JP2005016988A

JP2005016988A - 放射線検出器及びそれを用いた分光器の校正方法

Info

Publication number: JP2005016988A
Application number: JP2003178686A
Authority: JP
Inventors: Mitsuaki Amamiya; 光陽雨宮
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-06-23
Filing date: 2003-06-23
Publication date: 2005-01-20

Abstract

【課題】Ｘ線分光器の高精度な校正を可能にするＸ線検出器及びそれを用いたＸ線分光器の校正方法を提供する。
【解決手段】放射線が気体に吸収された際に放出される電子を補足及び増幅して信号を生成するＸ線検出器において、前記電子を補足する収集電極が少なくとも２つ以上に分割され、前記放射線が前記収集電極に沿って入射し、入射側の前記収集電極が、当該入射側の前記収集電極に対して前記放射線の進行方向の後ろ側の前記収集電極よりも短いことを特徴とするＸ線検出器を提供する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分光器に係り、特に、放射線検出器及びそれを用いた分光器の校正方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｘ線分光器は、回折格子や結晶等を回転することによってＸ線の入射角θを変更して特定のエネルギーのＸ線をスリットを通して試料に照射するものである。入射角θと得られるＸ線のエネルギーは互いに対応している。しかし、Ｘ線の入射角を正確に求めることは困難であり、回折格子の特定の角度と選択されたＸ線のエネルギーの絶対校正を行い、それを基にその他の角度によって得られるＸ線のエネルギーの校正を行っている。そして、従来から多くの方法で絶対校正が行われてきた。
【０００３】
分光光学素子を用いたＸ線分光器の校正として、分光素子の角度を測定するものが、従来から提案されている（例えば、特許文献１参照）。これは、２結晶分光器の波長校正を行う方法で、２結晶間の角度にレーザー光を通して、レーザー光の透過位置から光学素子間の角度を測定する方法である。しかし、この方法は、角度から波長の絶対値を求めるため絶対精度を出すのが難しいという問題を有する。
【０００４】
また、入射光特有の輝線と分光器を透過してきた光量のピークによって、波長を校正するものがある（例えば、特許文献２及び３参照）。しかし、この方法は、予め入射スペクトルが分かっていることが必要であるという問題を有する。
【０００５】
その他のよく知られた絶対校正の方法として、物質の吸収端を用いて校正する方法がある。これは、回折格子によって回折されたＸ線と検出器の間に、ガスや薄膜を挿入し、回折格子を回転させ、ガスや薄膜の透過率が変化するエネルギーによって校正するものである。校正したいエネルギー領域に吸収端をもつ物質を選べば、吸収端の前後で、物質のＸ線透過率が急激に変化するので、選択したＸ線のエネルギーが求められることになる。
【０００６】
例えば、図８に示すように、容器５２１にガスを封入して、Ｘ線検出器５２２でガスを透過したＸ線強度を測定することでガスのＸ線強度を測定する。ここで、図８は、従来のガスを用いた校正方法の構成図である。その後、容器５２１を真空にして、測定したＸ線強度との比をとれば、ガスのＸ線透過率が求められる。Ｘ線検出器５２３は、Ｘ線の入射強度の時間変化を測定するものであり、それでＸ線検出器５２２のＸ線強度を割ればＸ線の入射強度が変化しても誤差にならない。回折格子５２４を回転させて、入射エネルギーに対するガスのＸ線透過率を測定する。８０〜１００ｅＶで波長を校正したい場合、９０ｅＶ付近に吸収端をもつＫｒガスを選択するとよい。圧力１．３３ｘ１０^３Ｐａ、距離２．５ｃｍのＫｒガスのＸ線透過率は、図４に破線で示すように、９０ｅＶ付近で急激に透過率が変化する。ここで、図４は、クリプトンガスの透過率を表す信号とエネルギーとの関係を示すグラフである。
【０００７】
なお、分光器の校正ではないが、Ｘ線のエネルギー分布を求める方法が従来で用いられている（例えば、特許文献４参照）。これは、電離箱の後方に固体Ｘ線検出素子（シンチレーター＋フォトダイオード）を設置し、電離箱で低エネルギーのＸ線強度を、固体検出器で高エネルギーのＸ線強度を測定する。両者の信号差分をとることで、Ｘ線のエネルギー分布を求めるものである。しかし、この方法は、Ｘ線のエネルギー分布を大まかに求めるもので、分光器の校正には使用できない。
【０００８】
【特許文献１】
特開平０６−８２３０９号公報
【特許文献２】
特開平０７−１５９２４０号公報
【特許文献３】
特開平０８−１４５７９３号公報
【特許文献４】
特開平０８−１２２４４３号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図８に示す従来の物質の吸収端を使用して校正する方法においては、校正の精度はエネルギーの変化に対する信号の変化に比例する。信号は、吸収端より高エネルギーで透過率が０、低エネルギーで透過率が１というのが理想であるため、それ以上の信号の変化はありえず、エネルギーに対する信号の変化が小さかった。このため、従来の物質の吸収端を使用して校正する方法は、高精度な校正を行うことができなかった。また、ガスを透過させるためにＸ線の入射側と透過側の２枚の窓が必要で、検出器に入射するＸ線強度が小さくなる欠点があった。外部に設けた検出器で測定されたＸ線強度は統計誤差を含み、かかる検出器から求められる透過率も統計誤差がのり、校正の分解能を下げていた。更に、図８には図示していないが、ガスに入射する前にはＸ線強度モニタを設ける必要があり、装置の大型化とコストアップを招いていた。
【００１０】
そこで、本発明は、上記課題を解決すべく、分光器を高精度に校正可能な放射線検出器及びそれを用いた分光器の校正方法を提供することを例示的な目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としてのＸ線検出器は、放射線が気体に吸収された際に放出される電子を補足及び増幅して信号を生成するＸ線検出器において、前記電子を補足する収集電極が少なくとも２つ以上に分割され、前記放射線が前記収集電極に沿って入射し、入射側の前記収集電極が、当該入射側の前記収集電極に対して前記放射線の進行方向の後ろ側の前記収集電極よりも短いことを特徴とする。
【００１２】
本発明の他の目的と更なる特徴は、以下、添付図面を参照して説明される実施の形態において明らかになるであろう。
【００１３】
【本発明の実施の形態】
まず、本発明の実施の形態を説明する前に、気体の電離による放射線計測である電離箱と比例計数管について簡単に説明する。
【００１４】
電離箱５００は、図６に示すように、２枚の平行に置かれた電極間（収集電極５０２と設置電極５０４）にガスを封入し、電極間に数１００Ｖの電圧を印加した構造をしている。ここで、図６は、電子箱５００の原理を示す概略断面図である。Ｘ線５０１が電極５０２及び５０４間に入射し、ガスがＸ線５０１を吸収すると、電子イオン５０６対が作られる。作られた電子は正電極５０２に引かれ、電流計５０８でその電流量が測定される。従って、測定された電流とガスで吸収されたＸ線５０１量は比例する。
【００１５】
比例計数管６００は、収集電極６０２に高電圧を印加し、Ｘ線６０１の吸収で作られた電子を加速して他の分子に衝突させて、さらに電子を複数生成させて増幅するものである。一般には、小さい電圧で大きな電場を得るために、図７に示すように、円筒形の容器の中心にワイヤ６０２を貼った構造をしており、円筒形内部にガスが満たされている。ここで、図７は、比例計数管６００を示す概略断面図である。円筒形の容器は接地され、ワイヤには正の電圧＋ＨＶが印加され、電子を収集する正電極となっている。ガスがＸ線６０１を吸収すると、電離箱５００同様、電子イオン対６０６が生成され、電子は中心のワイヤ６０２に向かう。ワイヤ６０２の近傍で電界強度が増加し、ワイヤ６０２近傍に近づいた電子６０６は、他のガス分子に衝突し電子イオン対を生成し、いわゆる電子イオンなだれがおきる。増幅された電子がワイヤ６０２に収集され、その電流量が電圧に変換され電圧計６０８で測定される。この増幅作用のある領域はワイヤ６０２のごく近傍だけであり、その領域でＸ線６０１が吸収さる確率は低く無視できるため、比例計数管６００も電離箱５００同様、測定された電流とガスで吸収されたＸ線６０１量は比例する。
【００１６】
以下、図１を参照して本実施形態のＸ線検出器１００の原理について説明する。ここで、図１は、Ｘ線検出器１００の原理を説明するための概略断面図である。Ｘ線検出器１００は、収集電極１０６及び１０７と設置電極１０５との間に（本実施形態ではクリプトン）ガスを封入した構成を有し、図８の容器５２１及びＸ線検出器５２２に置換されるものである。
【００１７】
図１に示すように、収集電極が２つの電極１０６及び１０７に分割され、入射側の電極１０６の長さをＬａ、後ろ側の電極の長さ１０７をＬｔとすると、Ｌａ＜Ｌｔである。入射側の電極１０６に入射したＸ線強度をＩ０とすると、電極１０６の位置に対応したガスで吸収されたＸ線量Ｉａは、ｕをＸ線１０１に対するガスの線吸収係数とすると、以下の数式１で与えられる。
【００１８】
【数１】

【００１９】
次に、電極１０７の位置に対応したガスで吸収されたＸ線量Ｉｔは、電極１０６を透過してきたＸ線量が、電極１０７の位置に吸収される量Ｉｔであるから、以下の数式２で与えられる。
【００２０】
【数２】

【００２１】
従って、両者の差分は、以下の数式３で与えられる。
【００２２】
【数３】

【００２３】
ガスの線吸収係数ｕは、波長とガスの種類、圧力によって変化する。ガスの種類と圧力が一定の場合、線吸収係数ｕは入射するＸ線１０１の波長のみに依存するので、信号Ｒは波長のみに依存することになる。
【００２４】
Ｋｒ等の貴ガスは校正にしばしば使用されるが、これらのガスは、吸収端に近傍に、共鳴吸収の鋭い吸収線が表れることがある。しかし、この共鳴吸収線は、高分解能の分光器でないと観察できず、低分解能の分光器では、なだらかな吸収端が観察されるだけである。これら２つの、高分解能と低分解能の分光器に、本発明を応用する場合について説明する。
【００２５】
まず低分解能の校正について説明する。電極１０６及び１０７のそれぞれの長さが、Ｌａ＝２．５ｃｍ、Ｌｔ＝１０ｃｍで、Ｋｒガス１．３３ｘ１０^３Ｐａを封入した電離箱に、８０〜１００ｅＶのＸ線１０１を入射させた場合、信号Ｒは図４の実線のようになる。これは、破線で示された従来の信号より本発明の信号の方が、エネルギーに対する信号の変化が大きく、校正の分解能が高いことを示している。更に、吸収端の前後で、信号の正負が変わる条件を選べば、エネルギー校正がしやすくなる。吸収端の前後で信号の正負を変化させる条件は、吸収端より高エネルギーでＩａ＞Ｉｔ、低エネルギーでＩａ＜Ｉｔ、となればよい。従って、高エネルギーと低エネルギー側のガスの線吸収係数をそれぞれ、ｕｈとｕｌとすれば、以下の数式４及び数式５が満足されるように電極１０６の長さＬａ、電極１０７の長さＬｔ、線吸収係数を選択すればよい。
【００２６】
【数４】

【００２７】
【数５】

【００２８】
なお、線吸収係数ｕｌは、ガスの質量吸収係数をｕ、分子量をＭと、ガスの圧力をｐ（Ｐａ）すれば、以下の数式６で表すことができるので、ガスの圧力を調整することで、ＬａとＬｔを適切な値にすることができる。
【００２９】
【数６】

【００３０】
また、１００ｅＶの低エネルギーＸ線の空気や窓のＸ線透過率は極めて低い。空気（１気圧）の１００ｅＶのＸ線透過率は極めて低く、１ｍｍで０．３％である。１ｕｍの有機膜を用いても、その透過率は２０％程度である。窓は１ｕｍ程度の有機膜で、その透過率は、０．７％程度である。そのため、本実施形態ではＸ線１０１の光路はすべて真空としている。
【００３１】
次に高分解能の分光器の校正について説明する。Ｌａ＝２．５ｃｍ、Ｌｔ＝３０ｃｍで、Ｋｒガス１．３３ｘ１０^３Ｐａを封入した電離箱で、観察される信号を図５に示す。破線が従来の吸収のみの信号で、実線が式３で示される本発明の信号Ｒである。破線をみると分かるように、従来の図４には見られない吸収線が、図５には観察される。従来の吸収ピークに比べ、本発明のピークの形状は非常に鋭く、高精度にピーク位置が求められることが分かる。
【００３２】
さらに、従来は、ピーク位置を求めるのに、信号Ｓを適当な関数でフィッテングしてピークエネルギーＥｐを求めるのであるが、本発明の信号Ｒは０となるエネルギーＥ１とＥ２を透過するので、Ｅｐ＝（Ｅ１＋Ｅ２）／２で、ピーク位置を求めることができる。この点からも校正の精度が向上する。
【００３３】
【実施例】
【実施例１】
図２に本発明の第１の実施例のＸ線検出器１００Ａを示す。図２において、１０１はＸ線、１０２は窓、１０３はガスを封入した容器、１０４はＫｒガス、１０５は負電極、１０６は前方の収集電極、１０７は後方の収集電極、１０８は弁、１０９は連通管、１１０はガス導入口であり、チャンバー１１３は、容器１０３を設置し、Ｘ線１０１が減衰しないように真空に引ける構造となっている。
【００３４】
容器１０３内の前方の空間１１１でＸ線１０１の吸収によって作られた電子は収集電極１０６に、後方の空間１１２でＸ線の吸収によって作られた電子は収集電極１０７に集められる。更に、収集電極１０６と１０７で収集された電子は、不図示の回路によって、電流として測定できる様になっている。収集電極１０６と１０７で収集された電流は、ＩａとＩｔとする。
【００３５】
まず、ガス導入口１１０側の弁１０８を閉め、チャンバー側の連通管１０９を開ける。これによって、ガスを封入する容器１０３内部の圧力とチャンバー１１３の圧力が等しくなる。Ｘ線１０１の光路であるチャンバー１１３を真空に引く。このとき、弁１０８と連通管１０９を通して、容器１０３内も真空に引かれるので、窓１０２に差圧が掛からない。チャンバー１１３と容器１０３内が真空に引かれたら、弁１０８の連通管１０９側を閉めガス導入口１１０側を開けて、必要な圧力になるまで、徐々にＫｒガスを導入される。
【００３６】
チャンバー１１３の外側に配置される図示しない回折格子が所定の角度に設定され、Ｘ線１０１が窓１０２を通して、Ｋｒガス１０４が満たされた容器１０３内に入射する。その時の回折格子の角度をθ１とする。入射したＸ線の一部は、容器１０３の前方部分の空間１１１でＫｒガスに吸収されると、電子イオン対を作り、電子が、電位が高い方へ引かれ、収集電極１０６で収集され信号Ｉａとして得られる。
【００３７】
容器１０３の前方部分で吸収されなかったＸ線の多くは、容器１０３の後方部分で吸収され、収集電極である収集電極収集され信号Ｉｔとして得られ、両者の差分から次式から求められる。
【００３８】
【数７】

【００３９】
次に、回折格子（不図示）がθ２になるように回転し、Ｘ線が容器１０３内に入射し、前述のようにＲ（θ２）が求められる。このようにして、各エネルギーのＸ線に対してＲ（θ）が求められる。Ｒ＝０となる角度θ０は、図４の実線のグラフから、９０．５ｅＶであり、角度θ０が９０．５ｅＶと校正される。
【００４０】
本実施例は、１枚の窓１０２のみを使用するので、十分高いＸ線強度が得られる。かかるＸ線検出器によれば、収集電極を分割することで、エネルギーに対する信号の変化を大きくし、校正の分解能を高くすることができる。また、吸収端の前後で、信号の正負が変わる条件を選べば、エネルギー校正が容易となる。それにより、吸収端の位置を正確に求められ、Ｘ線のエネルギーの変化に対する信号を大きくとることが可能となる。その結果、Ｘ線検出器の校正精度を向上させることが実現できる。
【００４１】
【実施例２】
図３は、本発明の第２の実施例のＸ線検出器１００Ｂを示している。１０１はＸ線、１０２ａは窓、１０３ａはガスを封入した容器で接地されている。１０４はＫｒガス、１０６ａは前方の収集電極であるワイヤ、１０７ａは後方の収集電極であるワイヤである。ワイヤ１０６ａと１０７ａの間は、絶縁物１１４によって絶縁されている。更に、１０６ａと１０７ａは各々高圧電源に接続されている。１１０ａはガス導入口である。
【００４２】
容器１０３ａ内の前方の空間１１１ａでＸ線１０１の吸収によって作られた電子はワイヤ１０６ａに、後方の空間１１２ａでＸ線１０１の吸収によって作られた電子はワイヤ１０７ａに集められる。更に、ワイヤ１０６ａと１０７ａで収集された電子は、図６と同様に、不図示の回路によって、ワイヤ１０６ａと１０７ａで収集された電子量、即ち、電流を測定できる様になっている。ワイヤ１０６ａと１０７ａで収集された電流は、ＩａとＩｔとする。
【００４３】
以上の構成において、容器１０３内部が、ガス導入口１１０ａを通して一度真空に引かれたのち、再びガス導入口１１０ａを通して、容器内の圧力が１．３３ｘ１０^３Ｐａになるまで、Ｋｒガスが導入される。
【００４４】
回折格子（不図示）が所定の角度に設定され、Ｘ線１０１が窓１０２ａを通して、Ｋｒガス１０４が満たされた容器１０３内に入射する。その時の回折格子の角度をθ１とする。入射したＸ線の一部は、容器１０３の前方部分の空間１１１ａでＫｒガスに吸収されると電子イオン対を作り、電子が円筒の中心部分に引かれ、中心付近で、電子が増幅されて、収集電極であるワイヤ１０６ａに収集され、信号Ｉａとして得られる。
【００４５】
容器１０３の前方部分で吸収されなかったＸ線の多くは、容器１０３の後方部分で吸収され、収集電極であるワイヤ１０７ａ収集され信号Ｉｔとして得られ、両者の差分Ｒが数式７によって与えられる。
【００４６】
次に、回折格子（不図示）がθ２になるように回転し、Ｘ線が容器３内に入射し、前述のようにＲ（θ２）が求められる。このようにして、各エネルギーのＸ線に対してＲ（θ）が求められる。Ｒ＝０となる角度θ０は、図４の実線のグラフから、９０．５ｅＶであり、角度θ０が９０．５ｅＶと校正される。
【００４７】
比例計数管の増幅率は、ガス圧力と印加する電圧、容器とワイヤの大きさで決まる。しかし、増幅率が上げるためにガス圧力を上げようとすると、Ｘ線の吸収が大きくなり、前方のワイヤ１０６ａの長さが短くなりすぎ、設計が困難となることがある。その場合、Ｋｒガスより、吸収率が小さく、校正すべきエネルギー領域に吸収端をもたないＨｅガスやＨガスをＫｒに混ぜても良い。その場合、主にＫｒガスがＸ線を吸収し、他のガスが電子を増幅する役を果たすことになる。
【００４８】
上述の実施例によれば、信号の正負が変化するので、吸収端の位置を正確に求められ、Ｘ線のエネルギーの変化に対する信号変化を大きくとることができる。また、Ｘ線を透過する窓を一枚のみ使用するので、２枚使用する従来の構成よりもガスを透過したＸ線強度が高くなり、ガスに入射する前のＸ線強度モニタが不用になる。これにより、Ｘ線強度が小さい場合、外部に設けた検出器によるＸ線強度で割り付ける必要がなく、統計誤差が小さくできる。これらより、高精度で校正することが可能なＸ線検出器を提供することができる。
【００４９】
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれらに限定されずその要旨の範囲内で様々な変形や変更が可能である。例えば、本実施形態及び実施例ではＸ線及びクリプトンを例に説明したが、本発明は他の放射線及び他の種類のガスを適用することもできる。
【００５０】
【発明の効果】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例のＸ線検出器の概略断面図である。
【図２】本発明の第２の実施例のＸ線検出器の概略断面図である。
【図３】本発明のＸ線検出器の原理を説明するための概略断面図である。
【図４】従来及び本実施例のＸ線検出器の信号強度とＸ線のエネルギーとの関係を示すグラフである。
【図５】従来及び本実施例のＸ線検出器の信号強度とＸ線のエネルギーとの関係を示すグラフである。
【図６】従来の電子箱の原理を示す概略断面図である。
【図７】従来の比例計数管を示す概略断面図である。
【図８】従来のＸ線分光器の概略断面図である。
【符号の説明】
１０１Ｘ線
１０２窓
１０３容器
１０４クリプトンガス
１０６、１０６ａ入射側の収集電極
１０７、１０７ａ後ろ側の収集電極

Claims

放射線が気体に吸収された際に放出される電子を補足及び増幅して信号を生成する放射線検出器において、
前記電子を補足する収集電極が少なくとも２つ以上に分割され、前記放射線が前記収集電極に沿って入射し、入射側の前記収集電極が、当該入射側の前記収集電極に対して前記放射線の進行方向の後ろ側の前記収集電極よりも短いことを特徴とする放射線検出器。
放射線が気体に吸収された際に放出される電子を補足して気体に吸収される放射線量を測定するＸ線検出器において、
前記電子を補足する収集電極が少なくとも２つ以上に分割され、入射側の前記収集電極が、当該入射側の前記収集電極に対して前記放射線の進行方向の後ろ側の前記収集電極よりも短いことを特徴とするＸ線検出器。
気体の吸収端より第１のエネルギーと第１のエネルギーよりも低い第２のエネルギーのガスの線吸収係数をｕｈ、ｕｌとし、前記入射側及び後ろ側の収集電極の長さをそれぞれＬａ、Ｌｔとすると、次式を満足することを特徴とする実施態様１又は２に記載のＸ線検出器。
前記収集電極を収納し、前記放射線が入射する一の窓を有する容器を有することを特徴とする実施態様１又は２記載のＸ線検出器。
分光器を利用して放射線の入射角を調節することによって抽出される特定のエネルギーの前記放射線を請求項１又は２記載のＸ線検出器に導入するステップと、
前記気体の透過率が変化する境界としての吸収端に対応する前記放射線のエネルギーを使用して前記分光器による前記放射線の入射角の調整を校正するステップとを有する前記分光器の校正方法。
気体を封入する容器内部と外側を連通させて、光路中を真空に引くステップを更に有することを特徴とする実施態様４に記載の方法。
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれらに限定されずその要旨の範囲内で様々な変形や変更が可能である。例えば、本実施形態及び実施例ではＸ線及びクリプトンを例に説明したが、本発明は他の放射線及び他の種類のガスを適用することもできる。