X-RAY BACKSCATTER SPECTRAL IMAGING

X線後方散乱イメージングの事例

片側からX線を当てるだけで、隠れた物の「形」と「材料」を見る
CdTe フォトンカウンティング・イメージセンサによる散乱X線スペクトル計測

株式会社 ANSeeN

原理

後方散乱は、線源とセンサを同じ側に置いて撮る

対象の裏側にセンサを回り込ませられない場面でも撮像できる

X線透過（レントゲン）

● 被写体を挟んで線源とセンサを置く
● 土中・壁の中・大型構造物など、裏に回れない対象は撮れない

X線後方散乱

● 対象に当たってはね返る散乱X線を、同じ側のセンサで受ける
● 土中の埋設物、老朽化した建造物・プラントなど、透過が難しい対象を検査できる

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方式

散乱X線の「エネルギー」も測り、形状に加えて材料を弁別する

従来の後方散乱は強度（明るさ）だけを使うため、分かるのは物体の形まで

従来の後方散乱

強度のみ → 形状

ANSeeN（散乱X線スペクトルイメージング）

強度＋エネルギー → 形状＋材料

X線光子を1個ずつ数え、そのエネルギーも記録するCdTe フォトンカウンティング・イメージセンサで散乱X線を受ける

物質によって散乱スペクトルの形が異なる。これを画素ごとに取得できれば、X線でも材料を見分けられる

材料弁別に使う3つの情報

強度

散乱X線の量（カウント数）

エネルギー

スペクトルの形。主成分分析で特徴を保ったまま1つの指標に圧縮する

散乱角

角度によって線量とスペクトルが変わる。多角度の同時取得が理想

3つを指標にCNN（深層学習）で材料を弁別するアルゴリズムを開発した

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装置

12×12cm の大面積CdTeセンサと、散乱線を絞るコリメータ

散乱X線は入射に比べてごくわずか。広い面積で漏れなく受け、かつ入射角度を制限して解像度を出す

シリコン基板にセンサモジュールをタイリングした
12×12cm 受線センサパネル（試作）

大面積化：小さなモジュールを並べる

CdTe検出素子とフォトンカウンティングLSIを積層した約1cm角のモジュールを、シリコン基板上にタイリング。ガラスエポキシ・セラミック・シリコンの3種を比べ、反りと配線精度を両立したのはシリコン基板だけだった

解像度：コリメータで入射角度を制限する

X線が当たった領域全体が光源のように振る舞うため、センサだけでは画像が大きくぼける（測定時間を延ばしても改善しない）。微細コリメータで入射角度を制限し、1cm以下の散乱線解像度を得た

小型の線源で撮れる

60keV以上のエネルギーを使うことで土壌の厚み・種類の影響を抑え、加速器級ではなく160〜300kV程度の工業用X線源で撮像できる

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事例 1

土の下に埋まった物の形を、地表側から撮る

同じ対象を、土なし・土50mm越し・土で上下を挟んだ状態で撮像した

撮像系

土なし
背景との差分

表側に土50mm
土だけの画像との差分

土表50mm・裏50mm
土だけの画像との差分

土50mm越しでも対象の形状を判別できる。深さ5cmでは形状・材料弁別とも目標を満たした

160kV, 3mA, 2秒積算

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事例 2

撮像角度を変えて、見たい深さに焦点を合わせる

アルミ板越しにヒビの入ったコンクリートを撮像。手前の層と奥の層を撮り分けた

対象のコンクリート（ヒビあり）

層構成（線源側から）

アルミ板 5mm

空気 10mm

対象コンクリート 20mm

背面コンクリート 33mm

手前に焦点：アルミ板が強調される

奥に焦点：コンクリートが強調される

微細コリメータで解像度が上がった結果、深さ方向に約5mmの選択性が得られた（当初の目標にない副次的成果）

160kV, 3mA, 2秒積算

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事例 3

材料によって、エネルギー帯ごとの写り方が変わる

単元素の材料棒（炭素・アルミニウム・マグネシウム・チタン・ニッケル・鉄）を並べ、エネルギー帯を区切って画像化した

撮像した材料棒（スキャン画像と左右をそろえて表示）

各区画の棒は左から
C ・ Al ・ Mg ・ Ti ・ Ni ・ Fe

30keV〜40keV〜50keV〜60keV〜

70keV〜80keV〜90keV〜100keV〜

形はどの帯でも見える

強度だけでも、何を撮ったかが形状から分かる解像度が得られている

明るさの差は帯で変わる

低いエネルギー帯ほど、炭素など軽い元素は明るく、鉄・ニッケルなど重い元素は暗く写る。帯ごとの明るさの比が材料弁別の手がかりになる

似た材料も見分ける

プラスチックとアクリル、土と石の組み合わせで弁別を確認。強度だけでは分けにくい土と石も、エネルギーを加えると分離できた

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成果

深さ5cmまでは、形状と材料の両方を捉えた

研究開始時に設定した4つの目標に対する到達点

項目	目標	結果
有効探査範囲	地表から最深10cm程度	深さ5cm：検出サイズ・解像度・材料弁別をすべて満たした深さ10cm：材料による散乱X線の違いは確認。解像度は未達	5cmで達成
検出サイズ	5cm角または直径5cm	12×12cm の検出器を試作し、5cm以上の撮像領域を得た	達成
散乱線解像度	1cm以内	コリメータで入射角度を制限し、1cm板を明瞭に画像化した	達成
材料弁別	金属・非金属の別と、それぞれ2種類以上	金属・非金属それぞれで2種類以上の材料を弁別した	達成

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応用

大型車両が要った後方散乱検査を、可搬サイズへ

高感度なセンサとアルゴリズムにより、線源のエネルギーを下げられる

従来の後方散乱システム

900kV

加速器線源

電源・重量のため大型車両が必須

開発したシステム

160kV

工業用X線源

可搬。ロボットアームでの駆動、バッテリー駆動の可能性も

ドローン・ロボット・車両に搭載した遠隔での探索・検知を目指す

想定する用途

● 掘削前の埋設物・危険物の探知（土地再利用工事の安全確保）
● 橋梁・橋脚など、経年劣化が懸念される構造物の検査
● アスファルト路面の陥没探査
● トンネル壁面の崩落予知
● 鉄道軌道スラブの検査
● 老朽化したプラントの検査

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今後

より深く、より速く

検知できる深さは放射線のエネルギーで決まる

ガンマ線・中性子との併用（構想）

線種	深さ	得られる情報
X線（現状）	5cm 10cm	形状＋材料弁別形状
ガンマ線	〜100cm	形状＋材料弁別
中性子	〜100cm	軽元素材料の識別

ガンマ線源の例：¹³⁷Cs（662keV）、⁶⁰Co（1.2MeV）

2次元コリメータによる深度スキャン

タングステン等の3Dプリンティングで2次元コリメータを作り、深さを絞ったイメージングを高速・高精細に行う

300kV程度までの線源なら、3Dプリンタで出力できる厚みでコリメーション効果が得られる

本資料の成果は、防衛装備庁安全保障技術研究推進制度（令和3〜5年度）の研究「フォトンカウンティングによるX線スペクトル分析を活用した散乱線画像計測技術の研究」によるもの。研究機関：東北マイクロテック／協力機関：TMS、BEAMX

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