JP2009053090A - 材質識別検査装置および方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】検査物5を搬送する搬送装置12と、被検査物に対し、搬送方向に直交する同一断面内で、2以上の異なる方向から、所定のエネルギー分布を有する入射X線7を、同時又は時間をずらして照射するX線照射装置14と、入射X線が被検査物を透過した透過X線8から2以上のエネルギー領域のX線強度を弁別して計測するX線検出装置16と、2以上のエネルギー領域における入射X線と透過X線の強度から、被検査物の実効原子番号Zeffと電子密度ρeを算出し、これから被検査物の材質を識別する演算装置18とを備える。
【選択図】図2
Description
さらに、近年になって、被検査物の材質を識別する手段が種々提案されている(例えば特許文献1〜4)。
そのため、この発明では、図6に模式的に示すように、予め元素が既知の対象物にX線を照射して、透過X線の検出出力と対象物の厚みとの特性データを、照射X線のエネルギー別および元素別に求めて特性データとして特性データ格納手段(特性データメモリ50)に格納しておき、X線源(第1,2X線管52H,52L)からエネルギーの異なる2つのX線を被測定物51に照射し、各X線に対する透過X線を検出器(第1,2ラインセンサX線管56H,56L)で検出して検出出力レベルを求める。材質特定手段(画像メモリ54a,演算,比較回路54b,制御回路54c)は、特性データを用いて2つの検出出力レベルに対応する対象物の厚みを求め、厚みが一致する元素を求める。異なるX線エネルギーによる検出出力レベルに対する厚みの一致から、被測定物中に含まれる対象物の元素を特定し、被測定物の材質を特定するものである。
そのため、この発明の装置は、X線透視画像信号を作成する手段、中性子画像信号を作成する手段、これらの信号を基にX線透視画像の中に中性子透視画像を合成して表示する手段からなるものである。
そのため、この発明では、図8に模式的に示すように、(a)高速中性子源71及び連続エネルギー・スペクトルX線源74でそれぞれ産生された高速中性子ビーム72及び連続エネルギー・スペクトルX線ビーム75を被検対象77に照射する;(b)X線検出器アレー76及び中性子検出器アレー73にて、透過したX線ビーム75及び高速中性子ビーム72の強度を直接計測する;(c)被検対象77の異なる材料を透過した中性子ビームとX線ビームの減衰差によって形成された曲線により、被検対象の材料に対して材料識別を行う;ステップを含む。高速中性子と連続エネルギー・スペクトルX線との透過減衰強度が異なるように構成され、被検対象の厚さと無関係に被検対象の等効原子番号Zとのみ関係するn−X曲線を利用して材料識別を行う。
しかし、X線CT装置では、X線と検出器を回転させるための回転機構を有するため、検査速度が遅い。また検査対象物の周囲、180度分のデータを取得するため、バッチ式処理となってしまい、連続的に検査できない。さらにX線エネルギーもスペクトルが連続であるため、物質は経験値利用による目安でしか識別できなかった。
前記被検査物に対し、搬送方向に直交する同一断面内で、2以上の異なる方向から、所定のエネルギー分布を有する入射X線を、同時又は時間をずらして照射するX線照射装置と、
前記入射X線が被検査物を透過した透過X線から2以上のエネルギー領域のX線強度を弁別して計測するX線検出装置と、
前記2以上のエネルギー領域における入射X線と透過X線の強度から、被検査物の実効原子番号と電子密度を算出し、これから被検査物の材質を識別する演算装置と、を備えたことを特徴とする材質識別検査装置が提供される。
前記X線検出装置は、前記被検査物を透過した線状のX線から2以上のエネルギー領域の強度分布を弁別して計測する線状検出器である。
前記2以上のエネルギー領域における入射X線と透過X線の強度と前記厚さから、各エネルギー領域における2以上の減弱係数μを求め、
光電効果、コンプトン効果及び減弱係数の関係から実効原子番号Zeffと電子密度ρeを算出し、これから被検査物の材質を識別する。
前記被検査物に対し、搬送方向に直交する同一断面内で、2以上の異なる方向から、所定のエネルギー分布を有する入射X線を、同時又は時間をずらして照射し、
前記入射X線が被検査物を透過した透過X線から2以上のエネルギー領域のX線強度を弁別して計測し、
前記2以上のエネルギー領域における入射X線と透過X線の強度から、被検査物の実効原子番号と電子密度を算出し、これから被検査物の材質を識別する、ことを特徴とする材質識別検査方法が提供される。
前記被検査物を透過した線状のX線から2以上のエネルギー領域の強度分布を弁別して計測する。
前記2以上のエネルギー領域における入射X線と透過X線の強度と前記厚さから、各エネルギー領域における2以上の減弱係数μを求め、
光電効果、コンプトン効果及び減弱係数の関係から実効原子番号Zeffと電子密度ρeを算出し、これから被検査物の材質を識別する。
また、演算装置により前記2以上のエネルギー領域における入射X線と透過X線の強度から、被検査物の実効原子番号と電子密度を算出し、これから被検査物の材質を識別するので、短時間にその材質を識別することができ、かつ予めX線の検出出力と対象物の厚みとの特性データを求める必要がない。
図1は、本発明で使用するX線管とX線検出器のスペクトル図である。
この図において、横軸はX線のエネルギー、1はX線管から放射される入射X線の強度分布、2はエネルギー弁別機能付きX線検出器による入射X線の検出強度分布、3はある物質を透過した透過X線のX線検出器による検出強度分布である。
X線の波長は、約0.01〜100Å(10-12〜10-8m)程度であり、波長λ[Å]とX線エネルギーE[keV]との間には、式(1)の関係がある。
E=12.4/λ・・・(1)
従って、波長λ[Å]と光量子エネルギーE[keV]は1対1で対応している。
I1=I10exp(−μ1x)・・・(2a)
I2=I20exp(−μ2x)・・・(2b)
ここで、μ1,μ2はX線エネルギーE1,E2における減弱係数(又は線吸収係数)である。
μ1=ρeZeff 4A1+ρeB1・・・(3a)
μ2=ρeZeff 4A2+ρeB2・・・(3b)
減弱係数μ1,μ2を実験的に求めることにより、上記式(3a)(3b)において、A1,A2,B1,B2は理論的に求まるため、2つの未知数Zeff,ρeを求めることができる。
またこの例において、X線照射装置14は、垂直方向と水平方向に固定配置された2台のX線管15a,15bであり、搬送方向に直交する同一断面内で被検査物5に対し所定のエネルギー分布の入射X線7を線状かつ扇状に照射するようになっている。
またこの例において、X線検出装置16は、2台のX線管15a,15bに対向するように水平方向と垂直方向に固定配置された2台の線状検出器17a,17bであり、被検査物5を透過した線状のX線から2以上のエネルギー領域E1,E2の強度分布I1,I2を弁別して計測するようになっている。
次いで、2以上のエネルギー領域E1,E2における入射X線7と透過X線8の強度と厚さxから、式(2a)(2b)により、各エネルギー領域E1,E2における2以上の減弱係数μ1,μ2を求める。
次に、光電効果、コンプトン効果及び減弱係数の関係(上記(3a)(3b)の式)から、実効原子番号Zeffと電子密度ρeを算出する。被検査物5の材質は、実効原子番号Zeffと電子密度ρeから一般的に容易に特定でき識別が完了する。
本発明の材質識別検査方法は、上述した装置を用い、搬送ステップS1、照射ステップS2、計測ステップS3、および識別ステップS4からなる。
照射ステップS2では、被検査物5に対し、搬送方向に直交する同一断面内で、2以上の異なる方向から、所定のエネルギー分布1を有する入射X線7を照射する。
計測ステップS3では、入射X線7が被検査物5を透過した透過X線8から2以上のエネルギー領域E1,E2のX線強度I1,I2を弁別して計測する。
識別ステップS4では、2以上のエネルギー領域E1,E2における入射X線7と透過X線8の強度I10,I20、I1,I2から、被検査物5の実効原子番号Zeffと電子密度ρeを算出し、これから被検査物5の材質を識別する。
厚さ特定ステップS41では、2以上の異なる方向から得られたX線の強度分布から、前記各方向の被検査物5の厚さxを特定する。
減弱係数算出ステップS42では、2以上のエネルギー領域における入射X線7と透過X線8の強度と被検査物5の厚さxから、各エネルギー領域E1,E2における2以上の減弱係数μ1,μ2を求める。
実効原子番号・電子密度算出ステップS43では、光電効果、コンプトン効果及び減弱係数の関係から実効原子番号Zeffと電子密度ρeを算出する。
材質識別ステップS44では、実効原子番号Zeffと電子密度ρeから被検査物の材質を決定する。
また、演算装置18により2以上のエネルギー領域E1,E2における入射X線7と透過X線8の強度から、被検査物5の実効原子番号Zeffと電子密度ρeを算出し、これから被検査物5の材質を識別するので、短時間にその材質を識別することができ、かつ予めX線の検出出力と対象物の厚みとの特性データを求める必要がない。
また、3台のX線管15a,15b,15cは、被検査物5およびその容器6を囲みながら周方向に所定の角度範囲(例えば120°以内)で互いに同期して図示しない駆動装置により旋回するようになっている。
また、3台の線状検出器17a,17b,17cは、被検査物5およびその容器6を囲みながら3台のX線管15a,15b,15cに対向しながら周方向に所定の角度範囲(例えば120°以内)で互いに同期して図示しない駆動装置で旋回可能になっている。
その他の構成は第1実施形態と同様である。
なおその他の効果は、第1実施形態と同様である。
上述した(3a)(3b)の式から、2つの未知数Zeff,ρeを求める手段について以下に説明する。
式(3a)(3b)から、以下の関係が得られる。
Zeff 4=(μ1B2−μ2B1)/(μ2A1−μ1A2)・・・(4a)
ρe=(μ1A2−μ2A1)/(A2B1−A1B2)・・・(4b)
f(Zeff)=Zeff 4−(μ1B2−μ2B1)/(μ2A1−μ1A2)・・・(5a)
ρe(Zeff)=ρe−(μ1A2−μ2A1)/(A2B1−A1B2)・・・(5b)
またコンプトン効果に関する比例定数B1,B2は、Klein−Nishnaの式から求めることができる。
ここで、非弾性散乱の補正と弾性散乱をあわせた式として、数1の式(7)を使用する。さらにσcohは、式(8)を使用する。なお物質の電子密度ρeは、物質の実効原子番号Zeffにより一意に決まる。
この図において、横軸は実効原子番号Zeff、縦軸は上述したf(Zeff)とρe(Zeff)を示している。この実施例において、2種の入射X線は、単色ではなく、図1に模式的に示した強度分布2,3の中心エネルギーE1,E2を用いている。
この図から、炭素、マグネシウム、アルミニウム、鉄にそれぞれ対応する原子番号Zにおいて、f(Zeff)、ρe(Zeff)がそれぞれ0に近い最小極値を示しているのがわかる。
すなわち、比例定数A1,A2、比例定数B1,B2を実効原子番号Zeffに対応させてそれぞれ理論式から求めることにより、式(5a)(5b)を満たす物質の実効原子番号Zeffと物質の電子密度ρeを正確に計算することができる。
また、演算装置により前記2以上のエネルギー領域における入射X線と透過X線の強度から、被検査物の実効原子番号と電子密度を算出し、これから被検査物の材質を識別するので、短時間にその材質を識別することができ、かつ予めX線の検出出力と対象物の厚みとの特性データを求める必要がない。
なお、上述の例ではエネルギー領域が2つの場合を示したが、3以上のエネルギー領域を用いて、連立方程式の数を増やし、より高精度な材質識別を行ってもよい。
2 入射X線の検出強度分布、
3 透過X線の検出強度分布、
5 被検査物、7 入射X線、8 透過X線、
10 材質識別検査装置、12 搬送装置、
14 X線照射装置、15a,15b,15c X線管、
16 X線検出装置、17a,17b,17c 線状検出器、
18 演算装置、
Claims (6)
- 被検査物を搬送する搬送装置と、
前記被検査物に対し、搬送方向に直交する同一断面内で、2以上の異なる方向から、所定のエネルギー分布を有する入射X線を、同時又は時間をずらして照射するX線照射装置と、
前記入射X線が被検査物を透過した透過X線から2以上のエネルギー領域のX線強度を弁別して計測するX線検出装置と、
前記2以上のエネルギー領域における入射X線と透過X線の強度から、被検査物の実効原子番号と電子密度を算出し、これから被検査物の材質を識別する演算装置と、を備えたことを特徴とする材質識別検査装置。 - 前記X線照射装置は、前記同一断面内で前記被検査物に対し所定のエネルギー分布のX線を線状に照射するX線管であり、
前記X線検出装置は、前記被検査物を透過した線状のX線から2以上のエネルギー領域の強度分布を弁別して計測する線状検出器である、ことを特徴とする請求項1に記載の材質識別検査装置。 - 前記演算装置は、2以上の異なる方向から得られたX線の強度分布から、前記各方向の被検査物の厚さxを特定し、
前記2以上のエネルギー領域における入射X線と透過X線の強度と前記厚さから、各エネルギー領域における2以上の減弱係数μを求め、
光電効果、コンプトン効果及び減弱係数の関係から実効原子番号Zeffと電子密度ρeを算出し、これから被検査物の材質を識別する、ことを特徴とする請求項2に記載の材質識別検査装置。 - 被検査物を搬送し、
前記被検査物に対し、搬送方向に直交する同一断面内で、2以上の異なる方向から、所定のエネルギー分布を有する入射X線を、同時又は時間をずらして照射し、
前記入射X線が被検査物を透過した透過X線から2以上のエネルギー領域のX線強度を弁別して計測し、
前記2以上のエネルギー領域における入射X線と透過X線の強度から、被検査物の実効原子番号と電子密度を算出し、これから被検査物の材質を識別する、ことを特徴とする材質識別検査方法。 - 前記同一断面内で前記被検査物に対し所定のエネルギー分布のX線を線状に照射し、
前記被検査物を透過した線状のX線から2以上のエネルギー領域の強度分布を弁別して計測する、ことを特徴とする請求項4に記載の材質識別検査方法。 - 2以上の異なる方向から得られたX線の強度分布から、前記各方向の被検査物の厚さxを特定し、
前記2以上のエネルギー領域における入射X線と透過X線の強度と前記厚さから、各エネルギー領域における2以上の減弱係数μを求め、
光電効果、コンプトン効果及び減弱係数の関係から実効原子番号Zeffと電子密度ρeを算出し、これから被検査物の材質を識別する、ことを特徴とする請求項5に記載の材質識別検査方法。
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