JP2009047559A - Method and apparatus for detecting nitrogen-containing compound - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、中性子を利用した窒素含有化合物の検知方法および装置に関し、例えば、１０．８ＭｅＶガンマ線による対生成反応を利用したガンマ線（γ線）飛来方向測定原理に基づく地雷等の爆薬物検知方法および装置に関する。 The present invention relates to a method and apparatus for detecting a nitrogen-containing compound using neutrons, for example, a method for detecting explosives such as landmines based on the principle of gamma ray (γ ray) flight direction measurement using a pair production reaction with 10.8 MeV gamma rays, and the like. Relates to the device.
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、土壌に金属類を多く含む場合に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。金属探知法による地雷の発見率は、５００〜１０００回に１回程度、有人による探知はせいぜい１日当たり１平方メートルとも言われている。
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）。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場合には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。
金属探知とレーダー探知を併用した探知器も提言されている（特許文献２）。
Conventionally, as a landmine detection method, a metal detection method or a radar detection method is known.
In the metal detection method, there is a problem that there are many false detections when the soil contains a lot of metals, and since many antipersonnel mines in recent years are covered with plastic or wooden containers, the detection accuracy is extremely high. Low. It is said that the detection rate of landmines by the metal detection method is about once every 500 to 1,000 times, and detection by manned is at most 1 square meter per day.
The radar detection method is performed by a radar exploration device that transmits radio waves to the ground and receives reflected waves of the transmitted radio waves to search for buried objects (for example, Patent Document 1). However, the radar detection method has a problem that it is difficult to discriminate when stones or foreign objects similar in shape to antipersonnel landmines are buried, and a problem that it is easily affected by moisture contained in the soil.
A detector using both metal detection and radar detection has also been proposed (Patent Document 2).
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と識別する地雷探知法が提言されるようになった。自然界には地雷のような形以外では土壌中において窒素が高い数密度で存在することは無いこと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、地雷爆薬中の窒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ガンマ線を測定することで地中の地雷探知を行う。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、元素によって決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）。より詳細には、爆薬中の窒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。
また、可搬型の強力なＤＤ核融合中性子源が開発されたことで、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、地雷の位置を把握することも可能である。
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、特許文献３および４に開示されるものがある。因みに、現在は、１０８ｎ／ｓの２．４５ＭｅＶ中性子を生成することも実現されている。
In addition, the development of a portable and powerful DD fusion neutron source has brought the mine detection method (hereinafter referred to as “neutron detection method”) based on a new principle to the realization stage. FIG. 1 is a conceptual diagram of a landmine detection method using a portable neutron source. According to the neutron detection method, it is also possible to grasp the position of landmines.
As fusion neutron sources capable of obtaining a neutron flux suitable for landmine detection, there are those disclosed in Patent Documents 3 and 4. Incidentally, at present, generation of 2.45 MeV neutrons of 10 8 n / s has also been realized.
爆発物や禁制薬物の構成元素（例えば、炭素、酸素、窒素など）の元素含有量が、他の物質と差別化できることから、これらの元素の含有量を測定することで、爆発物や禁制薬物を検知する搬送装置としては、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、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った。 In the neutron detection method, gamma rays are also generated from elements other than nitrogen in the soil. Therefore, it is important to reduce or eliminate gamma rays from elements other than nitrogen in order to measure the position of hazardous materials. . However, until now, it has been difficult to reduce or eliminate gamma rays from elements other than nitrogen, and it has been necessary to collect a huge amount of data and perform long-term analysis work.
ところで、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検出するものである。図２はコンプトンカメラの原理を示したものである。シンチレータＳ１に入射したガンマ線４は、シンチレータＳ１内でコンプトン散乱を起こす。コンプトン散乱によりシンチレータＳ１内でエネルギーＥ１を付与したガンマ線４が、シンチレータＳ２で相互作用して全エネルギーＥ２を付与した場合、下記の式２に基づきガンマ線４の散乱場所とエネルギーの関係から、入射ガンマ線４の方向がコーン状（イベントリング）に制限でき、複数のガンマ線４についてイベントリングの交点を求めることにより（図２ｂ参照）、ガンマ線源の位置および各ガンマ線の入射エネルギーを算出することができる。
The Compton type scintillation detector detects gamma rays by a Compton type detector constructed by stacking BGO scintillators on a rod. FIG. 2 shows the principle of the Compton camera. The gamma rays 4 incident on the scintillator S1 cause Compton scattering in the scintillator S1. When the gamma rays 4 imparted with energy E1 in the scintillator S1 by Compton scattering interact with the scintillator S2 and impart total energy E2, the incident gamma rays are calculated from the relationship between the scattering location and the energy of the gamma rays 4 based on the following formula 2. The direction of 4 can be limited to a cone (event ring), and by obtaining the intersection of event rings for a plurality of gamma rays 4 (see FIG. 2b), the position of the gamma ray source and the incident energy of each gamma ray can be calculated.
しかし、従来のコンプトン型シンチレーション検出器では、円錐状の領域の範囲にあ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するためには、膨大な量のデータを収集する必要があった。 However, the conventional Compton scintillation detector could only detect that it was in the conical region, so a huge amount of data was collected to extract only gamma rays caused by nitrogen with reliable accuracy. There was a need to do.
また、コンプトン方式では円錐状の入射軸不定性や検出器内での多重散乱などの原理的な問題があり、他の元素からのバックグラウンドを除去するのに原理的に大きな困難を伴っている。すなわち、イベントリングの重ね合わせによる位置不定性が生じる誤差を避けられず、しかも入射エネルギーが１０．８ＭｅＶと高い場合には、複雑な多重散乱や検出器外へ抜け出すイベントが非常に多いという問題がある。図３に示すように、ガンマ線と電子との衝突により、ガンマ線のエネルギーの一部を電子に与えて、波長が変化するコンプトン散乱（多重散乱）が生ずるが、コンプトン電子がガンマ線検出器外ヘエスケープしてしまうという問題があった。 In addition, the Compton method has fundamental problems such as conical incident axis ambiguity and multiple scattering in the detector, and it is in principle a great difficulty to remove the background from other elements. . That is, there is a problem that an error that causes indeterminacy due to superposition of event rings is unavoidable, and when the incident energy is as high as 10.8 MeV, there are a lot of complicated multiple scattering and events that escape from the detector. is there. As shown in FIG. 3, the collision of gamma rays and electrons gives part of the energy of the gamma rays to the electrons, resulting in Compton scattering (multiple scattering) in which the wavelength changes. There was a problem of doing.
ＬＡＴ検出器は、図４に示す構成であり、１０ＧｅＶ〜１００ＧｅＶの高エネルギーのガンマ線を検出することができる。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。 The LAT detector has the configuration shown in FIG. 4 and can detect high-energy gamma rays of 10 GeV to 100 GeV. The charged particle track measurement unit consists of a silicon detector (silicon strip detector) with 18 layers of thin electrodes of several hundreds of microns wide and a tungsten sheet. The electromagnetic calorimeter that measures energy is cesium iodide. It consists of fine blocks of scintillator. However, the LAT detector cannot measure the incident direction of gamma rays of several to several tens MeV.
本発明は、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できる、中性子探知法による窒素含有化合物の検知方法および装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a method and an apparatus for detecting a nitrogen-containing compound by a neutron detection method that can reduce or eliminate gamma rays from elements other than nitrogen.
発明者は、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、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位置を探索することを可能とした。すなわち、測定の対象となるエネルギーを、窒素に対する中性子捕獲反応により生成した１０．８ＭｅＶガンマ線のみに限定することにより、窒素含有化合物を検知することを可能とした。 The inventor pays attention to the fact that the pair production reaction is dominant (more than 50%) compared to the Compton reaction above a specific energy, and measures the energy spectrum for each event as in the past. In addition, by capturing the traces of electrons and positrons generated by the pair production reaction, it is possible to estimate the incident gamma ray energy and the direction of flight, and to search for the presence and location of explosives more accurately. That is, by limiting the energy to be measured to only 10.8 MeV gamma rays generated by neutron capture reaction for nitrogen, it was possible to detect nitrogen-containing compounds.
すなわち、第１の発明は、窒素に起因するガンマ線に基づき窒素含有化合物を検知する方法であって、被検知領域に中性子を照射し、低密度のシンチレータおよび光電子増倍管を備える第１のシンチレーション検出器により被検知領域からのガンマ線を測定し、第１のシンチレーション検出器に連接し、複数層からなる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により第１のシンチレーション検出器を透過した荷電粒子を測定し、低密度のシンチレータおよび光電子増倍管を備える第２のシンチレーション検出器により荷電粒子二次元位置検出器を透過したガンマ線を測定し、（ア）前記第１および第２のシンチレーション検出器から同時に信号が検出された場合において、（イ）荷電粒子二次元位置検出器に荷電粒子の２つの飛跡が検出され、且つ、当該２つの飛跡が所定の角度を構成する場合には、対生成反応が生じたと判定し、当該２つの飛跡から窒素に起因するガンマ線の入射方向を算出することを特徴とする窒素含有化合物の検知方法である。
第２の発明は、第１の発明において、検出対象となるガンマ線が１０．８ＭｅＶのガンマ線であることを特徴とする。
第３の発明は、第１または２の発明において、前記荷電粒子二次元位置検出器は、３層以上のガス式ドリフトチェンバーを備えることを特徴とする。
第４の発明は、第１、２または３の発明において、前記第１のシンチレーション検出器、前記第２のシンチレーション検出器、および前記荷電粒子二次元位置検出器を複数設け、危険物の位置を計測することを特徴とする。
第５の発明は、１ないし４のいずれかの発明において、窒素含有化合物が、爆薬物であることを特徴とする。
That is, the first invention is a method for detecting a nitrogen-containing compound based on gamma rays caused by nitrogen, and is a first scintillation that irradiates a detection region with neutrons and includes a low-density scintillator and a photomultiplier tube. Gamma rays from the detection area were measured by a detector, connected to the first scintillation detector, and passed through the first scintillation detector by a charged particle two-dimensional position detector having a gas drift chamber consisting of a plurality of layers. Charged particles are measured, gamma rays transmitted through the charged particle two-dimensional position detector are measured by a second scintillation detector having a low-density scintillator and a photomultiplier tube, and (a) the first and second scintillations. When signals are simultaneously detected from the detector, (a) charged particle two-dimensional position detector When two tracks are detected and the two tracks form a predetermined angle, it is determined that a pair production reaction has occurred, and calculating the incident direction of gamma rays due to nitrogen from the two tracks. This is a characteristic method for detecting a nitrogen-containing compound.
According to a second aspect, in the first aspect, the gamma ray to be detected is a 10.8 MeV gamma ray.
According to a third invention, in the first or second invention, the charged particle two-dimensional position detector includes a gas drift chamber having three or more layers.
According to a fourth invention, in the first, second, or third invention, a plurality of the first scintillation detector, the second scintillation detector, and the charged particle two-dimensional position detector are provided, and the position of the dangerous substance is determined. It is characterized by measuring.
According to a fifth invention, in any one of the inventions 1 to 4, the nitrogen-containing compound is an explosive drug.
第６の発明は、中性子を照射する中性子照射手段と、荷電粒子二次元位置検出器と、第１および第２のシンチレーション検出器と、処理部とを備え、窒素に起因するガンマ線に基づき窒素含有化合物を検知する窒素含有化合物の検知装置であって、第１のシンチレーション検出器は、荷電粒子によって励起される低密度のシンチレータと、光電子増倍管とを備え、第２のシンチレーション検出器は、荷電粒子によって励起される低密度のシンチレータと、光電子増倍管とを備え、荷電粒子二次元位置検出器は、第１のシンチレーション検出器の有するシンチレータと第２のシンチレーション検出器の有するシンチレータに挟まれた複数層からなるガス式ドリフトチェンバーとを備え、処理部は、（ア）前記第１および第２のシンチレーション検出器から同時に信号が検出された場合において、（イ）荷電粒子二次元位置検出器に荷電粒子の２つの飛跡が検出され、且つ、当該２つの飛跡が所定の角度を構成する場合には、対生成反応が生じたと判定し、当該２つの飛跡から窒素に起因するガンマ線の入射方向を算出することを特徴とする窒素含有化合物の検知装置である。
第７の発明は、第６の発明において、検出対象となるガンマ線が１０．８ＭｅＶのガンマ線であることを特徴とする。
第８の発明は、第６または７の発明において、前記荷電粒子二次元位置検出器は、３層以上のガス式ドリフトチェンバーを備えることを特徴とする。
第９の発明は、第６、７または８の発明において、前記第１のシンチレーション検出器、前記第２のシンチレーション検出器、および前記荷電粒子二次元位置検出器を複数設け、前記処理部が危険物の位置を計測することを特徴とする。
第１０の発明は、６ないし９のいずれかの発明において、窒素含有化合物が、爆薬物であることを特徴とする。
A sixth invention includes a neutron irradiation means for irradiating neutrons, a charged particle two-dimensional position detector, first and second scintillation detectors, and a processing unit, and contains nitrogen based on gamma rays caused by nitrogen. A nitrogen-containing compound detection device for detecting a compound, wherein the first scintillation detector includes a low-density scintillator excited by charged particles and a photomultiplier tube, and the second scintillation detector is A low-density scintillator excited by charged particles and a photomultiplier tube are provided, and the charged particle two-dimensional position detector is sandwiched between the scintillator included in the first scintillation detector and the scintillator included in the second scintillation detector. A gas drift chamber composed of a plurality of layers, and the processing unit includes (a) the first and second scintillations. When signals are simultaneously detected from the output device, (a) when two tracks of charged particles are detected by the charged particle two-dimensional position detector and the two tracks form a predetermined angle, It is a nitrogen-containing compound detection device that determines that a pair production reaction has occurred and calculates the incident direction of gamma rays caused by nitrogen from the two tracks.
According to a seventh aspect, in the sixth aspect, the gamma ray to be detected is a 10.8 MeV gamma ray.
An eighth invention is characterized in that, in the sixth or seventh invention, the charged particle two-dimensional position detector comprises a gas drift chamber having three or more layers.
A ninth invention is the sixth, seventh or eighth invention, wherein a plurality of the first scintillation detector, the second scintillation detector, and the charged particle two-dimensional position detector are provided, and the processing unit is dangerous. It is characterized by measuring the position of an object.
A tenth invention is characterized in that, in any one of the inventions 6 to 9, the nitrogen-containing compound is an explosive drug.
本発明によれば、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を低減ないしは除去することで、窒素含有化合物を高精度に探知することが可能となる。
また、窒素に起因するガンマ線の入射方向を算出できるため、窒素含有化合物の位置を計測することが可能となる。
According to the present invention, it is possible to detect a nitrogen-containing compound with high accuracy by reducing or removing gamma rays that are a background from elements other than nitrogen.
In addition, since the incident direction of gamma rays caused by nitrogen can be calculated, the position of the nitrogen-containing compound can be measured.
最良の形態の本発明は、土壌中に埋設された爆薬物を探知するための危険物検知装置に関する。爆薬物の組成物としては、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化合物である。表１に主な爆薬物における窒素の含有率を示す。 The present invention in the best mode relates to a dangerous substance detection device for detecting explosives embedded in soil. Compositions explosive material, TNT (molecular formula: C 7 H 5 N 3 O 6), RDX ( molecular formula: C 3 H 6 N 6 O 6), pentaerythritol tetranitrate (molecular formula: C (CH 2 ONO 2) 4) Are known, but all are compounds containing nitrogen (N) at a high rate. Table 1 shows the nitrogen content in the main explosives.
土壌中に埋設された爆薬物を探知するためには、土壌中や爆薬物中に含まれる他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は、非特許文献１に記載された、主な元素において放出されるガンマ線のエネルギーである。
As described above, the energy of gamma rays emitted by the neutron capture reaction is determined by the element. Table 2 shows the energy of gamma rays emitted in main elements described in Non-Patent Document 1.
本発明においては、１０．８ＭｅＶガンマ線のみを補足することにより、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のは、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ためである。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。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の差異しかないガンマ線を特定するのは困難である。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、窒素に起因するものであることを識別可能である。 In the present invention, by supplementing only 10.8 MeV gamma rays, it is possible to remove or reduce other background gamma rays. As shown in Table 2, there are a plurality of gamma-ray energies emitted from nitrogen, but only 10.8 MeV gamma rays are captured because the gamma rays irradiated to the scintillator have an energy loss of about 10%. If gamma rays other than 10.8 MeV (for example, 5.562 Mev gamma rays) are captured, assuming that a loss of about 10% occurs, the gamma rays are caused by nitrogen or by carbon. There is a possibility that it is impossible to determine whether or not there is. In the current technology, it is difficult to specify a gamma ray having only a difference of several Mev from the gamma rays shown in Table 2. With a 10.8 MeV gamma ray, even if a loss of 10% occurs, it can be identified that it is caused by nitrogen.
また、ガンマ線エネルギーの増加とともに対生成反応率が上昇することも理由の一つである。特に１０Ｍｅｖ以上ではコンプトン散乱よりも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反応率が上昇するという利点もある。 Another reason is that the reaction rate of pair production increases as the gamma ray energy increases. In particular, at 10 Mev or more, the pair production reaction is more dominant than Compton scattering, and there is an advantage that the reaction rate is increased as compared with other low energy gamma rays.
中性子源からは、１０５ｎ／ｓｅｃ以上の中性子を照射する。対象とするエネルギー領域は、熱中性子以上のエネルギーである。中性子を照射する中性子源は、例えば、ＤＤ核融合炉や２５２Ｃｆなどが開示されるがこれに限定されない。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、エネルギーの強度はそれほど関係が無いため、ＤＴ核融合炉であってもよい。 A neutron source emits neutrons of 10 5 n / sec or more. The target energy region is energy higher than thermal neutrons. Examples of neutron sources for irradiating neutrons include, but are not limited to, a DD fusion reactor and 252 Cf. Landmines are usually buried at several tens of centimeters from the surface of the earth. However, as long as the depth is about that level, the intensity of energy is not so relevant, so a DT fusion reactor may be used.
図５は、本発明の荷電粒子二次元位置検出器の概要構成図である。シンチレータ１１とシンチレータ１２の間には、複数のセル７を備えるガス式のドリフトタイプ放射線検出器が設けられている。ガス式としたのは、固体式にすると電子が散乱してしまうからである。各セル７には、アノード９が各１個設けられており、Ｘ方向の位置を検出するためのセルと、Ｙ方向位置を検出するためのセルが交互に重ねられている。充填するガスとしては、安定したガスが好ましく、ヘリウムやドリフト電子の速度を振動などで吸収可能な分子構造を持つメタンなどのガスを添加したものが例示される。振動で吸収するガスを添加するのはドリフト速度が一定以上でないと、連続的に入射されるガンマ線を経時的に測定することができないからである。なお、カソード８と抵抗Ｒは、上下左右対称に配置されている。 FIG. 5 is a schematic configuration diagram of the charged particle two-dimensional position detector of the present invention. Between the scintillator 11 and the scintillator 12, a gas type drift type radiation detector having a plurality of cells 7 is provided. The gas type is because electrons are scattered when the solid type is used. Each cell 7 is provided with one anode 9, and cells for detecting the position in the X direction and cells for detecting the position in the Y direction are alternately stacked. As the gas to be filled, a stable gas is preferable, and a gas to which helium or a gas such as methane having a molecular structure capable of absorbing the velocity of drift electrons by vibration or the like is added is exemplified. The gas absorbed by vibration is added because gamma rays that are continuously incident cannot be measured over time unless the drift velocity is higher than a certain value. The cathode 8 and the resistor R are arranged symmetrically in the vertical and horizontal directions.
シンチレータ１１に入射されたガンマ線は光に変換され、図示しない光電子増倍管１６により電子に変換増幅され、電気信号として取り出される。シンチレータ１１は電子・陽電子が透過するよう低密度のもの（スチルベン、アントラセンなどの有機結晶やプラスチックからなるもの）を用いて構成する。
シンチレータ１１を透過した荷電粒子がセル７を通過すると、その飛跡上に初期電離電子が生成される。ここで、セル７内の空間に電界Ｅをかけておくと、電子はその電界の向きと逆方向に運動を行い、最終的にアノード９に到達する。このときの電荷を図示しない電荷有感型プリアンプで増幅して電気信号として検出する。ドリフト開始時間からアノード９に到達するまでの時間（ドリフト時間）からドリフト距離を算出することにより、入射位置を推定することが可能である。
シンチレータ１２に入射されたガンマ線は光に変換され、図示しない光電子増倍管１７により電子に変換増幅され、電気信号として取り出される。シンチレータ１２も電子・陽電子をはじくことが無いよう低密度のもの（シンチレータ１１と同じもの）を用いて構成する。
The gamma rays incident on the scintillator 11 are converted into light, converted and amplified into electrons by a photomultiplier tube 16 (not shown), and taken out as an electric signal. The scintillator 11 is configured using a low-density scintillator 11 (made of an organic crystal such as stilbene or anthracene or plastic) so that electrons and positrons are transmitted.
When charged particles that have passed through the scintillator 11 pass through the cell 7, initial ionization electrons are generated on the tracks. Here, when an electric field E is applied to the space in the cell 7, the electrons move in the direction opposite to the direction of the electric field and finally reach the anode 9. The charge at this time is amplified by a charge-sensitive preamplifier (not shown) and detected as an electric signal. The incident position can be estimated by calculating the drift distance from the time from the drift start time to the arrival at the anode 9 (drift time).
The gamma rays incident on the scintillator 12 are converted into light, converted and amplified into electrons by a photomultiplier tube 17 (not shown), and taken out as an electric signal. The scintillator 12 is also configured using a low-density one (same as the scintillator 11) so as not to repel electrons and positrons.
窒素に起因するガンマ線の入射方向を算出するための手順について説明する。
光電子増倍管１６と光電子増倍管１７により記録された電気信号に基づき、１０．８ＭｅＶガンマ線であると認められる信号を抽出する情報処理を行う。ここで、光電子増倍管１６と光電子増倍管１７にほぼ同じタイミングの電気信号が生成された場合には、当該電気信号を対生成反応判定の候補とする。同時に生じた信号のみを抽出するのは、シンチレータ１１には複数のエネルギーのガンマ線が連続的に入射されるためである。この場合において、荷電粒子二次元位置検出器により２つの荷電粒子が検出された場合は対生成反応であると判定し、１つの荷電粒子が検出された場合はコンプトン反応であると判定する。対生成反応と判定された場合には、電子と陽電子が構成する角θを算出する。θの理論値は、ガンマ線のエネルギーの強さと相関関係があるためである。２つの荷電粒子の飛跡が所定の角度（約３度）を構成し、且つ、同時に検出されたエネルギー量が１０．８ＭｅＶに近い値（予め設定したしきい値以上）である場合には、２つの通過した荷電粒子の飛跡からガンマ線の入射方向を算出する。
本発明の危険物検知装置によれば、ガンマ線の入射方向を算出することができるため、該装置を複数設けることで、三角測量の要領で爆薬物の深さを計測することも可能となる。
A procedure for calculating the incident direction of gamma rays resulting from nitrogen will be described.
Based on the electrical signals recorded by the photomultiplier tube 16 and the photomultiplier tube 17, information processing for extracting a signal recognized as 10.8 MeV gamma ray is performed. Here, when an electrical signal with substantially the same timing is generated in the photomultiplier tube 16 and the photomultiplier tube 17, the electrical signal is set as a candidate for pair generation reaction determination. The reason why only the simultaneously generated signals are extracted is that a plurality of gamma rays of energy are continuously incident on the scintillator 11. In this case, when two charged particles are detected by the charged particle two-dimensional position detector, it is determined as a pair production reaction, and when one charged particle is detected, it is determined as a Compton reaction. When it is determined that the reaction is a pair production reaction, an angle θ formed by electrons and positrons is calculated. This is because the theoretical value of θ is correlated with the intensity of gamma ray energy. When tracks of two charged particles form a predetermined angle (about 3 degrees) and the energy amount detected at the same time is a value close to 10.8 MeV (a predetermined threshold value or more), 2 The incident direction of gamma rays is calculated from the tracks of the two charged particles that have passed.
According to the dangerous substance detection apparatus of the present invention, since the incident direction of gamma rays can be calculated, it is possible to measure the depth of explosives in the manner of triangulation by providing a plurality of such apparatuses.
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。 Hereinafter, details of the present invention will be described by way of examples, but the present invention is not limited to the examples.
本実施例は、１０．８ＭｅＶガンマ線による対生成反応を利用したガンマ線飛来方向測定原理に基づく地雷探知器に関する。
本実施例の地雷探知器は、図１に示す従来型の地雷探知器と同様に、可搬型中性子源１とガンマ線検出器６とから構成される。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ため、以下では説明を省略する。
The present embodiment relates to a mine detector based on the principle of measuring the gamma ray arrival direction using the pair production reaction with 10.8 MeV gamma rays.
The mine detector of the present embodiment is composed of a portable neutron source 1 and a gamma ray detector 6 in the same manner as the conventional mine detector shown in FIG. The portable neutron source 1 and the gamma ray detector 6 are housed in a casing provided with wheels and the like, and are configured to be movable. However, since a known technique can be applied to the casing, a description will be given below. Is omitted.
（１）中性子発生手段１
本実施例で用いる中性子発生手段１は、公知の中性子源であり、例えば、特許文献３に開示される公知の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、イオンビーム同士を衝突させて核融合反応を得る。その際、以下の式３に示す反応により高エネルギーの中性子が発生する。
The neutron generating means 1 used in the present embodiment is a known neutron source, and for example, a known DD fusion reactor disclosed in Patent Document 3 is used. The neutron generating means 1 installs a grid-like spherical cathode at the center of the spherical anode, converges ions generated by the discharge between the electrodes to the center by an electric field, and collides the ion beams to obtain a fusion reaction. At that time, high-energy neutrons are generated by the reaction shown in the following Equation 3.
（２）ガンマ線検出器６
図６は、本実施例のガンマ線検出器６の構成図を示したものである。本実施例のガンマ線検出器６は、電磁シャワーモンテカルロ計算コードＥＧＳ４を用いたシミュレーションに基づき最適に設計されている。
《シンチレータ１１，１２》
シンチレータ１１は、厚さを約１ｃｍのプラスチック・シンチレータである。シンチレータ１１の厚さを肉薄としたのは、荷電粒子を通過させる必要があるからである。シンチレータ１１で対生成を起こすためには密度の大きいＢＧＯなどのシンチレータが適しているが、生成した電子・陽電子は散乱の影響を大きく受けるため、密度の低いスチルベン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もの（密度１．０３２〜１．２５ｇ／ｃｍ３）が好適である。
シンチレータ１１では、シンチレータ内部で電子・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。
ＥＧＳ４を用いたシミュレーションによれば、スチルベンシンチレータ中で１０．８ＭｅＶ入射ガンマ線のうち２％程度が、コンプトンなどの何らかの相互作用を起こし、これらの相互作用のうち２２％程度が対生成を起こすことがわかった。本実施例の構成によれば、１０．８ＭｅＶと高いエネルギー領域での対生成を利用するにもかかわらず、従来のコンプトン方式と比べ、同程度の検出効率を実現することが可能である。
(2) Gamma ray detector 6
FIG. 6 shows a configuration diagram of the gamma ray detector 6 of the present embodiment. The gamma ray detector 6 of the present embodiment is optimally designed based on a simulation using the electromagnetic shower Monte Carlo calculation code EGS4.
<< Scintillator 11, 12 >>
The scintillator 11 is a plastic scintillator having a thickness of about 1 cm. The reason why the thickness of the scintillator 11 is thin is that it is necessary to pass charged particles. A scintillator such as BGO having a high density is suitable for causing pair generation in the scintillator 11, but the generated electrons and positrons are greatly affected by scattering, and therefore, a stilbene scintillator having a low density is preferably used. Applied Koken Kogyo Co., Ltd. (density 1.032 to 1.25 g / cm 3 ) is preferred.
In the scintillator 11, electrons and positrons are generated inside the scintillator, and at the same time, light emission proportional to the energy imparted by the charged particles occurs.
According to the simulation using EGS4, about 2% of the 10.8 MeV incident gamma rays in the stilbene scintillator cause some kind of interaction such as Compton, and about 22% of these interactions cause pair production. all right. According to the configuration of the present embodiment, it is possible to achieve detection efficiency comparable to that of the conventional Compton method, despite using pair generation in a high energy region of 10.8 MeV.
シンチレータ１２は、シンチレータ１１と同様にプラスチック・シンチレータにより構成する。シンチレータ１２は、荷電粒子を透過させる必要が無いため、シンチレータ１１と比べ肉厚の方が好ましい。本実施例では、５ｃｍ程度の厚さとした。
シンチレータ１１で生成した電子・陽電子の対はガスで充填された空間である後述のドリフトチェンバー１３〜１５を通過してシンチレータ１２へ入射される。
シンチレータ１１および１２は、光電子増倍管１６および１７に接続される。
The scintillator 12 is composed of a plastic scintillator in the same manner as the scintillator 11. Since the scintillator 12 does not need to transmit charged particles, the scintillator 12 is preferably thicker than the scintillator 11. In this embodiment, the thickness is about 5 cm.
The pair of electrons and positrons generated by the scintillator 11 is incident on the scintillator 12 after passing through drift chambers 13 to 15 described later, which are spaces filled with gas.
Scintillators 11 and 12 are connected to photomultiplier tubes 16 and 17.
《ドリフトチェンバー１３〜１５》
ドリフトチェンバー１３〜１５は、荷電粒子を検知するためのガス式の荷電粒子二次元位置検出器である。ドリフトチェンバー１３〜１５の位置分解能は数百μｍ程度である。ガス式のものとするのは、固体式のものだと荷電粒子が散乱してしまうためである。本実施例におけるガス層の厚さは約８ｃｍであり、ヘリウムガスを充填した。なお、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、数％のメタンガスを加えてもよい。
本実施例ではこの２次元ドリフトチャンバーを３層重ねて使用するが、複数層であればよくこの構成に限定されない。但し、電子・陽電子の飛跡を測定するためには、３層以上であることが好ましい。
<< Drift Chamber 13-15 >>
The drift chambers 13 to 15 are gas-type charged particle two-dimensional position detectors for detecting charged particles. The position resolution of the drift chambers 13 to 15 is about several hundred μm. The reason why the gas type is used is that charged particles are scattered when the solid type is used. In this example, the thickness of the gas layer was about 8 cm and was filled with helium gas. In order to reduce the influence of scattering by the electron / positron gas, several percent of methane gas may be added.
In this embodiment, the two-dimensional drift chamber is used in a three-layered manner, but it is not limited to this configuration as long as it has a plurality of layers. However, in order to measure the tracks of electrons and positrons, three or more layers are preferable.
ドリフトチェンバー１３〜１５は、対生成により同時刻に生成した電子・陽電子を測定するためにシンチレータ１１の後方に設置する。ドリフトチェンバー１３〜１５は、ドリフト領域を通過した荷電粒子の位置情報を二次元的に測定することができる。すなわち、各ドリフトチェンバーは、Ｘ方向の位置を検出するためのセルと、Ｙ方向位置を検出するためのセルとから構成されている。
各ドリフトチェンバーのドリフト領域には電界がかけられており、荷電粒子がガス中を通過する際、電離する電子をドリフトさせ、アノードで収集して電気信号に変換して探知する。初期電離電子がアノードまでドリフトする時間（ドリフト時間）から荷電粒子の通過位置を測定することができる。初期電離電子を収集するアノードワイヤーは入射軸に対して直角に張られておりその周囲にフィールドワイヤーと呼ばれる電界を均一にするワイヤーから構成される。
ガンマ線のエネルギー領域ごとに生成した電子・陽電子の角度は決まっており、１０．８ＭｅＶガンマ線の場合は約３度である。各ドリフトチェンバーからのドリフト時間情報を記憶装置に記憶する。
The drift chambers 13 to 15 are installed behind the scintillator 11 in order to measure electrons and positrons generated at the same time by pair generation. The drift chambers 13 to 15 can two-dimensionally measure the position information of the charged particles that have passed through the drift region. That is, each drift chamber is composed of a cell for detecting a position in the X direction and a cell for detecting a position in the Y direction.
An electric field is applied to the drift region of each drift chamber, and when charged particles pass through the gas, electrons that are ionized are drifted, collected at the anode, converted into an electric signal, and detected. The passing position of the charged particles can be measured from the time (drift time) when the initial ionization electrons drift to the anode. The anode wire that collects initial ionization electrons is stretched at a right angle to the incident axis, and is composed of a wire that makes a uniform electric field called a field wire around the anode wire.
The angle of electrons and positrons generated for each energy region of gamma rays is determined, and is about 3 degrees in the case of 10.8 MeV gamma rays. The drift time information from each drift chamber is stored in the storage device.
《処理部２０》
処理部２０は、時間記録モジュール２１、同時計測モジュール２２、波高記録モジュール２３、増幅器２４（図示せず）、および記憶装置２５（図示せず）を備える。
光電子増倍管１６および１７からアナログ電気信号として出力された波形信号は、増幅器２４により増幅され、同時計測モジュール２２および波高記録モジュール２３に入力される。この際、光電子増倍管１６および１７からの電気信号は、時間記録モジュール１８からの時間信号と関連づけて記憶される。
同時計測モジュール２２は波高記録モジュール２３と接続されており、図示しないＡ／Ｄコンバータ２６を介して信号の送受信が行われる。また、同時計測モジュール２２の出力はドリフトチェンバー１３〜１５のスタート信号に利用される。
波高記録モジュール２３では、ガンマ線のエネルギーの強弱に応じて高低の波形が記録される。ガンマ線のエネルギーが１０．８ＭｅVであるかは、シンチレータ１１とシンチレータ１２の波高記録モジュール２３のデータから解析される。この際、シンチレータ１１およびシンチレータ１２からの同時信号を、波高記録モジュール２３のゲート信号に用いる。シンチレータ１１を透過したガンマ線が１割程度のエネルギーを失うことを考慮したしきい値を設定し、当該しきい値を越えた場合には、１０．８ＭｅＶガンマ線であると判定する。
<< Processor 20 >>
The processing unit 20 includes a time recording module 21, a simultaneous measurement module 22, a wave height recording module 23, an amplifier 24 (not shown), and a storage device 25 (not shown).
Waveform signals output as analog electrical signals from the photomultiplier tubes 16 and 17 are amplified by the amplifier 24 and input to the simultaneous measurement module 22 and the wave height recording module 23. At this time, the electrical signals from the photomultiplier tubes 16 and 17 are stored in association with the time signal from the time recording module 18.
The simultaneous measurement module 22 is connected to a wave height recording module 23, and signals are transmitted / received via an A / D converter 26 (not shown). The output of the simultaneous measurement module 22 is used as a start signal for the drift chambers 13-15.
The wave height recording module 23 records high and low waveforms according to the intensity of gamma ray energy. Whether the energy of the gamma ray is 10.8 MeV is analyzed from data of the scintillator 11 and the pulse height recording module 23 of the scintillator 12. At this time, a simultaneous signal from the scintillator 11 and the scintillator 12 is used as a gate signal of the wave height recording module 23. A threshold value is set in consideration of the fact that the gamma ray transmitted through the scintillator 11 loses about 10% of the energy. When the threshold value is exceeded, it is determined that the gamma ray is 10.8 MeV gamma ray.
シンチレータ１１とシンチレータ１２を同時に２つの通過した荷電粒子の飛跡からガンマ線の入射方向を一意に決定することが可能である。荷電粒子の飛跡は、対生成により生じた陽電子・電子が、３つのドリフトチェンバーのレイヤーを通過した位置から算出可能である。
電子が１つしか生成されなかった場合には、コンプトン散乱が生じたと判定し、当該イベントを除去する。
また、他の元素から放出されるガンマ線は、測定対象となる１０．８ＭｅＶガンマ線と比べエネルギーが低いので対生成反応を起こす確率が低い。本実施例では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である。
加えて、２個の荷電粒子通過イベントのみを情報処理の対象とすることで、ガンマ線検出器６内での多重散乱によるイベントを除去することができる。
It is possible to uniquely determine the incident direction of gamma rays from the tracks of charged particles that have passed through the scintillator 11 and the scintillator 12 simultaneously. The track of the charged particle can be calculated from the position where the positron / electron generated by the pair generation has passed through the layers of the three drift chambers.
If only one electron is generated, it is determined that Compton scattering has occurred, and the event is removed.
In addition, since the gamma rays emitted from other elements have lower energy than the 10.8 MeV gamma ray to be measured, the probability of causing a pair production reaction is low. In this embodiment, only the data of the pair production reaction is used, so that background events due to gamma rays emitted from other elements can be greatly reduced.
In addition, by using only two charged particle passage events as objects of information processing, events due to multiple scattering in the gamma ray detector 6 can be removed.
以上に述べたとおり、本実施例の地雷探知器においては、コンプトン方式の検出器を用いず、対生成反応を利用する新規な検出器を用いることにより、一意に入射軸を決定すること、多重散乱による解析の煩雑さを回避すること、バックグラウンドを大幅な低減することが可能である。 As described above, in the landmine detector of the present embodiment, the incident axis is uniquely determined by using a new detector using a pair production reaction without using a Compton type detector, The complexity of analysis due to scattering can be avoided, and the background can be greatly reduced.
本発明によれば、他の物体が多く存在する中でも精度よく窒素を含有することを探知することが可能となるため、空港、港などでの爆発物や禁制薬物の探知に適している。窒素を検出する原理のため、近年テロリストが用いる液体混合型の爆薬に対しても有効な手段を提供することができる。
また、植物中での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。
According to the present invention, it is possible to detect that nitrogen is contained with high accuracy even in the presence of many other objects. Therefore, the present invention is suitable for detecting explosives and forbidden drugs at airports and ports. Due to the principle of detecting nitrogen, it is possible to provide an effective means for liquid-mixed explosives used by terrorists in recent years.
It can also be applied to nitrogen distribution measurement in plants. Nitrogen has a very important role for plants, but measuring the behavior of nitrogen in plants can provide an effective measurement means in plant research.
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 セル
８ カソード
９ アノード
１１〜１２ 放射線検出器（シンチレータ）
１３〜１５ 荷電粒子二次元位置検出器（ドリフトチェンバー）
１６，１７ 光電子増倍管（ＰＭＴ）
２０ 処理部
２１ 時間記録モジュール
２２ 同時計測モジュール
２３ 波高記録モジュール
２４ 増幅器
２５ 記憶装置
２６ Ａ／Ｄコンバータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Common type neutron source 2 Soil 3 Thermal neutron 4 Gamma ray 5 Mine 6 Gamma ray detector 7 Cell 8 Cathode 9 Anode 11-12 Radiation detector (scintillator)
13-15 Charged particle two-dimensional position detector (drift chamber)
16, 17 Photomultiplier tube (PMT)
20 Processing Unit 21 Time Recording Module 22 Simultaneous Measurement Module 23 Wave Height Recording Module 24 Amplifier 25 Storage Device 26 A / D Converter
Claims (10)
被検知領域に中性子を照射し、低密度のシンチレータおよび光電子増倍管を備える第１のシンチレーション検出器により被検知領域からのガンマ線を測定し、第１のシンチレーション検出器に連接し、複数層からなる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により第１のシンチレーション検出器を透過した荷電粒子を測定し、低密度のシンチレータおよび光電子増倍管を備える第２のシンチレーション検出器により荷電粒子二次元位置検出器を透過した電子・陽電子を測定し、
（ア）前記第１および第２のシンチレーション検出器から同時に信号が検出された場合において、
（イ）荷電粒子二次元位置検出器に荷電粒子の２つの飛跡が検出され、且つ、当該２つの飛跡が所定の角度を構成する場合には、対生成反応が生じたと判定し、当該２つの飛跡から窒素に起因するガンマ線の入射方向を算出することを特徴とする窒素含有化合物の検知方法。 A method for detecting a nitrogen-containing compound based on gamma rays caused by nitrogen,
A neutron is irradiated to the detection area, a gamma ray from the detection area is measured by a first scintillation detector having a low-density scintillator and a photomultiplier tube, connected to the first scintillation detector, and from a plurality of layers Charged particles transmitted through the first scintillation detector are measured by a charged particle two-dimensional position detector having a gas drift chamber, and charged particles are measured by a second scintillation detector having a low-density scintillator and a photomultiplier tube. Measure the electrons and positrons that have passed through the two-dimensional position detector,
(A) When signals are simultaneously detected from the first and second scintillation detectors,
(A) When two tracks of charged particles are detected by the charged particle two-dimensional position detector and the two tracks form a predetermined angle, it is determined that a pair production reaction has occurred, A method for detecting a nitrogen-containing compound, wherein an incident direction of gamma rays caused by nitrogen is calculated from a track.
第１のシンチレーション検出器は、荷電粒子によって励起される低密度のシンチレータと、光電子増倍管とを備え、
第２のシンチレーション検出器は、荷電粒子によって励起される低密度のシンチレータと、光電子増倍管とを備え、
荷電粒子二次元位置検出器は、第１のシンチレーション検出器の有するシンチレータと第２のシンチレーション検出器の有するシンチレータに挟まれた複数層からなるガス式ドリフトチェンバーとを備え、
処理部は、
（ア）前記第１および第２のシンチレーション検出器から同時に信号が検出された場合において、
（イ）荷電粒子二次元位置検出器に荷電粒子の２つの飛跡が検出され、且つ、当該２つの飛跡が所定の角度を構成する場合には、対生成反応が生じたと判定し、当該２つの飛跡から窒素に起因するガンマ線の入射方向を算出することを特徴とする窒素含有化合物の検知装置。 Nitrogen-containing neutron irradiation means for irradiating neutrons, a charged particle two-dimensional position detector, first and second scintillation detectors, and a processing unit, and detecting a nitrogen-containing compound based on gamma rays caused by nitrogen A compound detection device comprising:
The first scintillation detector comprises a low density scintillator excited by charged particles and a photomultiplier tube,
The second scintillation detector comprises a low density scintillator excited by charged particles and a photomultiplier tube,
The charged particle two-dimensional position detector includes a scintillator included in the first scintillation detector and a gas drift chamber composed of a plurality of layers sandwiched between the scintillators included in the second scintillation detector.
The processing unit
(A) When signals are simultaneously detected from the first and second scintillation detectors,
(A) When two tracks of charged particles are detected by the charged particle two-dimensional position detector and the two tracks form a predetermined angle, it is determined that a pair production reaction has occurred, An apparatus for detecting a nitrogen-containing compound, wherein an incident direction of gamma rays caused by nitrogen is calculated from a track.
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| Date | Code | Title | Description |
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| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
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