にコリメートされ、貨物コンテナの中央の数十ｃｍ範囲の領域などのコンテナの小さな領域を検査する。

一実施の形態において、中性子発生器は、中性子を被疑領域に指向させるために、自身の長軸を中心に回転する。しかしながら、焦点スポット位置（中性子の発生点）を同じ位置に保ち、視差の問題（図４に関して後述）を回避するためには、コリメータを回転させることが好ましい。貨物の他の領域を検査するために、一実施の形態において、コリメータビームそのものが対象の被疑領域に向けられることが必要である。一実施の形態において、コリメータビームは垂直方向に移動される。一実施の形態においては、コリメータビームは回転される。

図２（ｂ）を参照すると、中性子源２２０からの中性子ビームのコリメーションは、一般的に、シールディング構造を用いて達成される。当該シールディング構造は、一実施の形態において、ホウ素含有物質２２２（ホウ素を含有したポリエチレンなど、しかし、これに限定されない）、タングステン２２４及び鉛２２６の組合せである。本明細書においては、ホウ素を含有したポリエチレンの使用について記載したが、本発明の目的を達成する適宜の個数のホウ素含有物質が用いられることを理解すべきである。タングステン層２２４の一部は、金属層２２７と置換可能であり、コスト削減となる。この場合、金属層は、鉄、銅からなるが鉄、銅に限定されない。一実施の形態においては、ホウ素含有ポリエステル層２２２は、２〜５％のホウ素を含有している。一実施の形態において、ホウ素含有ポリエステル層２２２の厚みは、略１５ｃｍである。一実施の形態において、鉛２２６の層は、ホウ素含有ポリエチレン２２２の層の間に設けられており、ランダムコインシデンスを増加させ、さらにバックグラウンドを増加させるシールディングにおいて発生するガンマ線を低減することができる。一実施の形態において、鉛２２６の層の厚みは、２ｃｍである。他の実施の形態において、鉛層がホウ素含有ポリエチレンの間に設けられている構成に対して、鉛層をコリメータの端部に付加することも可能である。しかし、この場合、鉛層をホウ素含有ポリエチレンの間に設ける構成と比較して、コリメータの重量は重くなる。他の実施の形態においては、代替となる高−Ｚ材料（例えば、ビスマス）を鉛の代わりに用いることができる。

追加のシールディング材２２８は、コリメータを囲んでおり、周辺物と共にバックグラウンドを発生させる可能性のある中性子が他の方向へ漏えいすることを低減する。被検査物体２３２及び検出器２３４を横切らないエリアにおけるシールディングは、重量及びコストを考慮して減らしている。漏れ中性子が、バックグラウンドガンマ線を発生する周囲の領域と相互反応することを抑制するために、これらのエリアに存在するシールディングの量は、システムの構造に依存する。しかしながら、一般には、５０ｃｍのオーダである。シールディングは、コリメータと同様の材料、タングステン、スチール、銅（より好ましくはタングステンであるが）、ホウ素含有ポリエステル／鉛の層で構成される。

一実施の形態において、コリメータの全長は、少なくとも７５ｃｍである。他の実施の形態においては、シールディングに対し、多くの量のスチール／銅が使用され、結果としてコリメータの全長は７５ｃｍよりも長くなる。一実施の形態では、コリメータは７５〜１００ｃｍの長さである。しかし、これは、互いに競合する検討事項、コスト、サイズ、パフォーマンス間での交換である。

一実施の形態では、Ｂ１０または同等物２２９は、コリメータ２３０の出口近傍に配置されており、コリメータを通過してシールディングによって吸収されない熱中性子を除去する。

また、ガンマ線検出器２３４は、熱中性子及び熱外中性子の捕捉を阻むために、良好に遮蔽されなければならない。一実施の形態では、Ｂ_４Ｃなどのホウ素含有材料２３８がシールディングに用いられる。一実施の形態では、１５ｍｍのＢ_４Ｃが使用される。一実施の形態では、略３ｍｍの鉛シールディング２３６がホウ素含有シールディング２３８と検出器２３４との間に用いられ、ホウ素の熱中性子捕獲による４７８ｋｅＶのガンマ線を吸収する。追加の熱中性子シールディング２４０が、ＴＵＢを減少させるために、システムの構成部品、コンクリート又はその他の周辺材料を支持する構造材料に付加される。

中性子の発生時を知り、これにより、ガンマ線の発生したスペクトラムのタイミングをとることで、スキャンされた物体の元素構成を深さの関数として測定することができる。

検査領域の断面元素マップは、関連するアルファ粒子の方向を検出し、当該情報を使用して照射された中性子の方向及び位置を特定することで得られる。上述したように、照射された中性子は、アルファ粒子に関して１８０°の角度で放射される。検出器は、ターゲットに対する方向と同様にアルファ粒子に発生時を提供する。さらに、アルファ粒子の軌道の検出において、中性子の移動ラインはアルファ粒子のものと反対であるから、付随する中性子の発生時は、その方向と同時に特定される。発生器からの重陽子がトリチウムターゲットに衝突すると、核反応により、互いに１８０°離れて位置するアルファ粒子と中性子とが発生する。アルファ粒子は、アルファ粒子検出器が近いため、最初に検出される。このように、それが使用されて関連する中性子がどこにあるのかを測定するための時間計測が開始される。仮にｔ＝０で中性子が１０ｃｍのところにあれば、中性子は５ｃｍ／ｎｓで移動するため、ｔ＝１ｎｓでは１５ｃｍのところ、ｔ＝２ｎｓでは２０ｃｍのところにある。従って、このように発生した高速中性子は、時間において方向と同様に「タグ付」（アルファ粒子によって）として規定される。

図２（ａ）に戻って参照すると、アルファ粒子検出器２０６は、ターゲットから離れて且つ１８０°の位置に配置されている。好ましい実施の形態において、アルファ検出器２０６は、コリメートビームと同じ角度範囲を持つようにコリメートされている。このため、アルファ粒子検出器の角度カバレッジは、中性子ビームと対応している。この目的のため、アルファ粒子検出器のサイズは、一実施の形態において、反対方向に移動する関連する中性子の捕獲に要求されるサイズより大きくない。より小さい角度とすると、コリメートされたビーム内の中性子の全てがタグ付けされているとは限らない結果となる。ランダムコインシデンスを回避するためのアルファ粒子の数は、固定されているため、小さいエリアが検査されるとき、より多くの中性子の流れが存在する。これは、展開されたシステムと互換性のある短時間で結果を得ることを許容する。一実施の形態では、アルファ粒子検出器は、マルチセグメント検出器である。

より高い出力のために高重陽子ビーム電流が用いられるとき、ターゲット上のビームのサイズ（焦点スポット）は、１ｃｍ以上とすることができる。高中性子出力を得るために必要な大重陽子電流を使用しながらも、電流密度を低く維持するためには大きな焦点が必要である。この場合、アルファ粒子検出器が近すぎると、コリメータが許容する角度よりも大きな角度で進む中性子に関連したアルファ粒子が検出される。これは、ランダムコインシデンスを増加させ、結果的に高バックグラウンドを招く。アルファ粒子検出器２０６を比較的遠い位置に配置することは、中性子ビームのファジー性を避けることを保証する。これは、一般に、重陽子焦点スポットのサイズが大きいことに起因する中性子の角度の広がりの不確かさと関連している。一実施の形態では、中性子の方向上の焦点スポットのサイズの影響を減少させるため、検出器は、〜２５ｃｍよりも離れた距離のところに配置される。

一実施の形態では、本発明に使用されているＡＰＩ発生器は、高い中性子の発生を提供する。一実施の形態では、中性子の総出力は、略１０^９個／ｓｅｃ以上の範囲である。これは、禁制品の存在の特定又は貨物の潔白の確認（ｃｌｅａｒｉｎｇ）を、略１分以内で可能とする。

図２（ｃ）は、ＡＰＩシステムの端面図を示す。図２（ｃ）を参照すると、中性子ビーム−アルファ粒子イメージングを用いた一般的な用途において発生される幅広の中性子ビーム２１１が示されている。さらには、精密にターゲット２１３をスキャンするために使用される本システム２１５によって発生される幅狭且つ高度にコリメートされたビーム２１２も示されている。

さらには、本発明の小さい角度のアルファ粒子検出器、高コリメート化ビーム、良好な遮蔽性を有する中性子発生器、検出器及びコリメータは、ランダムコインシデンス及びバックグラウンドの低減し、バックグラウンドに対する信号の比率を高くする。

本発明のシステムは、様々な種類の禁制品を正確且つ信頼性の高い方法で検出可能である。図３は、システムが特定可能ないくつかの物質の元素組成を示す表である。列３０１、３０２、３０３及び３０４は、種々の物質における炭素、水素、酸素、窒素の含有量をそれぞれ示している。列３０５及び３０６は、当該種々の物質の酸素に対する炭素の割合（Ｃ／Ｏ）、（Ｎ*Ｏ／Ｃ^２）をそれぞれ示している。これらの割合は、異なった物質の識別及び特定に特に有用である。例えば、酸素に対する炭素の割合（Ｃ／Ｏ）３０５が高い場合、コカイン、ヘロイン、その他のドラッグの存在を示唆する。一方、（Ｎ*Ｏ／Ｃ^２）３０６が高い場合、ほとんどの爆薬の存在を示唆する。他の特徴は、これらの物質と他の対象物質とを識別するために使用される。

一実施の形態では、本発明によるシステムは、貨物の積荷目録の照合のために貨物の選択された領域を検査するように動作されてもよい。この場合、目録が正しいという可能性を提供するために、スキャンされた領域の元素組成は、主張された目録の元素組成と比較される。

好ましい実施形態では、トリチウムターゲットの位置は、一次システムの焦点スポットソースの高さと同じにすべきである。仮に、一次システムが複数のソースを有しているならば、位置は、複数のソースの内の一のソースと同じ高さになる。これは、視差による不確かさを避け、シングルディレクテッドスキャンを用いた被疑領域の取調べを可能とする。

図４は、１次検査ソースと２次検査ソースとが同じ高さでない場合の影響を示している。一次システムのソース４２２は、二次システムのソース４２３とは異なる高さに位置している。一次システムの投射画像は、被疑物体が投影線に沿ったいずれかの深さに位置し得るということを示す。しかしながら、二次ソース４２３が異なった位置にあるため、被疑物体の見落としを防ぐためには、システムはすべての可能性のある位置４３１を検査しなくてはならない。

一次システムが３Ｄイメージを作成する場合、トリチウムターゲットの位置は、あまり問題とならない。この場合、オペレータ又は自動検出アルゴリズムが三次元空間の被疑領域を示し、ビームはこの領域に指向される。さらなる実施の形態では、物体は最適な角度に回転され且つ最高レベル信号を得るための方法で並進され、当該領域が調査される。違った角度での多重の調査も可能である。

本発明の中性子ベースの検査システムは、検査のために再配置される必要がある場合と同様にモバイルアプリケーションとして使用される。またシステムは、ガントリ構造又はポータル構造に適し、且つ、貨物又は車の検査に適している。

上記実施の形態は、本発明のシステムの多数の用途を例示したにすぎない。本発明の実施の形態をいくつか記載したが、本発明は、本発明の要旨又は範囲から逸脱せずに他の多くの形態で実施されることを理解すべきである。従って、本発明の実施の形態は、例示であって、限定的に解釈すべきではない。

１０１…イオン発生源 １０２…イオンセレクタ １０３…偏向板 １０４…スリット １０６…トリチウムターゲット １０７…コリメータ １０８…被疑領域 １０９…ガンマ線検出器 １１０…重水素イオンビーム １１２…ハードウェア ２０１…高コリメート中性子ビーム ２０２…領域 ２０３…貨物 ２０４…発生器 ２０５…コリメーティング装置 ２０６…アルファ粒子検出器 ２１１…中性子ビーム ２１２…ビーム ２１３…ターゲット ２２０…中性子源 ２２２…ホウ素含有ポリエステル層 ２２４…タングステン層 ２２８…シールディング材 ２３０…コリメータ ２３４…ガンマ線検出器 ２３６…鉛シールディング ２３８…ホウ素含有シールディング ２４０…熱中性子シールディング ４２２、４２３…ソース

Claims (10)

1. 物体の被疑領域を検査するための検査システムであって、
   該被疑領域は、数１０ｃｍの範囲であり、
   中性子及び対応するアルファ粒子を発生するｄ−Ｔ中性子発生器と、
   該中性子を該被疑領域に向かうように指向させる中性子ビームコリメータと、
   該被疑領域に対して１８０°の位置に設置され、アルファ粒子を検出し中性子の発生時を特定するアルファ粒子検出器と、
   中性子と該被疑領域との相互反応の後に発生するガンマ線を検出するガンマ線検出器と、
   該中性子の発生時及び該発生したガンマ線の時間スペクトルに基づく深さの関数として該被疑領域の元素組成を特定するためのプロセッシングユニットと、を備え、
   該コリメータは、該コリメータにおいて発生するガンマ線及び漏れ中性子を低減するためにホウ素含有ポリエステル、タングステン、スチール、銅及び鉛のうちの少なくとも一つを含む層を用いてシールドされており、
   該アルファ粒子検出器は、該中性子ビームコリメータと実質的に同一な角度開口にコリメートされ、
   該ガンマ線検出器は、熱中性子及び熱外中性子捕獲の発生を防ぐためにシールドされていることを特徴とする検査システム。
2. 該中性子発生器の全中性子出力は、１０^９個／秒の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の検査システム。
3. 高重陽子ビーム電流が用いられる場合、ターゲット上に衝突する該ビームのサイズは、少なくとも１ｃｍであることを特徴とする請求項１に記載の検査システム。
4. 該アルファ粒子検出器は、ターゲットから２５ｃｍの範囲の距離に位置していることを特徴とする請求項１に記載の検査システム。
5. 該アルファ粒子検出器は、マルチセグメント検出器を含むことを特徴とする請求項１に記載の検査システム。
6. 該中性子発生器は、中性子を該被疑領域に指向させるために、自身の長軸に沿って回転することを特徴とする請求項１に記載の検査システム。
7. 該中性子発生器は、コリメートビーム以外の放射を低減し、さらにバックグランドを低減するためにシールドされており、
   該シールディングの全厚さは、略５０ｃｍであることを特徴とする請求項１に記載の検査システム。
8. 該システムは、一次検査システムによる検査の後、二次検査用に使用されることを特徴とする請求項１に記載の検査システム。
9. 該コリメータの全長は、少なくとも７５ｃｍであることを特徴とする請求項１に記載の検査システム。
10. 該システムは、一次検査サブシステム及び二次検査サブシステムに基づいており、
    被疑領域は、一次システム又はオペレータによって特定され、
    コリメートされた中性子を用いて該被疑領域を検査する検査のために、検査下の物体の最適な位置及び回転角度を決定するためにアルゴリズムが使用されることを特徴とする請求項１に記載の検査システム。

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