JP2013170880A - Ｘ線分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高効率のＸ線分析を行うことができるＸ線分析装置を提供する。
【解決手段】Ｘ線分析装置１は、Ｘ線源１０、スリット２０、集光部３０、保持部４０、検出部５０、走査部６０、シンチレータ７０、撮像部８０および制御部９０を備え、保持部４０により保持された試料Ｓの含有成分を分析する。集光部３０は、Ｘ線源１０から出力されスリット２０の開口を通過してＸ線入射端に入射されたＸ線をＸ線出射端から出射して、ｘ方向に長くｙ方向に短い線状に集光する。試料Ｓが線状のものである場合、集光部３０のＸ線出射端から出射されるＸ線が線状に集光される際の長手方向（ｘ方向）が試料Ｓの長手方向と一致するように、保持部４０は試料Ｓを保持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｘ線分析装置に関するものである。

試料に対してＸ線を照射した際に該試料で発生する蛍光Ｘ線を検出することで、該試料の含有成分を分析することができる（特許文献１，２を参照）。高効率のＸ線分析を行うためには、Ｘ線源から出力されるＸ線を試料の狭い領域に集光する必要がある。

特開２０１１−１０７１１３号公報 特開平１０−０１００６３号公報

しかしながら、従来のＸ線分析装置では、高効率のＸ線分析を行うことができない。特許文献２に開示されたＸ線分析装置は、Ｘ線源から出力されたＸ線をマルチコリメータにより試料の微小領域に照射するものであるが、Ｘ線利用効率が悪い。本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、高効率のＸ線分析を行うことができるＸ線分析装置を提供することを目的とする。

本発明のＸ線分析装置は、(1) Ｘ線を出力するＸ線源と、(2) 空間を挟んで互いに対向する第１平面および第２平面を有し、第１平面と第２平面との間隔がＸ線入射端と比べてＸ線出射端において等しいか又は狭く、Ｘ線源から出力されてＸ線入射端に入射されたＸ線を第１平面と第２平面との間を経てＸ線出射端から出射して、そのＸ線を線状に集光する集光部と、(3) 集光部のＸ線出射端から出射されて線状に集光されたＸ線が試料に照射された際に該試料で発生するＸ線を検出する検出部と、(4) 検出部による検出結果に基づいて試料の含有成分を分析する分析部と、を備えることを特徴とする。

本発明のＸ線分析装置は、試料を保持する保持部を更に備えるのが好適である。本発明のＸ線分析装置は、試料におけるＸ線照射位置を走査する走査部を更に備えるのが好適である。本発明のＸ線分析装置は、試料が線状のものであって、集光部のＸ線出射端から出射されるＸ線が線状に集光される際の長手方向が試料の長手方向と一致し、走査部が試料におけるＸ線照射位置を長手方向に走査するのが好適である。また、本発明のＸ線分析装置は、Ｘ線入射によりシンチレーション光を発生させるシンチレータと、シンチレータで発生したシンチレーション光を撮像する撮像部と、撮像部による撮像結果に基づいて試料の位置を調整する調整部と、を更に備えるのも好適である。

本発明のＸ線分析方法は、上記の本発明のＸ線分析装置を用いて試料としての毛髪の含有成分を分析することを特徴とする。本発明のＸ線分析方法は、試料としての毛髪の長手方向に沿った含有成分の量の分布を測定するのが好適であり、特に、試料としての毛髪の長手方向に沿ったカルシウム含有量の分布を測定するのが好適である。

本発明によれば、高効率のＸ線分析を行うことができる。

本実施形態のＸ線分析装置１の構成を示す図である。 集光部３０の全体構成を示す図である。 集光部３０の要部構成を示す図である。 集光部３０の作用を説明する図である。 集光部３０のＸ線出射端から出射されて線状に集光されたＸ線の強度分布の一例を示す図である。 本実施形態のＸ線分析装置１を用いて試料Ｓとしての毛髪の含有成分の分析を行って得られた結果を示すグラフである。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、各図には説明の便宜の為にｘｙｚ直交座標系が示されている。

図１は、本実施形態のＸ線分析装置１の構成を示す図である。Ｘ線分析装置１は、Ｘ線源１０、スリット２０、集光部３０、保持部４０、検出部５０、走査部６０、シンチレータ７０、撮像部８０および制御部９０を備え、保持部４０により保持された試料Ｓの含有成分を分析することができる。

Ｘ線源１０は、ｚ方向にＸ線を出力する。Ｘ線源１０は、数ｋｅＶ以上のエネルギーを有するＸ線を出力するのが好ましい。また、Ｘ線源１０は、ターゲット上の微小領域でＸ線を発生させるマイクロフォーカスＸ線源であるのが好ましい。

スリット２０は、Ｘ線源１０から出力されるＸ線の光軸上に設けられ、ｘ方向幅よりｙ方向幅が長い開口を有する。スリット２０は、Ｘ線源１０から出力されたＸ線のうち開口に到達したＸ線を選択的に通過させることができる。スリット２０は、通過するＸ線ビームの幅をｘ方向について制限することができる。

集光部３０は、Ｘ線源１０から出力されスリット２０の開口を通過してＸ線入射端に入射されたＸ線をＸ線出射端から出射して、ｘ方向に長くｙ方向に短い線状に集光する。

保持部４０は試料Ｓを保持する。試料Ｓは、任意の形状のものであってよいが、毛髪等の線状のものであってもよい。試料Ｓが線状のものである場合、集光部３０のＸ線出射端から出射されるＸ線が線状に集光される際の長手方向（ｘ方向）が試料Ｓの長手方向と一致するように、保持部４０は試料Ｓを保持する。試料Ｓが線状のものである場合、保持部４０は試料Ｓを保持する際の位置決めをする為にＶ溝を有するのが好ましい。

検出部５０は、集光部３０のＸ線出射端から出射されて線状に集光されたＸ線が試料Ｓに照射された際に該試料Ｓで発生するＸ線を検出する。検出部５０としてＸ線エネルギー分析器が用いられ得る。

走査部６０は、試料ＳにおけるＸ線照射位置を走査する。試料Ｓが線状のものである場合、走査部６０は、試料ＳにおけるＸ線照射位置を長手方向（ｘ方向）に走査する。走査部６０としてＸＹＺステージが用いられ得る。

シンチレータ７０は、Ｘ線入射によりシンチレーション光を発生させる。シンチレータ７０は、集光部３０のＸ線出射端から出射されるＸ線が到達する位置に挿入され、また、該Ｘ線が到達しない位置に待避され得る。撮像部８０は、シンチレータ７０で発生したシンチレーション光を撮像する。撮像部８０としてＣＣＤカメラが用いられ得る。

制御部９０は、Ｘ線源１０によるＸ線出力を制御し、走査部６０による試料ＳにおけるＸ線照射位置の走査を制御し、検出部５０による検出結果を取得し、撮像部８０による撮像結果を取得する。制御部９０は、検出部５０による検出結果に基づいて試料Ｓの含有成分を分析する分析部として作用する。また、制御部９０は、撮像部８０による撮像結果に基づいて走査部６０を制御して試料Ｓの位置を調整する調整部としても作用し、集光部３０のＸ線出射端から出射されるＸ線が試料Ｓに照射されるようにする。制御部９０としてパーソナルコンピュータが用いられ得る。

図２は、集光部３０の全体構成を示す図である。図３は、集光部３０の要部構成を示す図である。集光部３０は、各々矩形平板形状を有する第１反射部材３１、第２反射部材３２、第１支持部材３３および第２支持部材３４を含む。第１反射部材３１は、第１支持部材３３のｘ方向幅より狭いｘ方向幅を有し、第１支持部材３３のｘ方向中心部に固定されている。第２反射部材３２は、第２支持部材３４のｘ方向幅より狭いｘ方向幅を有し、第２支持部材３４のｘ方向中心部に固定されている。第１反射部材３１の第１平面３１Ａと第２反射部材３２の第２平面３２Ａとは、空間を挟んで互いに対向している。

第１支持部材３３および第２支持部材３４は、４隅においてスプリング３５により互いに接続され、また、４隅にマニピュレータ３６が設けられている。集光部３０のＸ線入射端における第１平面３１Ａと第２平面３２Ａとの間隔ｗ１、および、集光部３０のＸ線出射端における第１平面３１Ａと第２平面３２Ａとの間隔ｗ２は、これらスプリング３５およびマニピュレータ３６により調整される。第１平面３１Ａおよび第２平面３２Ａそれぞれのｚ方向の長さをＬとすると、Ｘ線入射端における間隔ｗ１，Ｘ線出射端における間隔ｗ２およびｚ方向長さＬは、以下の関係式を満たすのが好ましい。
ｗ１≧ｗ２
ｗ１／２Ｌ＜０.０１

第１反射部材３１および第２反射部材３２それぞれは、ガラス板であってもよいし、表面が金属コーティングされたガラス板であってもよい。また、第１反射部材３１および第２反射部材３２それぞれは、第１平面３１Ａおよび第２平面３２Ａが滑らかであれば、金属板、半導体板、又は金属コーティングされたプラスチック板であってもよい。

図４は、集光部３０の作用を説明する図である。Ｘ線源１０から出力されて集光部３０のＸ線入射端に入射されたＸ線の一部（ｘｚ平面に略平行に進むＸ線）は、第１平面３１Ａおよび第２平面３２Ａの何れにも当たることなく、第１平面３１Ａと第２平面３２Ａとの間の空間を通過して、Ｘ線出射端から出射され試料Ｓに照射される。Ｘ線入射端に入射されたＸ線のうち第１平面３１Ａまたは第２平面３２Ａに浅い角度で入射したＸ線は、第１平面３１Ａまたは第２平面３２Ａで全反射されて、Ｘ線出射端から出射され試料Ｓに照射される。集光部３０のＸ線出射端から出射されたＸ線は線状に集光される。したがって、本実施形態のＸ線分析装置１は、高効率のＸ線分析を行うことができる。

集光部３０によるＸ線集光の効率について実験を行ったところ以下のような結果が得られた。ここで用いたＸ線源１０は、クロム（Ｃｒ）からなるターゲットを有し、ターゲット電圧１０ｋＶおよびターゲット電流２００μＡの条件とした。集光部３０として２つのタイプＡ，Ｂを用いた。タイプＡ，Ｂの何れの集光部３０も、Ｘ線入射端における間隔ｗ１が２００μｍであり、Ｘ線出射端における間隔ｗ２が１００μｍであり、ｚ方向長さＬが３０ｍｍであった。集光部３０のＸ線出射端から出射されたＸ線を蛍光体（ＬＹＳＯ）に照射し、この蛍光体で発生した蛍光の強度を測定した。

タイプＡの集光部３０は、第１反射部材３１および第２反射部材３２の何れもガラス板からなり、第１平面３１Ａおよび第２平面３２Ａの何れもコーティング無しであった。タイプＢの集光部３０は、第１反射部材３１および第２反射部材３２の何れもガラス板からなり、第１平面３１Ａおよび第２平面３２Ａの何れも金（Ａｕ）でコーティングされたものであった。集光部３０を用いた場合のＸ線照射量は、集光部３０を用いない場合の同じ照射位置でのＸ線照射量に対して、タイプＡでは１.５２倍であり、タイプＢでは３.４６倍であった。

図５は、集光部３０のＸ線出射端から出射されて線状に集光されたＸ線の強度分布の一例を示す図である。この例では、Ｘ線はｘ方向長さ２ｍｍでｙ方向幅０.１ｍｍの線状領域に集光されている。

図６は、本実施形態のＸ線分析装置１を用いて試料Ｓとしての毛髪の含有成分の分析を行って得られた結果を示すグラフである。図５に示されるように線状に集光されたＸ線が毛髪に照射されると、毛髪の長さ２ｍｍの領域から蛍光Ｘ線が発せられる。その蛍光Ｘ線が検出部５０により検出されて該蛍光Ｘ線のエネルギー分布（毛髪測定データ）が得られ、制御部９０により毛髪の含有元素が分析された。

図６には、毛髪測定データ及びバックグラウンドデータが示されている。バックグラウンドデータは、試料Ｓが無い場合に検出部５０により検出された蛍光Ｘ線のエネルギー分布である。バックグラウンドデータと対比して判るように、毛髪測定データでは、燐（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、塩素（Ｃｌ）およびカルシウム（Ｃａ）それぞれの蛍光Ｘ線が毛髪由来のものとして現れている。なお、アルゴン（Ａｒ）の蛍光Ｘ線は空気中のＡｒガスに由来し、クロム（Ｃｒ）の蛍光Ｘ線はＸ線源１０のターゲット材に由来する。

ところで、毛髪は血液中のミネラル成分を吸収しながら伸びていく。また、血液中のミネラル量は、摂取量や体調により日々変化し、疾病と大きく関係していると言われている。したがって、毛髪の長手方向に沿った元素含有量の分布を測定することができれば、疾病の予兆を検知することができる。

本実施形態のＸ線分析装置１は、走査部６０により毛髪におけるＸ線照射位置を長手方向（ｘ方向）に走査することにより、毛髪の毛根から毛先までの長手方向に沿った元素含有量の分布を測定することができるので、日々の血中ミネラル濃度の変化を検出することができ、疾病の予兆の検知に貢献し得ると期待される。

特に、血中カルシウム濃度は、様々な疾病（癌、アルツハイマー病、糖尿病、動脈硬化、腎臓結石および白内障等の所謂Ｃａパラドックス病）の発症と関係があるとされている。したがって、本実施形態のＸ線分析装置１は、毛髪の毛根から毛先までの長手方向に沿ったカルシウム含有量の分布を測定して、日々の血中カルシウム濃度の変化を検出することで、これらの疾病の予兆の検知に貢献し得ると期待される。

また、本実施形態のＸ線分析装置１による毛髪の含有成分分析は、血液，尿，生体組織等と比べて毛髪のサンプル採取が容易である点でも優位性を有し、また、有害金属の検査においても有用性が高い。

従来では毛髪の含有成分の分析にはＩＣＰ発光分析装置が用いられていた。しかし、ＩＣＰ発光分析装置は数百ｍｇの毛髪の平均的な含有成分の分析しかできない。Spring-8等の高強度のＸ線源を用いれば、１本の毛髪を試料として含有成分の分析をすることができると考えられるが、この場合には構成が大型で高価なものとなる。これに対して、本実施形態のＸ線分析装置１は、簡易かつ安価な構成で、１本の毛髪を試料として含有成分の分析をすることができ、しかも、１本の毛髪の長手方向に沿った含有成分の量の分布を測定することができる。

１…Ｘ線分析装置、１０…Ｘ線源、２０…スリット、３０…集光部、３１…第１反射部材、３１Ａ…第１平面、３２…第２反射部材、３２Ａ…第２平面、４０…保持部、５０…検出部、６０…走査部、７０…シンチレータ、８０…撮像部、９０…制御部、Ｓ…試料。

Claims (8)

1. Ｘ線を出力するＸ線源と、
   空間を挟んで互いに対向する第１平面および第２平面を有し、前記第１平面と前記第２平面との間隔がＸ線入射端と比べてＸ線出射端において等しいか又は狭く、前記Ｘ線源から出力されて前記Ｘ線入射端に入射されたＸ線を前記第１平面と前記第２平面との間を経て前記Ｘ線出射端から出射して、そのＸ線を線状に集光する集光部と、
   前記集光部の前記Ｘ線出射端から出射されて線状に集光されたＸ線が試料に照射された際に該試料で発生するＸ線を検出する検出部と、
   前記検出部による検出結果に基づいて前記試料の含有成分を分析する分析部と、
   を備えることを特徴とするＸ線分析装置。
2. 前記試料を保持する保持部を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のＸ線分析装置。
3. 前記試料におけるＸ線照射位置を走査する走査部を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のＸ線分析装置。
4. 前記試料が線状のものであって、前記集光部の前記Ｘ線出射端から出射されるＸ線が線状に集光される際の長手方向が前記試料の長手方向と一致し、前記走査部が前記試料におけるＸ線照射位置を長手方向に走査する、ことを特徴とする請求項３に記載のＸ線分析装置。
5. Ｘ線入射によりシンチレーション光を発生させるシンチレータと、
   前記シンチレータで発生したシンチレーション光を撮像する撮像部と、
   前記撮像部による撮像結果に基づいて前記試料の位置を調整する調整部と、
   を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のＸ線分析装置。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載のＸ線分析装置を用いて前記試料としての毛髪の含有成分を分析することを特徴とするＸ線分析方法。
7. 前記試料としての毛髪の長手方向に沿った含有成分の量の分布を測定することを特徴とする請求項６に記載のＸ線分析方法。
8. 前記試料としての毛髪の長手方向に沿ったカルシウム含有量の分布を測定することを特徴とする請求項７に記載のＸ線分析方法。