JP2008145111A - Ｘ線撮像装置、これに用いるｘ線源、及び、ｘ線撮像方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発生したＸ線の利用効率が高い、タルボ・ロー干渉計方式の高感度Ｘ線撮像装置を提供する。
【解決手段】電子源１１により、ターゲット１２に向けて電子線１１１を照射する。ターゲット１２は、電子線１１１の照射によってＸ線８を発生する。制御部１３は、電子線１１１を、ターゲット１２上において走査させる。これにより、ターゲット１２を縞状に励起して、Ｘ線８を発生させることができる。第一格子３は、ターゲット１２から発生したＸ線８を回折する。第二格子４は、第一格子３で回折したＸ線８をさらに回折する。Ｘ線画像検出器５は、第二格子４で回折したＸ線８を検出する。これにより、Ｘ線８の位相情報を利用した撮像が可能になる。
【選択図】図２

Description

本発明は、Ｘ線の位相を利用して被写体の内部構造を高感度で観察するためのＸ線撮像装置、これに用いるＸ線源、及びＸ線撮像方法に関するものである。

Ｘ線は透過力が高いゆえに、物体内部を透視するためのプローブとして、医用画像診断、非破壊検査、セキュリティチェックなどにおいて、広く利用されている。Ｘ線透視画像のコントラストは、Ｘ線減衰率の違いによっており、Ｘ線を強く吸収する物体はＸ線の影として描出される。Ｘ線吸収能は原子番号が大きい元素を多く含むほど強くなる。逆に原子番号が小さい元素から成る物質についてはコントラストがつきにくいことも指摘でき、これがＸ線透視画像の原理的欠点でもある。したがって、生体軟部組織やソフトマテリアルなどに対しては、十分な感度を得ることができない。

一方、Ｘ線の位相情報を利用すれば、一般的な従来のＸ線透視画像に比べて最高で約３桁の高感度化が実現することが知られている。Ｘ線をあまり吸収しない軽元素からなる物質（生体軟組織や有機材料など）の観察に適用できることから、その実用が期待される。

このＸ線位相情報を利用した高感度撮像法の研究は、１０年ほど前から興った分野であるが、通常は高度なＸ線源が必要となるために、現実的にはその実用は進んでいない。すなわち、単色平面波のＸ線を使うＸ線光学系がその主流としてこれまで研究されてきており、それゆえに極めて高い輝度のＸ線源の使用を前提としている。これは、実質的に巨大なシンクロトロン放射光施設の利用を前提とせざるを得ず、実用を検討する場合には大きな障害になっている。

広いバンド幅のコーンビームで機能する位相利用撮像法が実現すれば、シンクロトロン放射光以外のコンパクトＸ線源との組み合わせによる装置化が期待される。その候補として、Ｘ線タルボ干渉計によるＸ線位相撮像法が期待されている（下記特許文献１参照）。

ただし、ある程度の空間的可干渉性がＸ線に求められるため、コンパクトなＸ線源といっても、該当するものは実質的にマイクロフォーカスＸ線源ということになってくる。すなわち、必要な空間的可干渉性を確保するためには、Ｘ線発生源のサイズがある程度小さくなくてはならず、通常フォーカスのＸ線源は該当しない。しかしながら、長い露光時間が許されるケースを除いて、マイクロフォーカスＸ線源のパワーはＸ線撮像に適用するには不十分であるという問題がある。

その解決策として、通常フォーカスＸ線源とマルチスリット部を使うタルボ・ロー干渉計の利用がある（例えば下記特許文献２参照）。

このような干渉計の一例を図１に基づいて説明する。この干渉計は、Ｘ線源１と、マルチスリット部２と、第一格子３と、第二格子４と、Ｘ線画像検出器５とを備えている。Ｘ線源１からのＸ線８は、マルチスリット部２におけるスリットを通過して、第一格子３に向けて放射される。この干渉計では、マルチスリット部２と第二格子４との間に配置された物体７に、Ｘ線８を照射することができる。この干渉計によれば、物体７を透過したＸ線を、Ｘ線画像検出器５で検出することによって、物体７が弱吸収体であってもその形状を測定することが可能になる。

マルチスリット部２に形成された各々のスリットは、仮想的に、マイクロフォーカスＸ線源に対応する。各スリットからのＸ線は、それぞれ独立にＸ線タルボ干渉計を機能させる。マルチスリット部２に形成されたスリットの幅とピッチを所定のサイズに設定すれば、各スリットによる画像が常にコントラストを強めあうように重なり合う。すなわち、Ｘ線タルボ干渉計の機能を保ったまま、スリットの数だけＸ線強度を増やすことができる。しかも、通常フォーカスの高出力Ｘ線源が使用できる。

しかし、Ｘ線源１とマルチスリット部２とは、励起ビーム（電子線やレーザー光）のパスを確保するために、あまり接近させることができず、両者の間には、少なくとも数ミリメートルの間隔ができてしまう。まして、マルチスリット部２を大気中に配置する場合は、Ｘ線源１からＸ線窓（限定された方向のみにＸ線を放射させるための窓）までの距離（通常数センチメートル）以上はあけなくてはならない。Ｘ線は発生源から球面波状に広がるので、この距離の制約条件はＸ線強度の低下をもたらし、タルボ・ロー干渉計の利点が十分に生かされないことになってしまう。

マルチスリット部２におけるスリット幅は、空間的可干渉性を確保できるように十分に狭い必要がある。すなわち、マルチスリット部２におけるスリット幅w_sは

を満たすことが望ましい。ここで、
λ：Ｘ線の波長
Ｒ_１：マルチスリット部から第一格子までの距離
ｄ_１：第一格子におけるラインの周期
である。同時に、マルチスリット部２は、不必要なＸ線を遮蔽するために、十分に厚い必要がある。

例えば、λ＝０．０４ｎｍ、Ｒ_１＝１ｍ、ｄ_１＝５μｍとすると、w_sは８μｍ以下が望ましい。その厚さは、０．１ｍｍ以上は必要である。そのような条件を満たすマルチスリット部を製作することは一般に容易ではないという問題もある。

さらに、Ｘ線の波長や、第一および第二格子の配置を変更した場合、マルチスリット部のそれにあった寸法のものにその都度置き換える必要がある。
国際公開ＷＯ２００４／０５８０７０号公報 米国特許第５８１２６２９号公報

本発明は、前記した事情に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、Ｘ線タルボ・ロー干渉計による高感度Ｘ線撮像法において、マルチスリット部の機能をＸ線発生装置に組み込み、より高性能のＸ線撮像装置を提供することである。

項目１に係るＸ線撮像装置は、Ｘ線源と、第一格子と、第二格子と、Ｘ線画像検出器とを備えている。前記Ｘ線源は、ターゲット励起ビーム源と、ターゲットと、制御部とを備えている。前記ターゲット励起ビーム源は、前記ターゲットに向けて励起ビームを照射するものである。前記ターゲットは、前記励起ビームの照射によってＸ線を発生するものである。前記制御部は、前記励起ビームを、前記ターゲット上において走査するものである。前記第一格子は、前記ターゲットから発生したＸ線を回折する構成となっている。前記第二格子は、前記第一格子で回折したＸ線を回折する構成となっている。前記Ｘ線画像検出器は、前記第二格子で回折したＸ線を検出する構成となっている。

項目２に係るＸ線撮像装置は、項目１に記載のものにおいて、第二格子が、この第二格子を回折したＸ線によって周期的強度パターンを発生できる構成となっている。この装置によれば、第一格子と第二格子の組み合わせにより、第二格子を回折したＸ線によって周期的強度パターンが発生する。この周期的強度パターンの形状から、Ｘ線の波面の形状を得ることができる。

項目３に係るＸ線撮像装置は、項目１又は２に記載のものにおいて、前記ターゲット上における前記励起ビームの走査を、前記ターゲット上において、互いに一定の周期で離間した複数の線分を描くように行う構成となっている。

項目４に係るＸ線源は、Ｘ線撮像装置に用いられるＸ線源である。このＸ線源は、励起ビーム源と、ターゲットと、制御部とを備えている。前記励起ビーム源は、前記ターゲットに向けて励起ビームを照射するものである。前記ターゲットは、前記励起ビームの照射によってＸ線を発生するものである。前記制御部は、前記励起ビームを、前記ターゲット上において走査するものである。

項目５に係るＸ線撮像方法は、Ｘ線源と、第一格子と、第二格子と、Ｘ線画像検出器とを備えたＸ線撮像装置を用いる。前記Ｘ線源は、ターゲット励起ビーム源と、ターゲットと、制御部とを備えている。前記ターゲット励起ビーム源は、前記ターゲットに向けて励起ビームを照射するものである。前記ターゲットは、前記励起ビームの照射によってＸ線を発生するものである。前記制御部は、前記励起ビームを、前記ターゲット上において走査するものである。前記第一格子は、前記ターゲットから発生したＸ線を回折する構成となっている。前記第二格子は、前記第一格子で回折したＸ線を回折する構成となっている。前記Ｘ線画像検出器は、前記第二格子で回折したＸ線を検出する構成となっている。

この方法は、さらに、以下のステップを備えている：
（１）前記ターゲット上において、前記励起ビーム源からの励起ビームを走査させるステップ；
（２）前記ターゲットから生じたＸ線を前記第一格子により回折させるステップ；
（３）前記第一格子で回折したＸ線を前記第二格子により回折させるステップ；
（４）前記第二格子で回折したＸ線を前記Ｘ線画像検出器で検出するステップ。

項目６に係るＸ線撮像方法は、項目５に記載のものにおいて、さらに以下ステップを備えている：
（５）前記ターゲットから前記第二格子までの間に配置された物体に、前記ターゲットから発生した前記Ｘ線を照射するステップ。

本発明によれば、電子線やレーザー光などの励起ビームの走査によってタルボ・ロー干渉計に必要なＸ線を発生しているので、マルチスリット部を用いる場合に比較して、（１）製作に高度な技術を必要とするマルチスリット部を省略でき、（２）Ｘ線の利用効率を高められ、さらに、（３）Ｘ線の波長や格子配置の変更に対する柔軟性を増すことができる。

（実施形態の構成）
以下、本発明の一実施形態に係るＸ線撮像装置を、図２〜図４に基づいて説明する。なお、本実施形態の説明に於いては、従来のＸ線撮像装置と共通の構成については、同一の符号を付することで説明を簡略化する。

本実施形態に係るＸ線撮像装置は、Ｘ線源１０と、第一格子３と、第二格子４と、Ｘ線画像検出器５と主要な構成として備えている（図２参照）。

Ｘ線源１０は、励起ビーム源である電子源１１と、ターゲット１２と、制御部１３と、電源部１４とを備えている（図３参照）。

電子源１１は、ターゲット１２に向けて電子線１１１を照射するものである。電子源１１としては、電界放射型の電子源（高電界により固体表面近傍のポテンシャルバリアを薄くすることにより空間に電子を取り出すもの）が好適である。ただし、電子源１１としては、熱エネルギーにより電子放出を行う熱電子放出型のものを用いる事も可能である。

ターゲット１２は、電子線１１１の照射によってＸ線を発生するものである。ターゲット１２としては、例えば、Ｘ線発生効率の高い重元素のタングステン（Ｗ）又はモリブデン（Ｍｏ）により構成される。ただし、ターゲット１２としては、電子線１１１の照射によりＸ線を発生するものであれば利用可能である。本実施形態では、ターゲット１２は、円柱状に形成されている。このターゲット１２は、図示しない回転機構により軸周りに回転可能となっており、かつ、その外周面に電子線１１１を照射することでＸ線を発生するようになっている。

制御部１３は、電子源１１から生じる電子線１１１を、ターゲット１２上において走査させるものである。走査は、電子源１１から生じた電子線１１１の方向を、電界や磁界で制御することで行うことができる。本実施形態の制御部１３は、電子線１１１をターゲット１２上に収束させ、電子線１１１の方向と、電子線１１１の照射タイミングとを制御できるようになっている。制御部１３は、ターゲット１２を励起させる部分にのみ電子線１１１を照射し、復帰時（つまり帰線）においては照射しないように、その照射タイミングを制御している。電子線１１１の発生機構、方向制御機構、走査タイミングの制御機構については、既に従来からよく知られている技術を用いることができるので、これ以上詳細な説明は省略する。

制御部１３は、ターゲット１２上における電子線１１の走査を、ターゲット１２上において、互いに離間した複数の線分Ｌを描くように行う（図４参照）。線分Ｌどうしは、周期ｄ_ｓで互いに離間されている。この線分Ｌの部分が、ターゲット１２における励起部位１２１となる。したがって、複数の励起部位１２１どうしは、一定の周期ｄ_ｓで離間されたものとなっている。

第一格子３は、ターゲット１２から発生したＸ線８を回折する構成となっている。第一格子３は、周期ｄ_１で配置された複数のライン３１を有している。この構造はＸ線タルボ干渉計（特許文献１参照）で使用する格子と同様である。なお、励起部位１２１の第一格子３上への投影は、ライン３１とほぼ平行になるように第一格子３を配置する。

第二格子４は、第一格子３で回折したＸ線８を回折する構成となっている。第二格子４は、第一格子３と同様に、周期ｄ_２で配置された複数のライン４１を有している。この構造も従来のＸ線タルボ干渉計（特許文献１参照）と同様である。

励起部位１２１から第一格子３までの距離をR_１、第一格子３から第二格子４までの距離をR₂とする（図２参照）。ここで、物体（被写体）７は、第一格子３の直前に置くのが一般的であるが、原理的には励起部位１２１と第二格子４の間にあればよい。

第一格子３と第二格子４とにおける、ピッチd₁、d₂と距離R₁, R₂との関係は、

で表せる。ここでmは、第一格子３が位相格子である場合は半整数、吸収格子である場合は整数である。ただし、実際のR₂は、前記の条件で与えられる値に対して数％の誤差程度に近い値であれば問題ない。式(１）および式（２）は、マルチスリット部を使う従来の技術においても共通に成り立つものである。

図４における励起部位１２１の縞状パターンの周期d_sは、

を満たしていればよい。nは正の整数である。図１のマルチスリット部におけるスリットの周期も、同様にして与えられる。

Ｘ線画像検出器５は、第二格子４で回折したＸ線８を検出する構成となっている。画像検出器５は、第二格子４のすぐ背後に設置されている。Ｘ線画像検出器５についても、従来と同様の構成でよいので、詳細な説明は省略する。

（本実施形態に係るＸ線撮像装置の作用）
つぎに、本実施形態に係るＸ線撮像装置の動作について説明する。

まず、電子源１１からの電子線１１１をターゲット１２に照射し、ターゲット１２を励起して、Ｘ線８を発生させる。このとき、Ｘ線はあらゆる方向に発生するが、図では実際に利用する特定の方向のみのＸ線を描いている。

ここで、本実施形態では、電子線１１１の径を数ミクロン程度に絞り、それを走査することにより、励起部位１２１の形状を縞状にパターン化する。発生したＸ線８は、ターゲット１２の表面から約６度仰ぎ見る方向に取り出して使われる。このとき、線状の励起部位１２１は、Ｘ線の取り出し側から見ると近似的に点とみなすことができる。すなわち、本実施形態では、擬似的に、マイクロフォーカスＸ線源の配列が形成されることになる（図４参照）。ここで、励起部位１２１どうしは、周期ｄ_ｓで互いに離間された状態で形成される。

Ｘ線源１０で発生したＸ線８は、物体７を透過した後、第一格子３及び第二格子４で回折され、Ｘ線画像検出器５により検出される。検出されたＸ線を解析することにより、物体７が弱吸収物体であっても、その構造を観察することができる。本実施形態においてＸ線画像を解析する手法は、従来と同様なので、詳細な説明は省略する。ここで、本実施形態では、電子線照射を素早く行うことにより、Ｘ線発生が各励起箇所で同時に生じていると見なすことができる。

なお、Ｘ線を発生させるためにターゲットに照射する励起ビームとして、高強度のレーザー光とすることも可能である。その場合は、レーザー光源からミラーやファイバを用いて光を導くことになるが、照射部位を走査するためには、傾き角を高速で制御できる振動ミラーを用いればよい。

本実施形態の装置によれば、以下の利点を得ることができる。
（１）本実施形態では、電子線１１１の走査によって、ターゲット１２上に、擬似的なマイクロフォーカスＸ線源を形成することができる（図４参照）。ここから生じるＸ線により、マルチスリット部を設けた場合と同様のＸ線源を得ることができる。
したがって、本実施形態の装置によれば、従来の技術におけるマルチスリット部を省略することができる。

（２）また、従来の技術では、マルチスリット部を用いると、励起部位とマルチスリット部との間に間隙を生じ、これによってＸ線の利用効率が低下するという問題があった。本実施形態の装置では、ターゲット１２の励起部位１２１が直ちに擬似的なマルチスリットとなるので、従来のような隙間は原理的に存在しない。下記に計算による詳しい根拠を示しているが、本実施形態によれば、Ｘ線の利用効率を向上させることができる。

（３）本実施形態においては、ターゲット１２上における励起部位１２１のパターンを電子線１１１の走査で描くので、必要に応じてそのピッチや太さを容易に変更することができる。

次に、本実施形態の装置の場合と、従来のマルチスリット部と使う装置の場合とで、最終的にＸ線タルボ・ロー干渉計において使うことができるＸ線強度を比較する（図５参照）。

まず、従来のマルチスリット部２（幅w）が従来の線源１（図１参照）から距離lだけ隔てて配置されているとする。このとき、マルチスリット部２に形成されたスリットを通るＸ線の強度は、w²I/l²に比例することが、幾何的考察からわかる。Iは電子ビームの電流値である（図５（ａ）参照）。なお、図５（ａ）においては、ターゲット１２が回転するようになっている。またこの図において符号Ｐは、電子線の照射領域（直径ａ）を示している。

一方、図５（ｂ）に示す本実施形態の場合、図５（ａ）に対応する領域を電子線で走査する。対応するＸ線の強度（すなわち励起部位１２１から発生するＸ線の強度）は、同じく幾何学的考察からd_swI’/a²となる。d_sは電子による走査線の間隔であり、wはその太さである。I’は走査する電子ビームの電流値である。

従来の技術においても、強いＸ線を得るためには、より多くの電流を流せばよい。しかし、このことは、同時に、ターゲットに対する熱負荷を増すことになる。そこで、ターゲットには、熱負荷を逃がすために、通常水冷機構が設けられている。この水冷機構については、従来のものも本実施形態のものも同等の構成にすることができる。すなわち、両技術において、単位面積あたりの許容熱負荷が等しいと仮定できる。この場合は、ターゲットへの単位面積あたりの電流が等しいことになる。すなわち、I = I’がいえる。これに基づけば、図５（ａ）に示した従来方式と、同図（ｂ）に示した本本実施形態による走査方式でのＸ線強度の比は

で与えられることになる。例えば、l = 5 cm、a = 1 mm、d = 50 μm、w = 10 μmの場合、本実施形態によれば、従来の技術に対して約一万倍の利得が得られることがわかる。

上でI = I’を仮定したが、正確にはI > I’であることは予想される。すなわち、熱伝達率は有限であるので、平均的な熱負荷よりも局所的な熱負荷による制限が厳しいからである。しかしながら、ターゲットは熱負荷を分散させるために一般に回転式になっており、走査式の場合も適度の熱負荷を分散させることが可能である。したがって、I と I’の差は一桁以上違うとは考えがたい。このため、上記の試算の結果（一万倍の利得）に近い利点を発揮できると考えられる。

なお、前記実施形態および実施例の記載は単なる一例に過ぎず、本発明に必須の構成を示したものではない。各部の構成は、本発明の趣旨を達成できるものであれば、上記に限らない。

たとえば、前記した各実施形態における構成要素は、機能要素として存在していればよく、装置または部品としては、他の要素と統合されていてもよく、また、複数の部品によって一つの要素が実現されていてもよい。

タルボ・ロー干渉計を用いる従来のＸ線撮像装置の概略的な構成を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係るＸ線撮像装置の概略的な構成を示す説明図である。 図２のＸ線撮像装置に用いるＸ線源の概略的な説明図である。 電子線が照射されたターゲットにおける励起部位の配列状態を示す説明図である。 Ｘ線発生の効率を説明するための説明図であって、図（ａ）は従来方式の説明図、図（ｂ）は本実施形態による方式の説明図である。

符号の説明

３ 第一格子
３１ ライン
ｄ_１ 第一格子のラインにおける周期
４ 第二格子
４１ ライン
ｄ_２ 第二格子のラインにおける周期
５ Ｘ線画像検出器
７ 物体（被写体）
８ Ｘ線
１０ Ｘ線源
１１ 電子源
１１１ 電子線
１２ ターゲット
１２１ 励起部位
１３ 制御部
１４ 電源部

Claims (6)

1. Ｘ線源と、第一格子と、第二格子と、Ｘ線画像検出器とを備えており、
   前記Ｘ線源は、ターゲット励起ビーム源と、ターゲットと、制御部とを備えており、
   前記ターゲット励起ビーム源は、前記ターゲットに向けて励起ビームを照射するものであり、
   前記ターゲットは、前記励起ビームの照射によってＸ線を発生するものであり、
   前記制御部は、前記励起ビームを、前記ターゲット上において走査するものであり、
   前記第一格子は、前記ターゲットから発生したＸ線を回折する構成となっており、
   前記第二格子は、前記第一格子で回折したＸ線を回折する構成となっており、
   前記Ｘ線画像検出器は、前記第二格子で回折したＸ線を検出する構成となっている
   ことを特徴とするＸ線撮像装置。
2. 前記第二格子は、この第二格子を回折したＸ線によって周期的強度パターンを発生できる構成となっている
   ことを特徴とする請求項１に記載のＸ線撮像装置。
3. 前記ターゲット上における前記励起ビームの走査は、前記ターゲット上において、互いに一定の周期で離間した複数の線分を描くように行われることを特徴とする請求項１又は２に記載のＸ線撮像装置。
4. Ｘ線撮像装置に用いられるＸ線源であって、
   前記Ｘ線源は、励起ビーム源と、ターゲットと、制御部とを備えており、
   前記励起ビーム源は、前記ターゲットに向けて励起ビームを照射するものであり、
   前記ターゲットは、前記励起ビームの照射によってＸ線を発生するものであり、
   前記制御部は、前記励起ビームを、前記ターゲット上において走査するものである
   ことを特徴とするＸ線源。
5. Ｘ線源と、第一格子と、第二格子と、Ｘ線画像検出器とを備えており、
   前記Ｘ線源は、ターゲット励起ビーム源と、ターゲットと、制御部とを備えており、
   前記ターゲット励起ビーム源は、前記ターゲットに向けて励起ビームを照射するものであり、
   前記ターゲットは、前記励起ビームの照射によってＸ線を発生するものであり、
   前記制御部は、前記励起ビームを、前記ターゲット上において走査するものであり、
   前記第一格子は、前記ターゲットから発生したＸ線を回折する構成となっており、
   前記第二格子は、前記第一格子で回折したＸ線を回折する構成となっており、
   前記Ｘ線画像検出器は、前記第二格子で回折したＸ線を検出する構成となっているＸ線撮像装置を用い、
   さらに、以下のステップを備えているＸ線撮像方法：
   （１）前記ターゲット上において、前記励起ビーム源からの励起ビームを走査させるステップ；
   （２）前記ターゲットから生じたＸ線を前記第一格子により回折させるステップ；
   （３）前記第一格子で回折したＸ線を前記第二格子により回折させるステップ；
   （４）前記第二格子で回折したＸ線を前記Ｘ線画像検出器で検出するステップ。
6. さらに以下ステップを備えている、請求項５に記載のＸ線撮像方法：
   （５）前記ターゲットから前記第二格子までの間に配置された物体に、前記ターゲットから発生した前記Ｘ線を照射するステップ。
   

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