JP2011122826A - Ｘ線照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の大型化を招くことなく、Ｘ線のフラックスの照射方向を適切に制御できるＸ線照射装置を提供する。
【解決手段】Ｘ線の線源と、前記線源から射出されるＸ線のフラックスの照射方向を制御する光学系とを備えるＸ線照射装置に関する。前記光学系は、前記線源からの前記Ｘ線の射出軸と直交する平面方向について、互いに間隙を介して積層される複数枚の反射ミラーを備える。前記線源から射出されたＸ線が前記間隙を介して前記反射ミラーに入射し、前記反射ミラーでそれぞれ全反射して互いに重畳することにより、前記フラックスとして照射される。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｘ線の線源と、前記線源から射出されるＸ線のフラックスの照射方向を制御する光学系とを備えるＸ線照射装置に関する。

図８はＸ線を用いた厚さ測定装置の構成を示す斜視図である。

図８に示すように、Ｘ線の線源１０１に正対してライン状の検出パターンを有するＸ線検出器４が配置される。Ｘ線検出器４は、シンチレータを用いたＣ−ＭＯＳやＣＣＤなどの半導体受光素子、あるいはＸ線に感度を持たせた直接変換型放射線検出素子を使用した検出器である。Ｘ線検出器４の近傍でフィルム状の検査対象物６を連続的に搬送し、これをＸ線検出器４で高速に撮影することでＸ線の透過光量をリアルタイムに計測することができる。予め求めておいた透過光量と厚さの関係（検量線）と、計測値を対比することで検査対象物６の厚さ分布を算出する。塗工量測定の場合には、工程の前後において上記の方法で厚さを計測し、その差を求めることで工程（塗工量）の制御が可能となる。

Ｘ線検出器４では、通常、小さな検出素子を直線状に１列もしくは複数列並べた構造によりいわゆるラインセンサが構成され、素子サイズは０．数ｍｍ〜２ｍｍ程度である。この素子を検査対象物のサイズに合わせて、数十〜数百素子隙間なく１次元に並べてある。したがって、検出部のサイズは、各辺の長さが数百ｍｍ×０．数ｍｍ程度の長方形の領域となる。

http://WWW.nims.go.jp/xray/ref/whats0.htm 「Ｘ線反射率ってなに？」桜井 健二 著

ところで、放射線の取り扱いに関する法令に「利用線錐の放射角がその目的を達するために必要な角度を越えないようにするための照射筒または絞りを用いなければならない」とあるように、Ｘ線の放射方向を制限する必要がある。このため、図８に示すように、線源１の出口近傍にスリット１０２ａが形成されたコリメータ１０２を配置し、これにより放射線（フラックス）を制限して検出器４の検出部４１のサイズに合わせたファンビームを得ている。仮にコリメータ１０２がない場合には、ほぼ真円に近い円錐状のフラックスが得られる。Ｘ線源から放射されるフラックスは、その構造により放射角が決まり、透過型であれば比較的広角（１００〜１３０度程度）、反射型であれば狭角（３０〜７０度程度）であるが、いずれにしても円錐状に放射されているにもかかわらず、実際に利用できる線量は極僅かである。Ｘ線は可視光に対して１／１０００程度と波長が短く、レンズや反射鏡による集光は困難で有効な集光手段がないため、必要な範囲以外のフラックスは無駄となっている。また、Ｘ線源には寿命があり交換や調整も必要でランニングコストもかかるため、できるだけ小型のＸ線管を使用したいという要望もある。

従来の装置ではフラックスの利用効率が低く、僅かでも集光して利用効率を上げられれば線源を小型のＸ線管に置換できるが、比較的容易な方法で集光できるような有用なＸ線光学系がない。

さらに、軟Ｘ線や低エネルギーのＸ線では大気吸収があるためにビームハードニング（線質硬化）が発生し、検査対象物を遠方に置いた場合にはより強大な線源を必要とし、効率が非常に悪くなる。また、ビームハードニングが発生すると、透過性の高い検査対象物では線量の吸収が不十分で検出感度が得られず、検出信号レベルが低下して検出精度が悪化する。ビームハードニングを回避するためには、線源、検査対象物、検出器、検査対象物の搬送装置などの一式をチャンバ内に収容して真空引きし、あるいはチャンバ内に吸収の少ない気体を充填するなど、大掛かりな装置が必要となる。また、線源と検査対象物との間を大気とする場合には、空気の温度、気圧、水分（湿度）などの影響によりＸ線の吸収量が変化し、測定誤差の原因となる。したがって、線源から検査対象物までの距離を縮小できれば、効率面でも測定精度の面でも効果がある。

本発明の目的は、装置の大型化を招くことなく、Ｘ線のフラックスの照射方向を適切に制御できるＸ線照射装置を提供することにある。

本発明のＸ線照射装置は、Ｘ線の線源と、前記線源から射出されるＸ線のフラックスの照射方向を制御する光学系とを備えるＸ線照射装置において、前記光学系は、前記線源からの前記Ｘ線の射出軸と直交する平面方向について、互いに間隙を介して積層される複数枚の反射ミラーを備え、前記線源から射出されたＸ線が前記間隙を介して前記反射ミラーに入射し、前記反射ミラーでそれぞれ全反射して互いに重畳することにより、前記フラックスとして照射されることを特徴とする。
このＸ線照射装置によれば、線源から射出されたＸ線が間隙を介して反射ミラーに入射し、反射ミラーでそれぞれ全反射して互いに重畳することにより、フラックスとして照射されるので、装置の大型化を招くことなく、Ｘ線のフラックスの照射方向を適切に制御できる。

前記反射ミラーは反射面が鏡面状とされた金属箔により構成されてもよい。

前記反射ミラーは、前記反射ミラーと前記Ｘ線の射出軸とが平行となる向きに配置されてもよい。

前記反射ミラーと前記Ｘ線の射出軸とがなす角度が、前記Ｘ線の射出軸から離れるほど大きくされていてもよい。

前記反射ミラーは、前記Ｘ線の射出軸方向と直交する方向について当該反射ミラーの位置が前記Ｘ線の射出軸から離れるほど、前記Ｘ線の射出軸方向について前記線源に近づく位置に配置されてもよい。

前記反射ミラーは平面形状とされていてもよい。

前記反射ミラーは前記Ｘ線の射出軸を取り囲む凹面形状とされていてもよい。

前記複数枚の反射ミラーは平板状の反射材料を前記Ｘ線の射出軸周りに螺旋状に巻き回すことで構成されてもよい。

前記間隙はＸ線を透過する部材を用いて形成されてもよい。

本発明のＸ線照射装置によれば、線源から射出されたＸ線が間隙を介して反射ミラーに入射し、反射ミラーでそれぞれ全反射して互いに重畳することにより、フラックスとして照射されるので、装置の大型化を招くことなく、Ｘ線のフラックスの照射方向を適切に制御できる。

一実施形態のＸ線照射装置の構成を示す斜視図。 反射光学系を示す図であり、（ａ）は図１におけるIIａ−IIａ線断面図、（ｂ）は射出軸の近傍でＸ線を通過させるように構成した反射光学系を示す断面図。 Ｘ線が反射される様子を示す図。 反射光学系の作成方法を示す図であり、（ａ）は厚板材を使用した方法を示す図、（ｂ）および（ｃ）はスペーサとなる材質を塗布することで反射光学系を作成する例を示す図。 箔の向きをＸ線源の射出軸からの距離に応じて変える例を示す図。 円形の照射スポットに対応する反射光学系の構成例を示す図であり、（ａ）は反射光学系３Ｃの構成を示す上面図、（ｂ）は反射光学系３Ｃの構成を示す断面図、（ｃ）は反射光学系３Ｄの構成を示す断面図。 円形の照射スポットに対応する反射光学系の別構成例を示す図であり、（ａ）は反射光学系３Ｅを構成する細長い箔を示す斜視図、（ｂ）は反射光学系３Ｅの構成を示す断面図、（ｃ）は反射光学系３Ｅの構成を示す正面図、（ｄ）は反射光学系３Ｆの構成を示す正面図。 従来のＸ線照射装置の構成を示す斜視図。

以下、本発明によるＸ線照射装置の実施形態について説明する。

図１は本実施形態のＸ線照射装置の構成を示す斜視図、図２（ａ）は図１におけるIIａ−IIａ線断面図、図３はＸ線が反射される様子を示す図である。

図１に示すように、本実施形態のＸ線照射装置では、Ｘ線を照射するＸ線源１と、Ｘ線の強度を検出するＸ線検出器４とが正対して配置されている。また、検査対象物（不図示）は、図８と同様、Ｘ線検出器４の近傍で連続的に搬送される。

図１および図２（ａ）に示すように、Ｘ線源１とＸ線検出器４との間には、コリメータ２および反射光学系３が配置されている。

図２（ａ）に示すように、余分なＸ線を遮るためのコリメータ２には、Ｘ線を通過させるためのスリット２１が形成され、反射光学系３はスリット２１に対応する位置に配置される。

図１、図２（ａ）および図３に示すように、反射光学系３は反射ミラーを構成するリボン状の箔３１，３１，・・・を、間隙を介して積層することで構成される。箔３１，３１，・・・はＸ線源１からのＸ線の射出軸と平行とされる。

また、箔３１は、例えば、鏡面仕上げした銅箔、ステンレス箔またはタングステン箔に、金蒸着（金メッキ）または白金蒸着することで作成できる。箔３１の厚みは５μｍ〜１００μｍ程度とされる。また、隣り合う箔３１，３１の間の間隙は数十μｍ〜数百μｍとされ、箔３１の枚数は、例えば数十〜数百枚とされる。なお、説明の便宜のため、各図面では箔の枚数を実際よりも少なく描画している。

図１、図２（ａ）および図３に示すように、Ｘ線源１のターゲット１１（図３）から照射されたＸ線１０は、反射光学系３およびコリメータ２を経由して検出器４の検出部４１に照射される。図２（ａ）および図３に示すように、Ｘ線源１から照射されたＸ線１０は、反射光学系３の箔３１で１度だけ全反射され、コリメータ２のスリット２１を通過して検出部４１に向かう。反射光学系３は、このような光学的条件を満足するように構成されている。Ｘ線の全反射は極浅い入射角でのみ発生することが知られており、光子エネルギー（波長）や反射物質によってその全反射角度が変化する。全反射角度が大きな物質としては、例えば、金（９．６３ｍｒａｄ）、白金（１０．１１ｍｒａｄ）が上げられる。したがって、これらの物質を箔３１の反射面とすれば設計上、有利である。

箔３１で全反射されたＸ線および箔３１の間を通過したＸ線は互いに重畳し、さらに散乱線が加算されて線量が増加した状態で、検出部４１に照射される。

箔３１，３１，・・・の間隙は、均一でなくてもよい。例えば、Ｘ線源１の射出軸の近傍ではＸ線を通過させるため間隙を荒くし、Ｘ線源１の射出軸から離れた部位（図２（ａ）における左右両端側）にいくほど、間隙を狭めてもよい。

図２（ｂ）は、Ｘ線源１の射出軸の近傍ではＸ線を反射させることなく通過させるように構成した反射光学系を示す断面図である。

図２（ｂ）に示すように、この反射光学系３Ａでは、Ｘ線源１の射出軸の近傍のスリット状の領域３２から箔３１Ａを排除することで、領域３２に入射したＸ線をそのまま通過させるようにしている。

図４は、反射光学系の作成方法を示す図である。

図４（ａ）の例では、切削加工や放電加工（ワイヤーカット）などにより角穴５１が形成された中空の厚板材５に、放電加工あるいはエッジングによりスリット５２を形成している。このスリット５２，５２，・・・は箔３１，３１，・・・に対応しており、その数は箔３１，３１，・・・の枚数に等しく、また、そのスリット幅は箔３１よりも僅かに大きくされている。このスリット５２，５２，・・・に箔３１，３１，・・・を差し込むことで、箔３１，３１，・・・を所定の位置に配置することができる。次に、スリット５２，５２，・・・に挿入された箔３１，３１，・・・を両側から引き伸ばすようにした状態で、スリット５２をスリット幅方向にねじやクリップなどで締め付け、あるいは接着剤を用いることで、箔３１，３１，・・・を厚板材５に固定することができる。なお、この場合、厚板材５をコリメータとして利用し、図１に示すコリメータ２の代わりとすることもできる。

図４（ｂ）および図４（ｃ）は、カーボンペーストなどのスペーサとなる材質を塗布することで、反射光学系を作成する例を示す図である。

図４（ｂ）に示すように、カーボンペースト等の塗布物３１ａを箔３１の両端部に所定の塗布厚で塗ることにより、これをスペーサとして利用することができる。箔３１，３１，・・・の端部にそれぞれカーボンペースト等の塗布物３１ａを塗って硬化させた後、図４（ｃ）に示すように箔３１，３１，・・・を積層すると、塗布物３１ａがスペーサとして機能し、箔３１，３１，・・・の間隙が形成される。塗布物は箔３１の全面に塗布してもよいが、低エネルギー量域での吸収等があるため、ビームハードニングが発生するおそれがある。したがって、塗布のパターンは任意であるが、極力、空気層を確保することが望ましい。

また、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）のようなＸ線透過性の良好な樹脂製のテグス（細線）やフィルムを箔３１の間に挟み込むことで、スペーサとして機能させてもよい。

図５は、箔の向きをＸ線源１の射出軸からの距離に応じて変える例を示している。

図５に示す反射光学系３Ｂでは、互いに積層された箔３１１，３１２，３１３，・・・の向きを少しずつ変化させ、Ｘ線源１の射出軸からの距離が大きくなるほど、その射出軸と箔のなす角度が大きくなるようにされている。このように、箔３１１，３１２，３１３，・・・の向きを調整することにより、全反射可能なＸ線の入射角度の範囲を拡大でき、これにより検出部４１に照射されるＸ線の強度を高めることができる。

図６は、円形の照射スポットに対応する反射光学系の構成例を示す図である。

図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、この反射光学系３Ｃは、直径の異なる円筒状の反射ミラー３３１，３３２，３３３，３３４，・・・を組み合わせて構成される。この場合、スペーサとなるフィルムや塗布物等を反射ミラー３３１，３３２，３３３，３３４，・・・の間に挟み込むことで、反射ミラー間の間隙を確保できる。反射ミラー３３１，３３２，３３３，３３４，・・・は、それぞれ凹面形状のミラーとして機能する。

図６（ｂ）に示すように、反射ミラー３３１，３３２，３３３，３３４，・・・では、それぞれＸ線を１度だけ全反射することで、Ｘ線を円錐ビーム状に集光している。また、Ｘ線の射出軸の近傍では反射ミラーの間隔を広げることにより、間隙の幅を拡大して効率的にＸ線を通過させるようにしている。

図６（ｃ）に示す反射光学系３Ｄのように、反射ミラー３３１，３３２，３３３，３３４，・・・の位置をＸ線の射出軸からの距離に応じて変えてもよい。この例では、Ｘ線の射出軸から離れるほど、反射ミラーを線源に近づけるようにＸ線の射出軸方向にずらして配置している。これにより、全反射可能なＸ線の入射角度の範囲を拡大でき、反射光学系３Ｄから射出されるＸ線の強度を高めることができる。

図６に示す反射光学系３Ｃおよび反射光学系３Ｄでは、Ｘ線の射出軸周りのすべての方向について光学特性が一定とされる。このため、反射光学系３Ｅあるいは反射光学系３Ｆを経由したＸ線は円錐状のビームを形成する。したがって、これらの反射光学系は、円形の照射スポットに向けてＸ線を照射したい場合に適用することができる。

図７は、円形の照射スポットに対応する反射光学系の別構成例を示す図である。

図７（ａ）に示すように、反射ミラーを構成する細長い箔３２を所定の間隙をあけて螺旋状に巻き取ることで、図７（ｂ）および図７（ｃ）に示すような反射光学系３Ｅを作成することができる。この場合、スペーサとなるフィルムや塗布物等を箔３２の間に挟み込むことで、箔３２間の間隙を確保できる。

また、図７（ｃ）に示すように、Ｘ線の射出軸から離れるにつれて、箔３２の位置を線源に近づけるように箔３２を巻き取ることで、全反射可能なＸ線の入射角度の範囲を拡大することができる。ただし、図７（ｄ）に示す反射光学系３Ｆのように、箔３２の全体にわたって、Ｘ線の射出軸方向についての位置を一定としてもよい。

反射光学系３Ｅおよび反射光学系３Ｆのいずれについても、箔３２は本発明における凹面形状の複数枚の反射ミラーとして機能し、いずれの箇所においてもＸ線を１度だけ全反射するように構成される。

図７に示す反射光学系３Ｅおよび反射光学系３Ｆでは、Ｘ線の射出軸周りのすべての方向について光学特性がほぼ一定とされる。このため、反射光学系３Ｅあるいは反射光学系３Ｆを経由したＸ線は円錐状のビームを形成する。したがって、これらの反射光学系は、円形の照射スポットに向けてＸ線を照射したい場合に適用することができる。

以上説明したように、上記各実施形態のＸ線照射装置によれば、複数枚の反射ミラーによって集光することで、Ｘ線の利用効率を高めることができるため、低入力の小型Ｘ線管により所望のスラックス量を得ることも可能となる。また、一般に、とくに低光子エネルギー（長波長）のフラックスを検査に用いる場合には、Ｘ線管の管電圧を上げられず、また管電圧を上げられないために管電流も充分に流れずに低光子エネルギーでの多量のフラックスが得にくいという問題がある。しかし、上記各実施形態のＸ線照射装置によれば、拡散してしまうフラックスを重畳させて収束することができるため、低光子エネルギーのフラックスを多量に得られる。

また、大きなＸ線管を使用する場合でも、Ｘ線管を定格電流よりも低い入力電流で使用することが可能となり、ターゲットやフィラメントの寿命が延びるため、ランニングコスト等を軽減できる。

さらに、上記各実施形態のＸ線照射装置では反射光学系の小型化が容易なため、照射距離を短く抑えることができる。したがって、低出力で且つ広放射角である透過型Ｘ線管が使用できる場合には、近距離での照射が可能となり、ビームハードニングの発生を抑制できる。このため、透過性の高い検査対象物であっても低光子エネルギーのフラックスが効率的に得られ、充分な検出感度を確保できる。また、反射光学系が小型化できるため、装置全体の小型、軽量化を図ることができる。

また、線源と検査対象物とを接近させることが可能なため、空気の温度、気圧、水分等の影響によるＸ線の吸収率変化が軽減され、測定誤差を抑制できる。

本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、Ｘ線の線源と、前記線源から射出されるＸ線のフラックスの照射方向を制御する光学系とを備えるＸ線照射装置に対し、広く適用することができる。

１ 線源
３ 反射光学系（光学系）
３１，３１Ａ 箔（反射ミラー）
３２ 箔（反射ミラー）
３１１，３１２，・・・ 箔（反射ミラー）
３３１，３３２，・・・ 反射ミラー

Claims (9)

1. Ｘ線の線源と、前記線源から射出されるＸ線のフラックスの照射方向を制御する光学系とを備えるＸ線照射装置において、
   前記光学系は、前記線源からの前記Ｘ線の射出軸と直交する平面方向について、互いに間隙を介して積層される複数枚の反射ミラーを備え、
   前記線源から射出されたＸ線が前記間隙を介して前記反射ミラーに入射し、前記反射ミラーでそれぞれ全反射して互いに重畳することにより、前記フラックスとして照射されることを特徴とするＸ線照射装置。
2. 前記反射ミラーは反射面が鏡面状とされた金属箔により構成されることを特徴とする請求項１に記載のＸ線照射装置。
3. 前記反射ミラーは、前記反射ミラーと前記Ｘ線の射出軸とが平行となる向きに配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のＸ線照射装置。
4. 前記反射ミラーと前記Ｘ線の射出軸とがなす角度が、前記Ｘ線の射出軸から離れるほど大きくされていることを特徴とする請求項１または２に記載のＸ線照射装置。
5. 前記反射ミラーは、前記Ｘ線の射出軸方向と直交する方向について当該反射ミラーの位置が前記Ｘ線の射出軸から離れるほど、前記Ｘ線の射出軸方向について前記線源に近づく位置に配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のＸ線照射装置。
6. 前記反射ミラーは平面形状とされていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のＸ線照射装置。
7. 前記反射ミラーは前記Ｘ線の射出軸を取り囲む凹面形状とされていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のＸ線照射装置。
8. 前記複数枚の反射ミラーは平板状の反射材料を前記Ｘ線の射出軸周りに螺旋状に巻き回すことで構成されることを特徴とする請求項７に記載のＸ線照射装置。
9. 前記間隙はＸ線を透過する部材を用いて形成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のＸ線照射装置。

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