JP2011112561A

JP2011112561A - Ｘ線測定装置

Info

Publication number: JP2011112561A
Application number: JP2009270465A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Ichizawa; 康史市沢
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2011-06-09

Abstract

【課題】量産品で安価なＸ線管を用いて、高いＸ線管電圧にて高出力線量の白色Ｘ線を発生させると共に、白色Ｘ線からローパスフィルタ手段により低エネルギー域の軟Ｘ線を高線量で抽出して試料に照射可能なＸ線測定装置を実現する。
【解決手段】Ｘ線源から出射される軟Ｘ線を含むＸ線を試料に照射し、試料の透過線量をＸ線検出器で検出するＸ線測定装置において、
前記Ｘ線源より円錐状に出射されたＸ線ビームを、スライスした扇状ビームＸ線に生成するコリメータと、
前記扇状ビームＸ線を所定の角度で入射し、反射した前記軟Ｘ線を前記試料に照射する反射ミラーと、
を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｘ線源から出射される軟Ｘ線を含むＸ線を試料に照射し、試料の透過線量をＸ線検出器で検出するＸ線測定装置に関するものであり、低エネルギー域から高エネルギー域を含む白色Ｘ線より、測定の阻害となる短波長（高エネルギー）Ｘ線をカットし、測定に有効な長波長（低エネルギー）の極紫外線を含む軟Ｘ線を高出力で抽出する、ローパスフィルタ手段を備えるＸ線測定装置を提供する。

図６は、試料（紙やフィルム、薄膜シート等）の坪量測定装置の構成例を示す斜視図である。Ｘ線源１からの円錐ビームＸ線Ｂ１を、スリット２１を有するコリメータ２を通過させてスライスした扇状ビームＸ線Ｂ２に変換し、矢印Ｆ方向に走行する試料３に照射する。

試料３を透過したＸ線は、試料の下方にＸ線源１と対峙して配置されたＸ線検出器４のラインセンサにより透過量が測定される。予め坪量（塗工量）が既知の試料を測定し、図７に示すような検量線Ｌを引き、透過線量と坪量の関係から膜厚（坪量）測定や塗工量の膜厚測定を行っている。

Ｘ線検出器４は、シンチレータと半導体受光素子（CCDやC-MOS等）を組み合わせたもので、電子線や光子エネルギー（電磁波）をシンチレータが受けて燐光を発し、可視光に感度のある半導体受光素子でこの燐光強度を電荷に変換することで放射線量を測定するものや、半導体受光素子で直接電子線や光子エネルギー（電磁波）を受けて、放射線強度に応じた電荷量に変換する直接変換型放射線検出素子等を採用することができる。

試料３として、紙、フィルム、電池の電極、複層シート等のシート材であって、特に高エネルギーの短波長Ｘ線に感度の無い軽元素の測定物である場合には、Ｘ線として低エネルギーの長波長Ｘ線、いわゆる軟Ｘ線を高出力で照射することで測定感度及び測定精度を確保することができる。

軟Ｘ線は透視力が弱く、一般の撮影や透視には役に立たないが、散乱が多く人体に当たった場合、皮膚におけるエネルギー吸収が多い。このため、軟Ｘ線そのものを利用する特殊な場合を除いて、軟Ｘ線を出来る限り取り除くことが必要であり、そのためにろ過板（アルミニウム、銅、鉄、鉛などの金属板）を使用する。

このことは、電離則１１条にも記載されており、Ｘ線装置として義務付けられているがその一方、軟Ｘ線そのものを利用する場合は除外されてもいる。具体的には、蛍光Ｘ線分析、皮膚疾患のＸ線治療、薄膜シートの厚さ測定等がその用途である。

Ｘ線の発生に関しては、図８に示すようにＸ線管電圧とＸ線管電流との間には、ほぼ比例して増加する領域（空間電荷領域）と、ほぼ一定となる領域（飽和電流域）がある。飽和電流値は、フィラメントを加熱する電流によって決まる値なので、管電圧をできるだけ高く設定し、フィラメント電流を任意に変化させて動作させると管電圧と管電流を夫々独立に選ぶことができる。

また、飽和電流域では、Ｘ線管電圧の多少の変動に対してもＸ線管電流の値はほぼ一定な値をとることができ、一定のＸ線強度を得るには好適である。図９は、Ｘ線管電流の変化によるＸ線スペクトル変化の様相を示す。Ｘ線管電流を上げるとＸ線強度は増すが、最高強度の波長Ａと最短波長Ｂは変わらない。

一方、Ｘ線管電圧を上げた場合は、図１０に示すように、Ｘ線管電圧を上げてＸ線強度が増加すると共に、最高強度の短波長Ａ及び最短波長Ｂは短波長（高エネルギー）側にシフトする。

従って、低エネルギーである軟Ｘ線を発生させるためには、Ｘ線管電圧を低く抑えたうえでＸ線管電流を調整して所望する出力を得ることになる。また、Ｘ線管の陽極ターゲット材質（通常タングステン）を長波長（低エネルギー）の発生しやすいクロム、鉄、コバルト等にしたＸ線管を用いることもある。

更に、Ｘ線管の放射窓の材質をＸ線強度（線量率）が減弱しないようにベリリウムあるいは雲母の薄い窓にする等して、低エネルギー域の減弱を最小限にしている。また、大気吸収に対しても注意が必要で、ヘリウムなどのＸ線吸収の少ない気体を充填したり、真空に引いたりすることも行われている。

特開２００４−２９４３６８号公報

従来構成のＸ線測定装置では、Ｘ線管電圧を低く抑えてフィラメント電流を上げていくと、図８に示したようにＸ線管電流が飽和してしまい、ある領域からそれ以上流れなくなり、フィラメントから発生する熱電子も増加しない。そのために、Ｘ線線量も頭打ちとなる。

従って、低管電圧ではＸ線線量に上限が現れる。このため、Ｘ線管電圧を上げる必要があるが、そうなると軟Ｘ線そのものを利用する用途では、高エネルギーを含むことになり、好ましくない。

一方、Ｘ線管電圧が低いままでは、Ｘ線管自体を高出力化対応させる以外にＸ線線量を増やすことがでない。Ｘ線管の出力を上げない場合は、不足気味の線量を用い、測定時間を十分にとって信号／ノイズ比を上げざるを得ない。静止物であればそれでもよいが、動きのあるものの測定には適さない。

一般に流通する多くのＸ線管は検査用途であり、これらは30keV以下の低エネルギーを排除して用いるため、Ｘ線管の設計も低エネルギー発生を念頭に製作される事は稀である。専用の基準で新規設計することは可能であるが、少量生産に伴い品質のばらつき管理や生産効率の低さ等、量産品に対して価格面で割高となる。

本発明の目的は、量産品で安価なＸ線管を用いて、高いＸ線管電圧にて高出力線量の白色Ｘ線を発生させると共に、白色Ｘ線からローパスフィルタ手段により低エネルギー域の軟Ｘ線を高線量で抽出して試料に照射可能なＸ線測定装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）Ｘ線源から出射される軟Ｘ線を含むＸ線を試料に照射し、試料の透過線量をＸ線検出器で検出するＸ線測定装置において、
前記Ｘ線源より円錐状に出射されたＸ線ビームをスライスした扇状ビームＸ線に成形するコリメータと、
前記扇状ビームＸ線を所定の角度で入射し、反射した前記軟Ｘ線を前記試料に照射する反射ミラーと、
を備えたことを特徴とするＸ線測定装置。

（２）前記反射ミラーは、前記扇状ビームＸ線を少なくとも１回反射させ、所定入射角度で反射可能な波長のＸ線のみを選別的に反射する、ローパスフィルタ手段を形成することを特徴とする（１）に記載のＸ線測定装置。

（３）前記反射ミラーは、Ｘ線の全反射臨界角の大きな重金属を蒸着した反射ミラーであって、平面または緩い曲率の曲面鏡であることを特徴とする（１）または（２）に記載のＸ線測定装置。

（４）前記反射ミラーは、前記重金属として金、銀、銅、ニッケルの少なくとも何れかで蒸着されていることを特徴とする（３）に記載のＸ線測定装置。

（５）前記反射ミラーは、任意の角度で前記扇状ビームＸ線を反射することを可能とする、支持旋回台に搭載されていることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載のＸ線測定装置。

（６）前記コリメータから直接前記試料を透過して前記Ｘ線検出器に到達する直射Ｘ線を制限する遮蔽板を備え、この遮蔽板の操作により前記直Ｘ射線を選択的に遮蔽または通過させることを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載のＸ線測定装置。

（７）前記Ｘ線源、前記Ｘ線検出器、前記反射ミラー及びその支持旋回台の少なくとも１つが前記反射ミラーの反射面に対して垂直方向に所定距離を移動できる、自動または手動の位置調整手段を備え、その位置調整により、前記反射ミラーの反射角度が変わった場合に前記Ｘ線検出器を前記透過線量が検出可能な位置関係に補正することを特徴とする（１）乃至（６）のいずれかに記載のＸ線測定装置。

（８）前記試料はシート材であって、高エネルギーの短波長Ｘ線に感度の無い軽元素の測定物であることを特徴とする（１）乃至（７）のいずれかに記載のＸ線測定装置。

本発明によれば、次のような効果を期待することができる。
（１）低Ｘ線管電流時に発生してしまうフィラメント電流の飽和に起因するＸ線線量の飽和を越えた線量が得られる。

（２）僅かにＸ線管電圧を高くするだけでＸ線の出力は、低エネルギーから高エネルギーのブロードな範囲で線量が大きくなる。そのため、低エネルギー発生用に専用設計したＸ線管ではない安価な市販品のＸ線管で容易に高出力の低エネルギーＸ線を得られる。

（３）一般的にＸ線管から発生する連続エックス線の全強度（I）とＸ線管電流（i）、Ｘ線管電圧（V）、ターゲットの元素の原子番号（Z）との関係は I＝kiV²Z となり、Ｘ線管電圧の２乗に比例して大きな出力が得られる。

（４）特別な分光器を用いなくても単一のミラーで容易に軟Ｘ線をの分別ができ、更に反射ミラー角度の調整で反射するエネルギーの閾値を変えることが可能である。

本発明を適用したＸ線測定装置の一実施例を示す断面図である。本発明を適用したＸ線測定装置の一実施例を示す斜視図である。物質の全反射臨界角を説明する表である。本発明で採用されたローパスフィルタ手段のＸ線強度特性図である。本発明を適用したＸ線測定装置の他の実施例を示す断面図である。試料の坪量測定装置の構成例を示す斜視図である。坪量と透過線量の関係を示す特性図である。Ｘ線管電流の対するＸ線スペクトル変化を示す特性図である。Ｘ線管電流をパラメータとするＸ線強度特性図である。Ｘ線管電圧をパラメータとするＸ線強度特性図である。

以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明を適用したＸ線測定装置の一実施例を示す断面図、図２は斜視図である。図６で説明した従来構成と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。

図１、図２において、Ｘ線源１が試料３の上方にＸ線出射口を下にして適当な距離を取って正対して設置されている。試料３の下方には、試料３から比較的近くにシンチレーション付きラインカメラ、電離箱、半導体検出器等のＸ線検出器４が試料に向けて設置されている。

試料３とＸ線源１の中間には、本発明の特徴部を形成する反射ミラー（平面ミラー、曲率の大きい曲面ミラー等）１００が設置されている。反射ミラー１００は、ミラー角度θの調整が可能なように、旋回が可能な微調整ステージを搭載するミラー支持台２００により保持されている。

Ｘ線源１は、試料３の流れ方向Ｆに対して数mmから数十mmＰ１方向に平行移動できるＸ線源移動機構３００に搭載されている。同様に、Ｘ線検出器４は、試料３の流れ方向Ｆに対して数mmから数十mmＰ２方向に平行移動できるＸ線源移動機構４００に搭載されている。

これら移動機構は、一方又は両方で操作される。これら移動機構は、自動制御で動くようなモータ駆動ステージであってもよいし、取り付け穴（長穴）の範囲で動かすことが可能な簡単な機構だけでも構わない。

また、Ｘ線源１の出射口の近くにはＸ線を制限するコリメータ２、またはこれと等価な照射筒を具備しており、円錐状に照射される円錐ビームＸ線Ｂ１を円錐の全幅を確保しつつ、薄く（３度以下に）スライスした扇状ビームＸ線Ｂ２に成形する。

このように構成した試料３の厚さを測定するＸ線測定装置において、Ｘ線源１から出射され、コリメータ２で規制された薄い扇状ビームＸ線Ｂ２は、反射ミラー１００に浅い角度で入射し、１回反射した反射Ｘ線Ｘ１が試料３の方向に向かい、試料３を通過して透過Ｘ線がＸ線検出器４により検出される。

図１で示すように、反射ミラー１００で反射した反射Ｘ線Ｘ１のみならず直接試料３を透過してＸ線検出器４に向かう直射Ｘ線Ｘ２もあるため、反射ミラー１００の中腹近傍に直射Ｘ線Ｘ２の遮蔽板５００を配置している。

この遮蔽板５００は、用途に応じて有無を選択できる構成であることが望ましい。厚い試料やＸ線が透過し難い試料では、遮蔽板を外して（直射＋反射）Ｘ線を利用することで、多くの線量を得ることが可能である。

一方、遮蔽板５００を入れて反射Ｘ線のみ利用することで、反射ミラー１００で反射制限された、高エネルギー（短波長）を含まない低エネルギーの軟Ｘ線を用いた測定が可能になる。

図３は、物質の全反射臨界角を説明する表である。この表は、様々な物質に対する8.04keVエネルギーの全反射臨界角を示す。原子番号が大きい物質の方が全反射臨界角が大きいことがわかる。

また、図には示していないものの、低エネルギー（軟Ｘ線）であれば更に全反射臨界角が大きく、逆に高エネルギーであれば全反射臨界角が浅くなって反射されない（直進する）ことから、反射したＸ線は高エネルギーの短波長がカットされた、いわば短波長カットフィルタ（ローパスフィルタ）の作用を得ることができる。コスト的に実用できる重金属としては、金、銀、銅、ニッケル等である。

図４は、本発明で採用されたローパスフィルタ手段のＸ線強度特性図である。Ｘ線管電圧20kV、40kV、60kV時の光子エネルギー−最高強度の特性を示している。反射ミラーの反射がなければ、最短波長は夫々ほぼＸ線管電圧に近い光子エネルギー20keV、40keV、60keVから低エネルギー側に線量が増えていくが、5〜10keVの領域になるとその多くは大気吸収により急激に減衰するので、図のように15-20keV辺りが最高強度となる。

Ｘ線管電圧を上げると共に、30KeV以上のＸ線は反射しないような角度θに反射ミラー１００を調整することで、短波長Ｘ線がカットされて低エネルギーの軟Ｘ線のみの最高強度を増すことができ、従来、フィラメント電流で飽和していたＸ線線量を越えた強度を得ることが可能となる。

反射ミラー１００の角度θを調整することにより、所望するエネルギーのＸ線を得られるが、反射位置が移動してしまうため、Ｘ線源１かＸ線検出器４を反射ミラー１００の角度変化に対応した方向に移動機構３００、４００移動機構で移動させて反射したＸ線を追従する。当然、反射ミラー１００の旋回ステージを搭載しているミラー支持台２００を移動させても良いし、夫々が連動して相対移動できるようにしてもよい。

本発明では、遮蔽板５００を導入することにより、反射Ｘ線Ｘ１と直射Ｘ線Ｘ２の双方を利用することが可能であり、反射ミラー１００をローパスフィルタ手段としての用途でなくても線量アップが可能である。

図５は、本発明を適用したＸ線測定装置の他の実施例を示す断面図である。反射ミラー１００及びミラー支持台２００、Ｘ線透過光路、遮蔽板５００等をチャンバ６００で囲い、軟Ｘ線の大気吸収が少ない気体（例えばヘリウム）を充填すれば、更に効率よく軟Ｘ線の取出しが可能になる。

１Ｘ線源
２コリメータ
２１スリット
３試料
４Ｘ線検出器
１００反射ミラー
２００ミラー支持台
３００Ｘ線源移動機構
４００Ｘ線検出器移動機構
５００遮蔽板

Claims

Ｘ線源から出射される軟Ｘ線を含むＸ線を試料に照射し、試料の透過線量をＸ線検出器で検出するＸ線測定装置において、
前記Ｘ線源より円錐状に出射されたＸ線ビームを、スライスした扇状ビームＸ線に成形するコリメータと、
前記扇状ビームＸ線を所定の角度で入射し、反射した前記軟Ｘ線を前記試料に照射する反射ミラーと、
を備えたことを特徴とするＸ線測定装置。
前記反射ミラーは、前記扇状ビームＸ線を少なくとも１回反射させ、所定入射角度で反射可能な波長のＸ線のみを選別的に反射する、ローパスフィルタ手段を形成することを特徴とする請求項１に記載のＸ線測定装置。
前記反射ミラーは、Ｘ線の全反射臨界角の大きな重金属を蒸着した反射ミラーであって、平面または緩い曲率の曲面鏡であることを特徴とする請求項１または２に記載のＸ線測定装置。
前記反射ミラーは、前記重金属として金、銀、銅、ニッケルの少なくとも何れかで蒸着されていることを特徴とする請求項３に記載のＸ線測定装置。
前記反射ミラーは、任意の角度で前記扇状ビームＸ線を反射することを可能とする、支持旋回台に搭載されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のＸ線測定装置。
前記コリメータから直接前記試料を透過して前記Ｘ線検出器に到達する直射Ｘ線を制限する遮蔽板を備え、この遮蔽板の操作により前記直Ｘ射線を選択的に遮蔽または通過させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のＸ線測定装置。
前記Ｘ線源、前記Ｘ線検出器、前記反射ミラー及びその支持旋回台の少なくとも１つが前記反射ミラーの反射面に対して垂直方向に所定距離を移動できる、自動または手動の位置調整手段を備え、その位置調整により、前記反射ミラーの反射角度が変わった場合に前記Ｘ線検出器を前記透過線量が検出可能な位置関係に補正することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のＸ線測定装置。
前記試料はシート材であって、高エネルギーの短波長Ｘ線に感度の無い軽元素の測定物であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のＸ線測定装置。