The significance of security-check in an airport draws attention all around the world after 911 attacks. The research to detect the prohibited items has suggested new inspection system mostly by changing the radioactive source. In general, the established inspection system utilizes the X-ray tube as an X-ray source. High energy X-ray from linear accelerator (Linac) are appeared as alternatives to X-ray tube due to their ability. It can widen the inspection range of target samples from low atomic material to high atomic material and deepen the possible thickness of inspection. In particular, we have developed X-band Linac which generates maximum 950keVX-ray in 2 μm pulse width with multi electron bunches. The maximum X-ray energy 950keVallows the inspection system to be placed in a public space such as an airport under the laws concerning the prevention from radiation hazards due to radioisotopes and others. This energy is higher than ordinary X-ray tube which generates the maximum 500keVat this writing and thus we expect higher transparency with a target of high atomic number and a thick target. We set our goal to distinguish light metal, Fe from heavy metal, Pb that has been impossible with X-ray tube due to its low X-ray energy. Another feature of X-band Linac is its compact size of the entire system. That is why we employed 9.4 GHz X-band system as X-ray source. The size of magnetron is 0.1×0.2×0.2 m3 supplying 250 kW power to accelerating tube. With high frequency of acceleration, the length of the accelerating tube is just 30cm. We plan to complete the final version of system within the size about 1.0×1.0×1.0 m3 finally and that is another reason we can place the system in an airport.

Dual energy X-ray system is capable to figure out the information of atomic number in a target. Actually the system is applied to custom inspection system in an airport and a port commercially and shows promising results of material recognition in a container and baggage. In the case, Linac generates two-times irradiation of X-ray to a target to get two images which has different transparency each other. However we suggested two-fold scintillator in a detection part to get two X-ray images by one-time irradiation not two-times. Two images in different transparency can be obtained from two scintillators according to their thickness. Monte carlo simulation is performed to decide parameters for the better condition of two transparencies. For example, the composition and thickness of scintillator are determined to search the transparencies of two images from two scintillators for better material recognition.

Two images with different transparency each other are used to reconstruct the atomic number image through calculating the pixel values of them. The information of atomic number is appeared on the image with colors which express certain atomic number according to the color profile.

The experiment was performed with Fe, Pb samples in various conditions such as without concealment, with concealment. They proved the ability of material recognition of our system within certain disagreement with theoretical values. For instance, the difference between experimental value and theoretical value for Fe is from 3 to 10 and for Pb 2 to 5 in the polyethylene container. In the polyvinyl chloride container, Fe and Pb have the difference of atomic number from 9 to 12 for Fe, 1 to 3 for Pb.

We performed CT imaging in the system of radiography changing the position of line sensor in which two-fold scintillator is equipped. However there are several problems on the images which interrupted to figure out the atomic number. First, the structure of CsI scintillator was composed of sets with every 4 channels. The scintillation light within a set can go any channel of 4 because there is no separator between channels. New two-fold scintillator will be composed of every channel separately by inserting the separator between channels. The photodiode is 2mm thickness. It is too thick to express the object specifically, in particular, items in baggage. The thickness of photodiode is diminished to 1mm for next version and thus we can inspect the inside of baggage. Finally, the gap between two collimators which is placed in line sensor will be reduced to 2mm to suppress the scattered X-ray.

本論文は空港での手荷物検査装置として開発されたX線源、950keVX-band加速器とディテクターである2段シンチレータアレイの内容がメインになっている。研究の目標は既存の手荷物検査装置より幅広い範囲で物質を識別できる物を作るのであって具体的には高い原子番号物質、つまり核物質を識別できる装置を目指している。それが実現できるためには高エネルギーのX線が必要で従来のX線管では届かない領域である。電子加速器は電子の衝突点から最大、電子の運動エネルギーまでの制動複写X線が出るので高エネルギーX線源として適切である。今回使われた950keVX-band加速器は250 kWの低パワーで小さいので電力を供給する電源装置も小型になる。全体のシステムは他のX-band加速器に比べ非常に小さい、1×1×1 m3を目指している。950keV加速器は加速器中でもそんなに高くないエネルギーのX線を出している。しかし950keV以下のX線発生装置は管理区域を定める必要がなくさらに大きい遮蔽体で囲まなくてもよいという長所を持っている。950keV加速器はこういう長所があるため、このエネルギーでなるべく検査物質範囲を広げるのが本研究に与えられた課題でもある。X線管の場合、最近の検査装置は100~200keVが主流になっている。このエネルギーでは有機物質、金属、液体を大まかに識別することしかできなく高い原子番号の物質である核物質の識別は難しい。950keVX線はX線管より高いX線を発生していて金属を細かく識別することができる。1 MeV以上の高エネルギー級の加速器はコンテナのような大型検査装置としては用いられてきたが1 MeV位の加速器を手荷物検査装置のX線源は今までなかった発想である。この研究を機に小型加速器の産業への拡大を期待がもたらせている。実験ではアルミ、鉄、鉛の識別を図った。ここで鉛は核物質を模擬した物で原子番号が82である。この研究では2色X線による物質識別法を採用している。通常はお互い異なるX線分布を持つ二つのX線をタケットサンプルに2回照射することが多いが本研究ではX線は1回だけ照射してもディテクター側を2段シンチレータにして各シンチレータから異なる透過率を持つ二つのX線画像を得る方法を選んだ。今回開発された2段シンチレータは高エネルギーX線に適した特殊なデザインをしていて、その具体的な寸法はMonte carloシミュレーションの結果に基づいて求めた。シンチレータの材料を選べる段階ではフォトダイォ ードが使用できる波長のシンチレータ光を出すCsI, CdWO4を採用した。CsI結晶は発光効率が高いがエネルギー吸収率や検出率が低いため、低エネルギーX線用として2段シンチレータの前方に置いた。これは前のCsIで多くのX線が取れてしまうことを防ぐためである。でも発光効率が高いので少ないX線量でもシンチレータ光の量は増やせることができる。後ろにはCdWO4を置いて高エネルギーX線用として用いた。CdWO4は密度が高くてX線吸収率や検出率がCsIより勝る。CsI部から抜け出して来た高エネルギーX線をなるべくすべて吸収するため後方にはCdWO4が適切である。2段シンチレータには他にも工夫が加えていて高エネルギーX線検出器として特殊な構想を持っている。これは共同研究したIHI検査計測社が特許として申し込んでいる。

実験では厚さ5,10,15,20,25mmのPolyethyleneやPolyvinyl chloride中性子隠蔽材の中に厚さ10mmの鉄と鉛サンプルを入れてX線撮影を行い、得られたCsIとCdWO4画像を用いて画像再構成をしてサンプルの原子番号情報が分かる画像を作った。その結果によるとpolyethylene隠蔽材の場合、原子番号の実験値と理論値の違いが鉄は3~10、鉛は 2~5の差を見せた。Polyvinyl chloride隠蔽材の場合、鉄と鉛それぞれ 9~12と1~3の差を見せた。画像データにノイズ画像が現れたり、解像度が2mmであったりする問題があったが元々の目的である中性子隠蔽材の中の鉄と鉛の識別はできた。これで中性子で検出できない場合、つまり核物質が中性子隠蔽材の中にある場合でも950keVのX線で識別することができると考えられる。世界各国で加速器を用いた2色X線物質識別研究が行っているがπとπ /2 modeの加速管を持つ手荷物用950keVX-band加速器は珍しい。それに特殊な構造を持つ2段シンチレータディテクターは手荷物検査システムの新たな標準になることが期待される。最近では2段シンチレータの改善を求めてチャンネルピッチサイズを1mmまで縮小、1チャンネルあたり1フォトダイォ ード構造導入、コリメータ幅を2mmまで狭くするなどアップグレードされたシステムが作製され、評価、実証できた。

よって本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。