JP2009538427A - テーパの付いた吸収カラーを有するポータブルｘ線蛍光測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ハンドヘルドのＸ線蛍光測定装置からのＸ線の漏れを防止する。
【解決手段】本発明は、テスト材料の元素の組成を測定するための測定装置であって、テスト材料の被照射領域を照射するための透過放射線源と、テスト材料による蛍光放射線を検出し、検出信号を発生するための検出器と、検出信号を、テスト材料の組成の特徴を定めるスペクトルに変換するためのコントローラと、テスト材料の表面に実質的に平行な方向の、被照射領域からのラジアル距離と共に厚さが減少することを特徴とする減衰材料のプラテンと、を備える。テスト材料の被照射表面に隣接し、この照射表面から外側に延びると共に、この表面を囲むように、減衰材料のプラテンが延びている。所定の実施形態では、テスト材料の中心被照射領域からのラジアル距離が増加するにつれ、減衰プラテンの厚さが薄くなるように減衰プラテンにはテーパが付けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、人が危険なレベルの周辺放射線に照射されないようにしながら、Ｘ線蛍光測定を実行するための方法および装置に関する。

Ｘ線蛍光（ＸＲＦ）測定装置は、材料にＸ線またはガンマ線を照射し、蛍光放射線を分析し、特定の性質を測定することにより、材料の性質を決定するものである。本明細書および特許請求の範囲で使用する「Ｘ線」なる用語は、放射線源またはＸ線管のような装置のいずれかにより発生される放射線を意味し、この用語の範囲内ではガンマ線を含むすべての種類の透過放射線を含む。測定すべき特定の性質として、被照射対象の元素の組成、または対象の近接表面における特定元素の分布、または対象の密度、またはモルフォロジーを挙げることができる。

ＸＲＦ測定装置は、オペレータが過度の電離放射線を受けないよう、コリメート化されたビームと適当なシールドとを一般に有する。例えば、研究室用のＸＲＦ測定装置では、ＸＲＦ測定装置から、無視できる放射線しか発せられないよう、オペレータ自身が測定装置およびサンプルを、一般に完全にカバーしなければならない。

ポータブルＸＲＦ測定装置は、特殊な放射線シールド条件を有する。その理由は、これら測定装置を使用するには、一般にオペレータが測定を行っている間、測定装置を保持しなければならないからである。周辺放射線レベルが主要な問題となる。オペレータとその近くの人は、過度のレベルの電離放射線を受けてはならない。鉛塗料に関し、家屋を検査するＸＲＦ測定装置が、本発明の特定の一実施形態であり、そのニーズの良好な例を提供するものである。

ポータブルＸＲＦ測定装置は、現在では家屋の塗装された壁における鉛の密度を定量的に測定するための選択手段である。市販されているポータブルＸＲＦ鉛塗料測定装置は、塗装表面における鉛原子を励起する蛍光放射線を発生するために、¹⁰⁹Ｃｄおよび⁵⁷Ｃｏのような放射線源またはＸ線管のいずれかを使用する。鉛の蛍光特性Ｘ線の強度は、密度の尺度を与え、塗料が決められている規制限度内にあるかどうかを検査員が判断できるようにする。

許容される周辺放射線レベルは国ごとに異なっている。米国の規制は、測定装置のＸ線出口ポートの直接後方の周辺スペースにおける放射線レベルを規制している。特に問題となるのは、オペレータの手または顔が位置し得る空間である。測定の際には、検査すべき壁とオペレータの手、腕および身体の表面との間の空間における放射線レベルには最小の注意しか払われていない。米国における放射線の制限は、測定装置自身をシールドすることにより満たすことができる。

欧州における放射線の制限は、現在では米国における制限よりもかなり厳格である。測定場所にいる作業員に対する放射線の許容レベルは、１０分の１以下である。すなわち欧州では１μＳｖ／時であるのに対し、米国では１０μＳｖ／時となっている（μＳｖ／時とは、１時間当たりのマイクロシーベルの標準的な略称であり、現在の絶対的な単位では、１００マイクロレムの放射線に等価的な放射線のレベルである）。更に、本発明に特別重要なこととして、フランスでは、ＸＲＦ測定装置のアクセス可能な表面から１０ｃｍのポイントが１μＳｖ／時レベルを超えてはならないことが求められている。この条件は、ＸＲＦ測定装置の内部にシールドを設けても満足させることはできない。

市販のハンドヘルドのＸ線蛍光測定装置は、測定装置のノーズ内に放射線吸収材料を有している。この吸収材料は、放射線源から直接出る放射線を吸収するが、出口ポートを通る放射線は吸収せず、研究対象のサンプルに放射線が入射するように設計されている。この吸収材料は、１回散乱された放射線が検出器に進入せず、かつ実行中の測定を混乱させないように、１回散乱された放射線も吸収する。しかしながら、検査装置のノーズに設けられた吸収材料は、測定装置のノーズに交差しないよう、ある場所で、ある方向から、ターゲットから発せられるように何回も散乱された放射線は阻止できない。

本発明の好ましい実施形態によれば、ユーザーが手で保持している蛍光測定装置により、テスト材料の組成を検査するための方法が提供される。この方法は、
ａ．透過放射線によりテスト材料の表面の被照射領域を照射するステップと、
ｂ．前記テスト材料から発せられた蛍光放射を検出するステップと、
ｃ．前記テスト材料の表面に実質的に平行な方向の、被照射領域からのラジアル距離と共に厚さが減少することを特徴とする放射線シールドにより、前記テスト材料の表面から発せられる電離放射線からユーザーをシールドするステップとを有する。

本発明の別の実施形態によれば、前記ユーザーをシールドする前記ステップは、前記テスト材料の表面の前記被照射領域から外側に延びる放射線シールドによりシールドすることを含むことができる。

本発明の別の様相によれば、テスト材料の元素の組成を測定するための測定装置が提供される。この装置は、前記テスト材料の被照射領域を照射するための透過放射線源と、前記テスト材料による蛍光の放射を検出し、検出信号を発生するための検出器とを有する。この装置は、更に前記検出信号を、前記テスト材料の組成の特徴を定めるスペクトルに変換するためのコントローラと、前記テスト材料の表面に実質的に平行な方向の、被照射領域からのラジアル距離と共に厚さが減少することを特徴とする減衰材料のプラテンも有する。

本発明の別の実施形態では、前記減衰材料は、ポリマー基材に埋め込まれた、原子番号が４５よりも大きい金属とすることができる。締結具により前記測定装置に前記減衰材料のプラテンを結合でき、この減衰材料のプラテンは、前記測定装置から取り外し自在とすることができ、エラストマー製の外側層を含むこともできる。この減衰材料のプラテンは、前記被照射表面と多数回相互作用した前記電離放射線が、周辺環境を通って伝搬する前に、前記放射線シールドによって減衰されるようなサイズにできる。この減衰材料のプラテンの厚みは、前記被照射領域からのラジアル距離の二乗よりも急激に、前記被照射領域からのラジアル距離と共に減少できる。

添付図面と共に、次の詳細な説明を読めば、本発明のこれまでの特徴について、より容易に理解できよう。

本発明の実施形態によれば、次に図１を参照して説明するように、多数回散乱したＸ線が、規制限度を超える強度でＸＲＦ測定装置から比較的離れた壁を励起することを防止するのに、カラーの形態をしたシールドが使用される。

本発明がなぜ必要であるか、かつ本発明をどのように設計すべきかを完全に理解するために、Ｘ線ビームが材料に進入し、コンプトン散乱を生じさせる周辺放射線の発生元を理解しなければならない。

周辺放射線の物理
これまでの説明は、特に鉛塗料の分析に使用されるＸＲＦ測定装置に関するものであったが、この説明から引き出される結論および以下に説明する発明は、広範な用途、特に土壌およびプラスチックのＸＲＦ分析にも適用できると理解しなければならない。

分析のために１０.５ｋｅＶおよび１２.６ｋｅＶの鉛のＬラインのＸ線を使用するときの、鉛を蛍光励起するＸ線のエネルギーは、一般に２０ｋｅＶのレンジ内にあり、分析のために７２.８ｋｅＶおよび７５ｋｅＶのＫラインのＸ線を使用するときのＸ線のエネルギーは、８８ｋｅＶより大である。次の説明では、ＬラインのＸ線を励起するのに（¹⁰⁹Ｃｄからの）２２.２ｋｅＶの蛍光エネルギーに限定し、ＫラインのＸ線を励起するのに使用される（⁵⁷Ｃｏからの）１２２ｋｅＶに限定するものとする。しかしながら、これら特定の値は、発明を説明するためのものであり、発明を限定するものでないと理解すべきである。

図１を参照すると、ハンドヘルドのＸＲＦ測定装置２は壁４に当接した位置に示されている。この測定装置２は、矢印８（この数字は、発生されるＸ線も示している）によって表示される、主に伝搬軸線に沿って透過放射線を発生し、この測定装置は、本明細書ではＸ線８を放出するＸＲＦ測定装置２として説明する。Ｘ線８は、図示されるような放射線源またはＸ線管またはＸ線を発生する他の装置とすることができる線源１００から発生される。Ｘ線はＸＲＦ測定装置２を出てテストサンプル６に進入する。このサンプルは図示されている例では、壁４の上の塗膜となっている。Ｘ線８の一部は、蛍光１０または測定装置２に戻るような散乱を生じさせ、ＸＲＦ測定装置２の検出器１０２でカウントされるか、または測定装置の壁２０によって吸収される。蛍光フォトンの検出は、検出器の信号を生じさせ、この信号はデジタル信号プロセッサ１０４およびコントローラ１０６によって処理され、例えば（２００４年７月２０日に、発明者グロジン外に付与された）米国特許第6,765,986号に記載されているような技術に従って、テストサンプル６の元素の含有量の識別を可能にするスペクトルを発生する。

Ｘ線２４の一部は壁から後方に散乱し、ＸＲＦ測定装置に検出されない。しかしながら、多くのＸ線１２および１６は、壁の材料自身の内部で散乱される。壁の材料内部に散乱したＸ線の一部は再び散乱し、この結果、Ｘ線２２および１２６がＸＲＦ測定装置２からかなりの距離にある塗装された壁から出ることになる。

このように、壁から出るＸ線の相対的強度は、コンプトン散乱の角度分布、散乱した放射線のエネルギー、および相互作用の間で壁の材料内を散乱した放射線が移動する距離に応じて決まる。後述するように、散乱は約２倍の範囲内で等方性であり、散乱したＸ線のエネルギーは、入射エネルギーとほとんど同じ大きさであり、消散する前に木の内部をＸ線がカスケード移動する距離は、数センチメートルとなり得る。従って、本明細書で説明するようなシールドが、ユーザーが照射される放射線のレベルを、これまで詳細に記載した特定の安全レベルの範囲内まで低下させることが望ましい。

ＸＲＦで関係するＸ線に対するコンプトン散乱の角度分布は、トンプソン（古典的）散乱の分布に類似する。角度θのトンプソン散乱の確率は、（１＋ｃｏｓ２θ）に比例し、後方散乱の強度は、前方散乱の強度に等しく、側方散乱は、半分の強度である。２２ｋｅＶの放射線の散乱は、数％の範囲内でトンプソンの式に従う。１２２ｋｅＶのＸ線のコンプトン散乱は、より前方にピークがあるが、側方散乱および後方散乱は、生じる確率がかなり高いままである。

特定の角度θだけ散乱されたときのＸ線のエネルギーの変化は、Ｘ線のエネルギーによって大きく決まる。９０°散乱した２２ｋｅＶのＸ線は、散乱電子に対して１ｋｅＶしか失わないので、散乱Ｘ線は２１ｋｅＶとなる。９０°散乱した１２２ｋｅＶのＸ線は、約２４ｋｅＶを失うので、最終的に９８ｋｅＶとなる。

壁媒体内をＸ線が移動する距離は、媒体の組成によって大きく決まる。平均自由行路（ＭＦＰ）の距離を測定することは有効である。入射Ｘ線に対する平均自由行路は、入射Ｘ線の強度が２.７１８分の１に低下するまで、Ｘ線のビームが媒体内を移動する距離のことである。Ｘ線は光電効果によって吸収される（この場合、Ｘ線は周辺放射線の発生には寄与しない）ので、入射ビームの強度が低下し得る。

光電効果によって励起された原子が、基底状態に弛緩したときに、この光電効果の結果、二次的Ｘ線が発生する。これら特性Ｘ線は、周辺放射線を大幅に強化するよう、特別な状況では十分強くなり得る。これら二次Ｘ線も、本明細書に説明する放射線シールドによって吸収できることが望ましい。更に放射線シールド１８は、番号２４で示されるような１回散乱されたＸ線もブロックできることが望ましい。

入射ビームの強度が散乱によって低下した場合、入射Ｘ線は新しい方向に移動する、より低いエネルギーのＸ線に変換されるだけであり、このＸ線も周辺放射線に寄与し得る。

表１は、２２ｋｅＶおよび１２２ｋｅＶのＸ線の平均自由行路および９０°散乱された後の２１ｋｅＶおよび９８ｋｅＶのＸ線のエネルギーを示す。材料は空気、木、レンガ、アルミおよび鉄となっている。

２０ｋｅＶの放射線に対する平均自由行路は、空気中では何メートルかであり、木では数センチであり、一般的な壁を構成する重い材料では数ミリ以下である。鉛のＫ線を励起するのに使用された１２２ｋｅＶの放射線は、鉄を除くすべての一般的な壁材料内で数センチから何十センチも進む。

表２は、吸収前に材料を横断する際に、Ｘ線が少なくとも１回散乱される確率を示しており、この表は、何が起きるかの別の考えも示している。

表１から、塗料６を通って木質壁４内に進入する２２ｋｅＶのＸ線は、壁と相互作用する前に数センチ移動することが明らかである。２２ｋｅＶのＸ線が壁と相互作用するとき、Ｘ線が散乱され、吸収されない確率は４０％である。更に、側方への散乱が生じる可能性は高い。側方に散乱されるＸ線は、入射エネルギーとほとんど同じエネルギーを有し、壁と相互作用する前に数センチ移動する。再度散乱される確率も高く、木４からＸＲＦ測定装置２の側方にかなりの量の放射線が逃れ得ると予想することは容易である。

木よりも原子数が多く、密度も大きい材料は、問題が少ない。その理由は、表１および２が示すように、これら材料内をＸ線は長く移動することはなく、すぐに吸収されるからである。

表１および２は、Ｋ線を検討することによって鉛の濃度を測定するＫ殻のＸＲＦアナライザーが、周辺放射線を時間制御することがより困難となる理由も示している。散乱はスチール壁を除き、主として完全に吸収を決定し、散乱した放射線は、相互作用する前に木の内部を、１０ｃｍ移動できる。

放射線シールドの一実施形態は、図１に示される番号１８で表示されるテーパ付きプラテンである。必要とされる吸収厚さはカラーの半径Ｒと共に、すなわちＸ線ビーム入力ポイントからの距離と共に減少することを考慮すれば、放射線シールド（またはカラー）１８の重量を有利に最小にできる。本明細書で使用するような「テーパ」および同語源の用語は、減少の機能的形態とは関係なく、また連続的であるか、ステップ状であるかにかかわらず、ターゲットスポットからの距離と共にプラテンの幅が実質的に単調に減少することを意味する。

以下、図２を参照して説明する、平行表面のカラー１８は、タングステン（または一般に原子数が４５よりも大きいその他の元素）によって満たされたゴム（またはその他のエラストマー）の均一なディスクであり、少なくとも５０ｋｅＶまで良好に働く。

Ｘ線のエネルギーが１００ｋｅＶのレンジとなるにつれ、カラー１８の性能はよりクリティカルとなる。１００ｋｅＶのレンジでは、特に軽い元素の材料ではＸ線はテストサンプル内の光電相互作用により吸収されることによって停止されるまで、数回から何回ものコンプトン散乱を受けるはずである。タングステンのアノードに入射する１００ｋｅＶの電子の１ワットビームに基づく簡単な計算は、カラーは、約２〜６ｃｍ（数インチ）のラジアル距離にて、少なくとも１０の平均自由行路の厚さとなることを意味している。

一般に、カラーの直径および吸収量は、主要Ｘ線ビームのエネルギーが増加するにつれて増加するはずである。Ｘ線エネルギーが増加するにつれ（小さい半径で必要とされる吸収量に基づく）均一厚さのカラーの重量は、ハンドヘルド測定装置の総重量のうちのかなりの部分となり始め、測定装置の前方では、オペレータにかなりの負担がかかる。

従って、本発明の好ましい実施形態によれば、カラー１８は半径Ｒ（すなわちＸ線入口ポイントから、またはテストサンプルの被照射領域から、ポイントではなく面積として被照射領域を特徴付けることがより好ましい範囲まで）の関数として変化する厚さＷを特徴とする。厚さＷにテーパをつけたことは、最小重量に対するカラー１８の横断面を最適に考慮したものである。シールドしなければならないＸ線の数および平均エネルギーは、照射Ｘ線ビームの入射ポイントからの距離と共に減少するので、カラー１８は外周に向かってより薄くなるようなテーパが付けられている。

テーパ状プロフィルが好ましいことを理解するために、ターゲット壁４のリングについて検討する。壁のｃｍ²あたりから出るＸ線の数は、吸収により、Ｘ線ビームがターゲット壁に入射するポイントから測定した半径の二乗よりも急激に低下する。

壁内を移動するＸ線がないという仮説的ケースの場合、中心ポイントから、各連続するリングを通過するＸ線の数は同じとなる。ｃｍの二乗あたりのＸ線の数（および壁から散乱されるＸ線の数）は、半径の二乗に応じて減少するので壁４の説明を簡単にするために仮定したカラーの厚さｗは、半径Ｒと共に減少し得る。（吸収体の厚さは２よりも大きい径方向の距離の倍数ごとに、ｌｏｇ４（すなわち４０％）だけ減少し得る。）

壁４は散乱および光電相互作用によりＸ線を吸収するので、中心からの連続するリングから生じるＸ線の数は、半径の二乗よりも急激に減少する。更に、多数回の散乱を検討すれば、連続する各散乱は出るＸ線の平均エネルギーが半径を関数として低下するようにＸ線エネルギーを減少させる。従って、吸収カラー１８の必要な厚さは、テーパ状（または羽根状）のカラーの重量が均一な厚さのカラーの重量よりも、好ましいことに大幅に少なくなるように、半径と共に急激に減少できる。

図２には、本発明の別の実施形態にかかわる放射線シールド１８が、斜視図で示されている。締結具２６により、ＸＲＦ測定装置２に放射線シールド１８が結合されており、締結具２６として、ネジ、リベット、クリップまたは他の任意の締結具を挙げることができる。放射線シールド１８は、容易に取り外し可能、または交換可能なものにできる。

本発明の所定の実施形態では、放射線シールド１８は、図３に横断面が示されたシールド材料製のプラテン２８を有する。このプラテンは本明細書では膜と称すことができる。好ましい実施形態では、プラテン２８は円形であり、約２０ｃｍの直径を有する。本発明の範囲内では、他の形状およびサイズとすることができ、例えばこの放射線シールド１８は、（図１に示される）伝搬軸線８から円錐形に外側に延びることができる。図３は、（ゴムのような）エラストマーを２つの層と、シールド材料、例えばポリマー基材に埋め込まれた、一般にＺ＝４５よりも大きい原子数の大きい金属製の介在層３２とから形成されたラミネート体を示す。かかる金属として、錫、タングステンまたは鉛を挙げることができる。タングステンで充填されたポリ塩化ビニ−ル（ＰＶＣ）が好ましい材料である。このプラテンは、コーナーのできるだけ近くを測定するよう、または壁内の隙間、例えば窓用のスライド溝を測定するよう、当接表面の輪郭に合致できるように、フレキシブルとなっていることが好ましい。

本発明の別の実施形態によれば、図４を次に参照すると、放射線シールド１８の断面４０は、例えば壁の内側コーナーで放射線シールドを使用できるように、プラテン２８の主要部分を除き、平面内に位置できる。固定されたカーブにて、またはこれとは異なり、当技術で周知となっているようなヒンジにより、プラテン２８の他の部分に非平面状断面４０を結合してもよい。

これまで説明した本発明の実施形態は、単に例にすぎず、当業者には多数の変形例および変更例が明らかとなろう。かかる変形例および変更例のすべては、特許請求の範囲に記載した本発明の範囲内のものである。

関連出願として、２００５年４月２７日に米国特許庁に出願されているが、未公開の、米国特許出願第11/115,977号および米国特許第6,965,118号およびその優先権を主張する根拠となる、２００３年５月２２日に米国特許庁に出願された米国仮特許出願第60/472,674号を挙げる。

本発明の一実施形態に係わる、テストサンプルから発せられる電離放射線からユーザーを保護するための、テーパ付き放射線シールドを有する、ハンドヘルドのＸＲＦ測定装置の横断面図である。 ＸＲＦ測定装置への取り付けを分解した状態で示す、本発明の一実施形態に係わる放射線シールドの斜視図である。 ラミネートされたシールド構造体を示す、図２の放射線シールドの半径部分の横断面図である。 コーナーでＸＲＦ測定装置を使用できるようにするための放射線シールドから下方に見た斜視図である。

符号の説明

２ ＸＲＦ測定装置
４ 壁
６ テストサンプル
８ Ｘ線
１０、１２、１６、２４ 蛍光
２０ 壁
１００ Ｘ線源
１０２ 検出器
１０４ 信号プロセッサ
１０６ コントローラ

Claims (10)

1. ユーザーが手に持つ蛍光測定装置により、テスト材料の組成を検査するための方法であって、
   ａ．透過放射線によりテスト材料の表面の被照射領域を照射するステップと、
   ｂ．前記テスト材料から発せられた蛍光放射を検出するステップと、
   ｃ．前記テスト材料の表面に実質的に平行な方向の、被照射領域からのラジアル距離と共に厚さが減少することを特徴とする放射線シールドにより、前記テスト材料の表面から発せられる電離放射線からユーザーをシールドするステップとを含む、前記蛍光測定装置により前記テスト材料の組成を検査するための方法。
2. 前記ユーザーをシールドする前記ステップは、
   前記テスト材料の表面の前記被照射領域から外側に延びる放射線シールドによりシールドすることを含む、請求項１に記載の方法。
3. テスト材料の元素の組成を測定するための測定装置であって、
   ａ．前記テスト材料の被照射領域を照射するための透過放射線源と、
   ｂ．前記テスト材料による蛍光の放射を検出し、検出信号を発生するための検出器と、
   ｃ．前記検出信号を、前記テスト材料の組成の特徴を定めるスペクトルに変換するためのコントローラと、
   ｄ．前記テスト材料の表面に実質的に平行な方向の、被照射領域からのラジアル距離と共に厚さが減少することを特徴とする減衰材料のプラテンとを備える測定装置。
4. 前記減衰材料は、ポリマー基材に埋め込まれた、原子番号が４５よりも大きい金属である、請求項３に記載の測定装置。
5. 締結具により前記測定装置に前記減衰材料のプラテンが結合されている、請求項３に記載の測定装置。
6. 前記減衰材料の前記プラテンは、前記測定装置から取り外し自在である、請求項３に記載の測定装置。
7. 前記減衰材料の前記プラテンは、エラストマー製の外側層を含む、請求項３に記載の測定装置。
8. 前記減衰材料の前記プラテンは、前記被照射表面と多数回相互作用した前記電離放射線が、周辺環境を通って伝搬する前に、前記放射線シールドによって減衰されるようなサイズとなっている、請求項３に記載の測定装置。
9. 前記減衰材料の前記プラテンは、前記被照射領域からのラジアル距離と共に減少する厚さを特徴とする、請求項３に記載の測定装置。
10. 前記減衰材料の前記プラテンは、前記被照射領域からのラジアル距離の二乗よりも急激に、前記被照射領域からのラジアル距離と共に減少する厚さを特徴とする、請求項９に記載の測定装置。

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