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作成： 2000/11/01 白川 芳幸
データ番号 ：040232
パルス中性子による爆薬・麻薬探知および石炭分析
目的 ：パルス中性子を用いた爆薬,麻薬の探知,および石炭の主要成分の分析
放射線の種別 ：重イオン,中性子,ガンマ線
放射線源 ：d-Tパルス中性子発生器(14MeV, 5x1010n/s),d-Dパルス中性子発生器(8MeV)
照射条件 ：大気中
応用分野 ：積荷,スーツケースなどに隠された爆薬検知,麻薬検知,石炭主要成分のオンライン分析
概要 ：
d-Dあるいはd-Tパルス中性子発生器を積荷に対して走査するか、あるいは固定した発生器の前を通過させ、測定領域の位置情報とその場所から発生するγ線のスペクトル解析から、爆薬あるいは麻薬を探知する方法が試験されている。d-Tパルス中性子発生器からの中性子を石炭に照射すると高速中性子非弾性散乱、熱中性子捕獲反応、放射化が生じ、その反応で発生するγ線を分析することにより炭素分、硫黄分などが定量できる。
詳細説明 ：
d-Dパルス中性子発生器を積荷に対して0.25Hz周期で走査し、8MeVの中性子を半値幅1nsで照射する。このとき飛行時間法で中性子が捕獲されるまでの時間を調べる。この高速中性子がある元素と非弾性散乱しγ線が放出される。積荷の周囲に多数配置されたNaI(Tl)検出器で検出し、同時に時刻を測定すれば反応が起きた位置を特定できる。つまり、γ線は瞬時に到達するので、発生から到達時刻の差に中性子の速さを乗じると、γ線が発生した位置が求められる。位置分解能はおよそ6.3cm立方体程度となった。図1に、装置の概要を示す。
図1 Schematic view of the cargo inspection system based on PNA.（原論文2より引用。 Reproduced from D.R.Brown, T.Gozani, Nucl. Instr. Meth. Phys. Res., B 99, 753-756 (1995), Figure 1(Data Source 2, pp.754), Copyright(1995), with permission from Elsevier Science.）
爆薬あるいは麻薬の探知に役立つ元素と発生するγ線のエネルギーは、C(4.44MeV)、 O(6.13MeV)、 N(0.72、1.63、 2.12、 2.31MeV)などである。スペクトル上でのこれらのピークの強度が普通の積荷と爆薬および麻薬で異なることを利用する。たとえば、爆薬では窒素分が多い特徴がある。位置情報と組合すことによって3次元の画像化も可能である。
1992-1993年に試作機が作られテストされた。フルシステムでのテストも検討されている。d-Tパルス中性子発生器(エネルギー14MeV、パルス幅30μs、負荷率10%)をコリメータで絞り、積荷に照射する。図2のように、遮へいを介して両側に30cmコリメータ付の15cm径のNaI(Tl)検出器を積荷の奥行き方法4箇所を向くように設置する。
図2 Schematic diagram of a proposed full scale container inspection system. The 14-MeV-neutron fan beam illuminates voxels at four depths. Collimators direct the gamma-detector fields of view to the voxels indicated by the numeric labels. Eight such detector layers simultaneously view corresponding cargo layers covering the full 8-ft container height.（原論文3より引用。 Reproduced from R.C.Smith, M.J.Hurwits, K.-C.Tran, Nucl. Instr. Meth. Phys. Res., B99, 733-735 (1995), Figure 1(Data Source 3, pp.734), Copyright(1995), with permission from Elsevier Science. ）
非弾性散乱γ線をコリメータで特定の方法のみ検出すると、検出器番号(1、 2、 3、 4)によって発生した位置がわかる。同時にスペクトル解析もおこなわれる。たとえば、計数比C/O、 Cl/H(高速中性子が熱化したときの捕獲反応で、Hから2.22MeVのγ線が発生)を指標として、麻薬と一般の積荷を比較すると、麻薬ではC/Oは小さく、Cl/Hは大きいという特性がある。積荷を横方法に移動させて連続的に測定すれば、手前側の内部検査がすべて完了する。逆側にも同じシステムを装備すれば積荷の全面走査ができ、麻薬の探知とその3次元の画像化も可能である。実機システムでは5-10分で2.4 x 2.4 x 12mの積荷システムを走査できるであろう。
石炭中の炭素分(カロリー計算因子)および硫黄分(SO2の排ガス規制)を連続的に測定するために、パルス中性子発生器を用いる方法が開発された。図3に示すように、基本構成は、d-Tパルス中性子発生器(エネルギー14MeV、パルス幅μs、繰り返し周波数kHz)とその後方に中性子反射材、前方にはホウ素入りポリエチレンによる遮へい材、石炭試料、そしてBGO検出器(7.6 x 7.6cm)と鉛遮へい材である。
図3 Schematic diagram of the PFTNA principle（原論文4より引用。 Reproduced, with permission of the copyrighter, from L.Dep, M.Belbot, G.Vourvopoulos, S.Sudar, J. Radioan. Nucl. Chem., Vol. 234, Nos 1-2, 107-112 (1998), Figure 1(Data Source 4, pp.108), copyright(1998) by Akademiai Kiado RT.）
パルス発生中(オン)には高速中性子が石炭試料に入り。C、Oから非弾性散乱γ線が発生する。パルス発生後(オフ)には減速熱化で生じた熱中性子によりH、S、Clから捕獲γ線が発生する。つぎに放射化によって短半減期のNaからの遅発γ線が検出される.時間領域を選んで反応ごとにスペクトルを解析する。この方法によってバックグランドを大幅に低減できる。BGO検出器はNaI(Tl)検出器より効率が高いこと、ヨウ素の放射化が無いことが理由で採用された。実際の石炭はサイズが粉から7.5cmまで変化するのでかさ密度補正のために137Cs線源を用いたγ線密度計も装備された。現場実験の結果、炭素分は40-80wt%に対して±1wt%,硫黄分は、0.65-5wt%に対して±0.5wt%の精度で測定できることがわかった。
コメント ：
パルス中性子発生器が小型になり、耐久性が2000時間以上になったことから実際の現場での使用が可能になった。パルス発生時点からの時間情報とそれに対応した中性子反応を巧みに使うことによって従来の252Cf中性子線源にとって替わる新たな工業計測応用が期待される。
原論文１ Data source 1：
PFN GASCA Technique for Detection of Explosives and Drugs
Z.P.Sawa
Science Applications International Corporation, Santa Clara, CA 95054, USA
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, B 79, 593-596 (1993).
原論文２ Data source 2：
Cargo Inspection System Based on Pulsed Fast Neutron Analysis
D.R.Brown and T.Gozani
Science Applications International Corporation, Santa Clara, CA 95054, USA Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, B 99, 753-756 (1995).
原論文３ Data source 3：
System to Detect Contraband in Cargo Containers Using Fast and Slow Neutron Irradiation and Collimated Gamma Detectors
R.C.Smith, M.J.Hurwits and K.-C.Tran
GAMMA-METRICS, San Diego, CA, USA
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, B99, 733-735 (1995).
原論文４ Data source 4：
Pulsed Neutron-Based On-Line Coal Analysis
L.Dep1*), M.Belbot1*), G.Vourvopoulos1*), S.Sudar2*)
1*):Department of Physics and Astronomy, Western Kentucky University, Bowling Green, KY42101, USA 2*):Department of Physics, Kossuth University, Debreen, Hungary
Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, Vol. 234, Nos 1-2, 107-112 (1998).
キーワード：パルス中性子発生器, 高速中性子反応, 熱中性子反応, 中性子放射化, γ線スペクトロメトリー, 爆薬,麻薬,石炭
pulsed neutron generator, fast neutron reaction, thermal neutron reaction, neutron activation, gamma-ray spectrometry, explosive, drug, coal
分類コード：040103, 040301, 040305
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