JP2015503090A - Ｘ線検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】【解決手段】Ｘ線画像装置は、Ｘ線検出器を含む。Ｘ線検出器は、共通の軸に位置する、入射するＸ線波長光子を放出された可視波長光子に変換するよう構成された部材と、試験中の材料の位置と、Ｘ線源と、Ｘ線エネルギースペクトルを摂動させるように構成される構造とを備える。Ｘ線源はＸ線エネルギースペクトルを共通の軸に沿って方向付け、部材と、Ｘ線エネルギースペクトルを摂動させるよう構成された構造と、位置決めされた試験中の材料に衝突させるよう構成される。構造は共通の軸を横断する試験中の材料の位置の１つの側でＸ線源と部材の間に位置し、構造は少なくとも３つの隣接する領域を含み、各領域はすぐ隣接する領域と異なりＸ線エネルギースペクトルを異なって摂動させるよう構成される。【選択図】図１

Description

本発明はＸ線検出器に関し、特にシンチレータを含むＸ線検出器に関する。

Ｘ線管は広範囲のエネルギー帯に亘って放射線を出力し、エネルギーの分配はＸ線管に適用された加速する電圧により決められている。Ｘ線が材料に衝突すると、Ｘ線は通過する際に吸収される。異なるエネルギーのＸ線は異なって吸収され、それは最初のＸ線の強度が変化の概略を把握することを意味する。異なる材料はＸ線の強度スペクトルの形状において独特の変化を生じ、よってスペクトルが十分な精度で記録可能である場合、Ｘ線が通過した材料を予測することが出来る。

質量吸収係数は材料の種類と入射する光子のエネルギーの両方に依存するが、質量吸収係数は材料の厚さ及び密度と無関係である。それゆえ、得られるスペクトルに直面して最初のスペクトルを知り、質量吸収係数の値及びＸ線が通過した材料の種類を推定することが可能である。
Ｘ線の検知は２つの部類に分かれる。第１は直接検知であり、特定の材料に衝突するＸ線光子のエネルギーが直接検知可能である。
直接検知は材料を上述の方法で識別することを可能にする。

例えば、ニオブ酸リチウム単結晶やゲルマニウムのようなＸ線検出器は入射するＸ線のエネルギーを直接検知可能とし、よってＸ線のエネルギースペクトルを出力でき、材料の種類を決定可能とする。
この技術は多数の公開された特許出願において記載されている、例えば以下の様である。

特許文献１として公開された国際特許出願は、連続する周波数帯間の強度比の計算に関わる伝送モードの走査におけるエネルギー分散Ｘ線吸収分光法を記載する。
特許文献２として公開された国際特許出願は、画像装置及び方法を記載する。
特許文献３として公開された国際特許出願は、合成物液体の決定を記載する。
特許文献４として公開された国際特許出願は、容器内の材料の識別方法を記載する。

上述の特許出願で述べられた技術は効果的であるが、検出器それ自体は制限を提示する。必要とされる直接のＸ線検出器は非常に高価であり、それらを稼働させるのに必要な電子機器は比較的素朴なものである。これは暗騒音、パルスの蓄積及びエネルギー帯の変動といった現象から生じるエラーをもたらす。更に、１０２４画素より多い検出器を実現することは困難であり、それは検出器を簡単な領域又は純粋なライン走査の検出器に制限する。これらの検出器は、直接の検出器技術が適用され得る、利用できる応用の範囲を制限する。
Ｘ線検知の第２の部類は間接検知として知られ、Ｘ線光子が最初にシンチレータにより可視の光信号に変換され、可視光が検知される。

伝統的な考え方は、シンチレータ内でＸ線を可視光に変換する間、Ｘ線光子がもともと有していたエネルギー情報が破壊され、シンチレータの可視光の出力は入射する光子密度のみを表すというものである。それゆえ、間接的な変換の使用は伝統的に純粋な撮像技術に制限され、一方直接的な変換は材料の識別に関して活用されてきた。

二重エネルギーの線形スキャナーはシンチレータを使用するＸ線検出器が発展したものである。二重エネルギーの線形スキャナーは２つの検出器を使用し、各検出器はシンチレータを含み、２つの検出器は間隔を有するが軸方向に整列し、分析中の材料がＸ線源と２つのシンチレータの内の第１のシンチレータの間に配置される。シンチレータは、Ｘ線源により放出されて材料を通過するＸ線スペクトルの一部が第１のシンチレータに吸収されるよう特定され、その結果、分析する材料が存在しない場合でも、第２のシンチレータに衝突するＸ線エネルギースペクトルが第１のシンチレータに衝突するＸ線エネルギースペクトルと同一でない。それゆえ、各シンチレータによる光子放出は異なる。分析中の材料は各シンチレータによる光子放出における相違点に影響する。材料は第１及び第２のシンチレータのそれぞれによる光子放出の比率を調べることにより識別され得る。

もう一つの種類の二重エネルギーの検出器は特許文献５に記載される。見本と２つの軸方向に整列した検出器を通過するＸ線の代わりに、線形のアレイのシンチレータシステムが提供され、そのシステムは、交互に配置された厚みのあるシンチレータを含み、一方の厚みのあるシンチレータ材料は、Ｘ線が比較的低い分子量の材料を通過することに対応した信号を提供し、他方の厚みのあるシンチレータ材料はＸ線が比較的高い分子量の材料を通過することに対応した信号を提供する。記載された線形のアレイは、試験中の物体を通過し、且つ線形のアレイのシンチレータに衝突するＸ線の薄い平行のカーテンと共に使用するためにある。特許文献５によると、線形のアレイのシンチレータは立体画像を生成可能であり、高い分子量と低い分子量の材料を従来技術の二重エネルギーの検出器より容易に区別出来る。

国際公開第２００８／１４２４４６号明細書 国際公開第２００９／１２５２１１号明細書 国際公開第２００９／１３０４９２号明細書 国際公開第２０１０／１３６７９０号明細書 欧州特許公開第１０６３５３８号明細書

二重エネルギーの線形スキャナーは高い又は低い分子量を有する材料を識別するのに効果的である。しかし、スキャナーはそれらの極致間に収まる分子量を有する材料を識別する、又は大変類似した分子量を有する材料の違いを区別するのに特に効果的というわけではない。

シンチレータを使用した間接的な検知を使用して、広範囲の材料を検知可能とすることは特に有利であろう。これは、Ｘ線の直接検知に使用される装置に比べ、シンチレータを使用する間接的検知のための装置は比較的安価であり、また高度な電子機器が開発されてきたためである。更に、直接の検出器を利用可能な解像度は、現在約１０００である画像が分割され得る画素数を制限し、一方その様な検出器を使用する人々は画像が分割される画素数を著しく増加させたいと考えている。
二重エネルギーの検出器はいくらかの材料識別能力を有するが、その能力は制限される。
よって、材料を識別可能な、シンチレータを有する間接的なＸ線検出器を提供することが望ましいと思われる。

本発明の第１の態様によると、Ｘ線画像装置は、共通の軸に位置する、入射するＸ線波長光子を放出された可視波長光子に変換するよう構成された部材と、試験中の材料の位置と、Ｘ線源と、Ｘ線エネルギースペクトルを摂動させるよう構成された構造とを含むＸ線検出器を含み、Ｘ線源はＸ線エネルギースペクトルを共通の軸に沿って方向付け、部材と、Ｘ線エネルギースペクトルを摂動させるよう構成された構造と、試験中の位置決めされた材料に衝突させるよう構成され、構造は共通の軸を横断する試験中の材料の位置の１つの側でＸ線源と部材の間に位置し、構造は少なくとも３つの隣接する領域を備え、各領域はすぐ隣接する領域と異なりＸ線エネルギースペクトルを異なって摂動させるよう構成される。
有利には、領域は互いに横方向に位置し、好ましくは、構造は互いに横方向に、好ましくは２つの直交する方向に位置する複数の領域を含む。
好ましくは、入射するＸ線波長光子を放出された可視波長光子に変換するよう構成された部材はシンチレータである。
シンチレータはシンチレータ層及びバッキング層を含み得る。

有利には、複数の領域はアレイに形成され、アレイは構造内でそれ自体を繰り返し得る。例えば、複数の領域は３行３列の配列の９つの領域を含んでも良く、構造は多数のその様なアレイを含み得る。
好ましくは、構造は平坦又は平坦でない。構造は少なくとも１つの平面で湾曲し得る。
好ましくは、隣接する領域の差は隣接する領域における構造の材料の厚さである。

構造は複数の突起又は窪みを含み得、突起又は窪みの厚さは少なくとも１つの方向において変化し、各突起又は窪みはＸ線エネルギースペクトルを摂動させるよう構成された少なくとも３つの隣接する領域を提供する。
好ましくは、突起又は窪みはピラミッド形状である。

構造は多数の窪みが形成された非金属の層を含み得、各窪みは金属で充填される。好ましくは、構造は多数の窪みが形成された第１の非金属の層と、対応する数の突起を含む第２の金属の層を含み、各突起は対応する窪みと係合して窪みを塞ぐ。
第２の層は窪みに対する開口が配置される第１の層の表面を覆い得る。
隣接する窪み又は突起はＸ線摂動材料により互いに分離され得、隣接する窪み又は突起を分離する材料は少なくとも３つの領域の１つを構成し得る。
非金属の層はシリコンから形成され得る。
隣接する領域の差は構造の個々の隣接する領域が形成される材料であり得る。

隣接する領域は厚さと、それらが作られる材料において異なり得る。例えば、構造は均一な厚さの基板を含み得、個々の領域は材料の分離層を隣接する領域に蓄積することにより構造の表面に形成され得る。層の数及び／又はそれらの層の材料は異なり得る。物理的気相成長法、電気析出又はレーザ切断等の技術が個々の領域を形成するのに使用され得る。

加えて、領域の変化は、切り取り領域を有するフォイルの層を、切り取り領域が側面の意味で様々な厚さを形成する方法で蓄積されるよう、互いの上に蓄積することにより形成され得る。

他の例では、材料の厚さの変化が形成されるように一連の金網が共にフォイルと同様の方法で蓄積される。これは減光フィルタを形成するのに使用される技術と同様である。

更に他の例では、所定の厚さの材料から始め、領域を切り取り異なる厚さを形成する。これは多くの技術の中でもレーザマイクロマシニング又はイオンビームミル加工により行われ得る。

構造の厚さのような構造の材料特性が段階的ではなく継続して変化する場合、構造の任意の点を取り、もしその特性（厚さ）が隣接する点における構造の厚さと異なれば、それらの２つの点はそれぞれＸ線エネルギースペクトルを異なって摂動させるよう構成される領域であると見なされ得る。

Ｘ線エネルギースペクトルを摂動させるよう構成された構造は、シンチレータに含まれ得、シンチレータ層又はシンチレータ層のバッキング層の何れかに含まれ得る。

本発明の第２の態様によると、本発明の第１の態様によるＸ線検知装置で使用されるのに適したＸ線検出器が提供され、Ｘ線検出器は、入射するＸ線波長光子を放出された可視波長光子に変換するよう構成された部材と、Ｘ線エネルギースペクトル源と整列する構造を含み、構造はＸ線エネルギースペクトルを摂動させるよう構成され、構造は少なくとも３つの隣接する領域を含み、各領域はすぐ隣接する領域と異なり、各領域はＸ線エネルギースペクトルを異なって摂動させるよう構成される。
有利には、領域は互いに横方向に位置し、好ましくは、構造は互いに横方向に、好ましくは２つの直交する方向に位置する複数の領域を含む。

本発明の第３の態様によると、構造が提供され、構造は構造に入射するＸ線エネルギースペクトルを摂動するよう構成され、構造は少なくとも３つの領域を含み、各領域はすぐ隣接する領域と異なり、各隣接する領域はＸ線エネルギースペクトルを異なって摂動させるよう構成される。
有利には、領域は互いに横方向に位置し、好ましくは、構造は互いに横方向に、好ましくは２つの直交する方向に位置する複数の領域を含む。

有利には、複数の領域はアレイに形成され、アレイは構造内でそれ自体を繰り返し得る。例えば、複数の領域は３行３列の配列の９つの領域を含んでも良く、構造はその様な多数のアレイを含み得る。
好ましくは、構造は平坦又は平坦でない。構造は少なくとも１つの平面において湾曲し得る。
好ましくは、隣接する領域の材料の差は隣接する領域における構造の材料の厚さである。

構造は複数の突起又は窪みを含み得、突起又は窪みの厚さは少なくとも１つの方向において変化し、各突起又は窪みはＸ線エネルギースペクトルを摂動させるよう構成された少なくとも３つの隣接する領域を提供する。
突起又は窪みはピラミッド形状であり得る。
構造は多数の窪みが形成された非金属の層を含み得、各窪みには金属が充填される。
有利には、構造は多数の窪みが形成された第１の非金属の層と、対応する数の突起を含む第２の金属の層を含み、各突起は対応する窪みと係合して窪みを塞ぐ。
好ましくは、第２の層は窪みに対する開口が配置された第１の層の表面を覆う。
隣接する窪み又は突起はＸ線摂動材料により互いに分離され得、隣接する窪み又は突起を分離する材料は少なくとも３つの領域の１つを構成する。
好ましくは、非金属の層はシリコンから形成される。
非金属の層の窪みは好ましくはエッチングにより形成される。ピラミッド形の窪みの壁は好ましくは非金属の層の表面に対し５４．７°の角度で位置する。
隣接する領域の材料の差は構造の個々の隣接する領域が形成される材料であり得る。

隣接する領域は厚さと、それらが作られる材料において異なり得る。例えば、構造は均一な厚さの基板を含み得、個々の領域は材料の分離層を隣接する領域に蓄積することにより構造の表面に形成され得る。層の数及び／又はそれらの層の材料は異なり得る。物理的気相成長法、電気析出、レーザ切断又は３次元印刷等の技術が個々の領域を形成するのに使用され得る。

加えて、領域の変化は、切り取り領域を有するフォイルの層を、切り取り領域が側面の意味で様々な厚さを形成する方法で蓄積されるよう、互いの上に蓄積することにより形成され得る。

他の例では、材料の厚さの変化が形成されるように一連の金網が共にフォイルと同様の方法で蓄積される。これは減光フィルタを形成するのに使用される技術と同様である。

更に他の例では、所定の厚さの材料から始め、領域を切り取り異なる厚さを形成する。これは多くの技術の中でもレーザマイクロマシニング又はイオンビームミル加工により行われ得る。
本発明の第４の態様によれば、物質の材料特性を決定する方法が提供され、その方法は、
ａ）本発明の第１の態様によるＸ線検知装置内に物質を配置する工程と、
ｂ）Ｘ線源がＸ線エネルギースペクトルを共通の軸に沿って方向付けるようにする工程と、
ｃ）入射するＸ線波長光子を可視波長光子に変換させるよう構成された部材により放出された可視波長光子を分析する工程と、
を含む。

本発明の検出器は特に強力なエネルギー依存を有するシンチレータ材料に適する。従来技術では、エネルギー及びＸ線が通過する材料に関する厚さの情報を取り出す困難さのため、その様な材料は可能であれば避けられる。従来技術では、可能な限り１つの入射Ｘ線光子のための１つの可視光光子の出力を行うシンチレータ材料が選択されてきた。

間接的な検出器である本発明の検出器は、高い解像度の撮像と組み合わされた物体の材料識別を提供する。これは２次元カメラの大きさがより著しく制限される直接の検出器に照らして大きな利点を示す。

本発明の画像装置は特に、制限された数の材料システムを使用する複雑な形状の高解像度の撮像に適する。例えば、プリント基板ならびに一般的な電子装置の検査、及びクラッタ又は遮蔽環境における放射性同位体の検知及び識別に適する。
例えば非破壊検査、医療機器及び食品産業等の、画像装置が有用に活用され得る他の領域が多数存在する。
物質は、例えば人体／動物の細胞や食品等の、固体、流体又は固体と流体の組み合わせでも良い。

本発明の第1実施形態によるＸ線検出器の簡略化した概略的表現である。 図１に示された検出器のシンチレータ板の第1実施形態の断面図である。 図１に示された検出器のシンチレータ板の第２実施形態の断面図である。 図２に示されたシンチレータ板の後面と、図３に示されたシンチレータ板の前面の図である。 本発明の他の態様によるＸ線検出器の簡略化した概略的表現であり、検出器の部品が物体と検出器の間に配置される図である。 本発明の他の態様によるＸ線検出器の簡略化した概略的表現であり、検出器の部品がＸ線源と物体の間に配置される図である。 図５に示された検出器の干渉板の図５のＡ−Ａ軸に沿った断面図である。 多数領域構造、即ち図６に示された干渉板の前面図である。 通常のスペクトル出力強度対Ｘ線源のためのエネルギーを示すグラフである。 直接の検出器の検知された強度対エネルギースペクトルを示すグラフであり、Ｘ線源は図８のものであり、Ｘ線は均一の厚さを有する分析中の材料を通過した図である。 Ｘ線強度に関する干渉板の厚さの効果を示すグラフである。 得られる強度スペクトル対本発明の干渉板を通過するＸ線エネルギースペクトルのためのエネルギーを示すグラフである。 本発明による検出器における検知された強度対エネルギースペクトルを示すグラフであり、Ｘ線源は図９のものであり、Ｘ線は分析中の同じ材料を通過した図である。 多数の材料の層から構築された干渉板の分解図である。 図１３ａに示された種類の干渉板の構成部分の平面図である。 多数の金網の層から構築された干渉板の分解図である。 干渉板の２つの方向で変化する厚さを有する干渉板の概略的表現である。 干渉板の代替的な実施形態の概略図、上面図及び側面図である。 図１６ａにおいて示された実施形態の分解側面図及び分解概略図である。 本発明による装置を示す図である。

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態によるＸ線検出器を説明する。

図１を参照し、明確にするため、検出器が最も基本的な形式で示され、検出器はＸ線源１と、物体２と画素化したシンチレータ板３とを備える。Ｘ線源１から放出されたＸ線は物体２を通過し、物体２を通過した減衰したＸ線はシンチレータ板３により検知される。Ｘ線源１、物体２及びシンチレータ板３は共通の軸Ａ−Ａ上にある。

図２はシンチレータ板３の第1実施形態の断面図を示し、シンチレータ板３はシンチレータ層４とバッキング層５とを備える。シンチレータ層４は均一な材料からなり、均一な厚さを有する。好ましくは、シンチレータ層４が形成される材料は入射Ｘ線光子エネルギーに対し強い反応を有する。しかし、バッキング層５は、番号５ａから５ｄで表される、異なる厚さの非常に多数の領域を備える。明確にするため、サンプルの領域のみに番号が付されている。

図３はシンチレータ板３の第２実施形態の断面図を示し、シンチレータ板３は再びシンチレータ層４とバッキング層５を備える。しかし、この実施形態では金属（アルミニウムの）バッキング層は均一な材料からなり、均一な厚さを有し、一方シンチレータ層４は番号４ａから４ｄにより表される、異なる厚さの非常に多数の領域を備える。明確さのため、サンプルの領域のみに番号が付されている。好ましくは、シンチレータ層４が形成される材料は入射Ｘ線光子エネルギーに対し強い反応を有する。

図４は図２に示されるシンチレータ板の後面図及び図３に示されるシンチレータ板の前面図である。シンチレータ板３は、３行３列のブロック領域に形成された９つの異なる画素厚さの繰り返しのアレイに基づき、４９の領域を提供する。この配置は、３行３列の９つの領域の群に対し、群の中央の画素は８つの領域に囲まれ、８つの領域のそれぞれは異なる厚さを有し、何れか１つの選択された画素に隣接する領域は異なる厚さであることを提供する。シンチレータ板の右下の角は図３の前面図として番号が付され、左上の角は図２の後面図として番号が付される。
上記に示した例において、隣接する領域の厚さの差は約２００ミクロンである。

シンチレータ板３は９つの異なる画素厚さの繰り返しのアレイの周りに基づき４９の領域を提供するが、本発明はこの形式に制限されない。例えば、シンチレータ板３のレイアウトは２行２列の配列における４つの異なる画素厚さの繰り返しのアレイの周りに基づいても良い。

従来技術は、間接的なＸ線検出器において、シンチレータ材料は入射するＸ線エネルギーに対して平坦な反応を提供する必要があると示唆する。その様なシンチレータ材料は図２及び図３に示された実施形態のどちらかにおいて有用であり得る。しかし、シンチレータ材料は強いエネルギー反応を有する必要があること、即ち生成された可視の光子の数が、入射Ｘ線強度と入射Ｘ線エネルギーの両方に、おそらく入射Ｘ線強度より入射Ｘ線エネルギーにより強く関連するであろうことが好ましい。

図５から図７は本発明の代替の実施形態を示し、ここでは異なる厚さの領域を提示するシンチレータのシンチレータ板の何れかのバッキング板ではなく、例えば図５ａでは物体とシンチレータの間に配置され、図５ｂではＸ線源と物体の間に配置される、タングステンの干渉板６（これは多重吸収板、即ち板の異なる領域が異なるＸ線吸収能力を有すると見なされ得る）を有する標準構造のシンチレータが使用される。その様な構造は図１から図４に示された種類のシンチレータより製造がより簡単であり、コストが低くなり得る。更に、干渉板の領域が異なる厚さを有するように干渉板を製造することに加え、干渉板が、異なる材料の干渉板の個々の領域を形成することにより隣接した領域の間に材料の差を提供しながら均一な厚さを有し得ることが可能である。
干渉板は個々の領域が基板の上又は中に形成された基板を備え得る。個々の領域は基板のエッチング又は均一な機械加工によりベース層に形成され得る。
干渉板は３次元印刷により形成されても良い。
図２から図４、図６及び図７に示された個々の領域は異なる厚さの領域を提示し得る。

個々の領域は、例えば「リフトオフ法」として業界によく知られる技術により、堆積により基板に形成され得る。その様な技術の利点は「リフトオフ」処理で堆積された材料は基板が形成された材料と同じであり得ることである。隣接する材料間の材料の違いは各画素の厚さである。更に、隣接する領域の材料の違いが材料の種類及び／又は材料の厚さにあるならば、堆積された材料は基板の材料と異なり得る。

図８を参照し、Ｘ線源から放出されたＸ線の典型的な強度に対するエネルギースペクトルが示される。同じＸ線が均一の厚さの材料を通過すると、いくつかのＸ線光子は材料に吸収され、よってスペクトルの強度が図９に見られるように減少する。

「背景技術」という見出しの箇所で記載された種類の直接の検出器が材料を通過するＸ線スペクトルを検知するのに使用される場合、図９に示すグラフが検知されるものである。しかし、間接的な検出器が使用される場合、検出器の出力、即ちシンチレータから放出される可視スペクトルの光子の数は入射するＸ線光子のエネルギーから大いに独立しており、入射するＸ線光子の強度のみに依存する。それゆえ、間接的な検出器のための強度対エネルギーのグラフは任意の平均エネルギー値を表す単一の線からなる。
図１０は、材料の厚さに応じた特定の材料の出力強度の変化を示すグラフである。

３つの異なる曲線は低い、中間の、及び高いエネルギーを有する入射Ｘ線光子を表す。図８に示されるＸ線源から放出されたＸ線スペクトルは、異なるエネルギーを有するＸ線光子からなる。図１０から理解されることは、Ｘ線光子が通過する材料の厚さを増加させる効果は、低いエネルギーを有するそれらのＸ線光子が吸収され、一方中間及び高いエネルギーを有するＸ線光子は通過し、最も高いエネルギーを有するＸ線光子は最も厚い材料を通過することである。

図１１は強度対エネルギーのグラフであり、同じ材料であるが、厚さが異なる材料を通過する低いエネルギーのＸ線光子に関連する個々のスペクトルを示す。一番右の曲線は最も厚い材料を通過した光子に関連するスペクトルを表す。

それゆえ、光源から放出されたＸ線スペクトルを異なる厚さの領域からなる構造を通過させることにより、複数のＸ線スペクトルが生成され、各スペクトルはＸ線スペクトルが通過した材料の厚さに対応することが理解されるであろう。この複数のＸ線スペクトルがシンチレータに入射すると、入射スペクトルのエネルギーはスペクトルのＸ線光子の強度と無関係であり得る一方、各入射スペクトルは強度反応を生じさせる。それゆえ、３行３列の配列の画素厚さが使用される場合、９つの異なる強度の値がシンチレータにより発生する。図１２はその様なシンチレータ出力を示すグラフである。

図９に示された出力は、エネルギーに対してほぼ平坦な応答を有するシンチレータのためのものである。画像化における一般的な傾向は、シンチレータエネルギー反応は画像の影になるため、それを取り除くことであったが、そのことは一般的に望ましくないと考えられている。しかし、本発明では、エネルギーに対する反応が平坦でないシンチレータ材料を使用することが好ましい。その様なシンチレータ材料が使用される場合、より大きな入射エネルギーがより大きなシンチレータ出力強度をもたらす。本発明の検出器は出力強度におけるその様な違いを利用することが出来る。

出力強度が衝突するＸ線光子のエネルギーに応じて変化するシンチレータ材料が使用される図１０に示されたグラフを参照すれば、隣接する領域のシンチレータからの出力強度の差は、エネルギーに対する平坦な反応を有するシンチレータ材料が使用される場合より大きくなるであろうことが理解される。これらの差は材料の識別を支援するのに使用され得る。

この種類のＸ線検出器は、知られた材料、材料又は知られた材料又は材料の組み合わせの知られた組み合わせ、及び厚さのような他の材料特性に対するシンチレータ出力と検出器で検出されたことを比較することにより機能する。それゆえ、材料、材料の組み合わせ等を区別できる可能性が高まるほど、検出器がより有用になる。

適したシンチレータ材料はタリウム活性化ヨウ化セシウム及びタリウム活性化ヨウ化ナトリウムを含み、これらは普通に使用される高い範囲のＸ線光子に対する遊走阻止因子のためのシンチレータ材料である。それらは高い停止効率を有し、可視の光子を効果的に製作する。広い領域の単一の結晶がこれらの材料から容易に製作可能であり、広い表面領域の検出器に理想的にする。

Ｂｉ１２ＦｅＯ２０（ＢＧＯ）は他の適切なシンチレータ材料である。それは特に硬いＸ線と柔らかいガンマ線に有用である。しかし、上述のハロゲン化アルカリよりも広い領域での製造がより困難である。

プラスチックのシンチレータもまた一般的であり、上述の無機シンチレータのマイクロ秒に比べてナノ秒程度で優れた減衰定数を有する。また、プラスチックシンチレータは、通常は成形により複雑な形状に容易に形成され、本明細書に記載された発明のいくつかの実施形態の製作に理想的なものとなる。ポリエタレンナフタレートは優れたシンチレーション特性を示し、合理的に耐久性がある。

図１３ａ及び図１３ｂは干渉板６の他の構造を示す。この例において干渉板６は例えばフォイル等の４つの材料の層６ａから６ｄから形成される。第１の層は穴が開けられていない。第２の層６ｂは第１の幅の開口６ｂ’を含む。第３の層６ｃは第２の幅の開口６ｃ’を含み、第４の層６ｄは第３の幅の開口６ｄ’を含む。開口６ｂ’から６ｄ’の中心を整列させて積み重ねた時、得られる構造は断面６’を有する。開口の端を整列させて層６ａから６ｄを積み重ねた時、得られる構造は断面６’’を有する。
構造６’と６’’のそれぞれは異なる厚さの細長い領域を提供する。

図１３ｂにおいて、得られる２枚の干渉板６は開口が互いに垂直になるよう整列されて積み重ねられる。得られる干渉板は正方形の領域のアレイを提供し、隣接する領域は厚さが異なる。

図１４は干渉板６の更に他の配置を示し、この配置は３つの金網の層６ｆから６ｈを備え、それぞれが異なる網サイズを有する。一方を他方の上に積み重ねると、いくつかの領域で入射するＸ線が第１の層６ｆの金網に衝突し、他の領域で入射するＸ線が第２の層６ｇの金網に衝突し、他の領域で入射するＸ線が第３の層６ｈの金網に衝突するであろう。更に、他の領域で入射するＸ線は層６ｆ、６ｇ及び６ｈの1つ以上の金網の組み合わせに衝突するであろう。更に、金網がない領域も存在し、よってそれらの領域に入射するＸ線は摂動されずに通過するであろう。

図１５において干渉板６は平面図が正方形であり、干渉板を横切る２つの軸に沿って厚さが変化するブロック材を備える。それゆえ、材料の厚さは干渉板に亘って継続的に変化する。この場合、領域の実際の大きさは、例えば検出カメラのもののような画素化したグリッドにより決定される。図１５に示される干渉板６の場合では、隣接する領域の平均厚さの差は、入射するＸ線の摂動に検知可能な差を形成するのに十分でなければならない。

図１６ａ及び図１６ｂを参照し、干渉板６０の更に他の構造が示され、この構造は第1の層６１と第２の層６３を備える。第１の層６１はシリコンウェハから形成され、中に多数の窪み６２が形成される。図示された例では窪みは８００ミクロンの深さを有する。窪みはエッチングにより形成される。水酸化カリウムや水酸化テトラメチルアンモニウムのような強アルカリ性ウェットエッチング液は、異なる結晶面におけるシリコン原子の結合強度の差のため、他に比べてシリコンの特定の結晶面を優先的にエッチングするであろうことが知られている。｛１１１｝結晶面は中でも最もエッチング液に耐性を示し、その結果｛１００｝及び｛１１０｝結晶面は｛１１１｝面よりずっと大きな割合でエッチングされるであろう。第１の層６１が形成されるシリコンウェハは｛１００｝を向いている。窪み６２のアレイを決定するマスクはシリコンウェハの表面に付与され、アルカリ性エッチング液が適用される。アルカリ性エッチング液がシリコンに接触する場合、アルカリ性エッチング液は下方にエッチングし始めピラミッド形の窪み６２に基づき正方形を形成する。窪み６２の傾斜した側壁はシリコンの｛１１１｝面であり、よって｛１００｝シリコンウェハの表面に比べて５４．７°の角度を有する。エッチング処理は｛１１１｝側壁が集中してピラミッド形の窪み６２の頂点を形成するまで進めることが可能である。

窪み６２を形成するのに使用されたエッチング液は水酸化カリウムであった。窪み６２を形成するのに使用されたマスクは平面図で図１６ａに示された形状と一致する。図示された例では、窪みは１ｍｍ×１ｍｍ中心間のグリッドで設計される。隣接する窪み６２間の距離は約５０ミクロンである。

窪みの数は、窪みの中心間の距離を増加させたり減少させたりすることにより、増加又は減少され得る。窪み間の距離が変化すると、窪みの深さ、よって窪みのベースの大きさは変化すると思われ、ベースの大きさは窪みの深さと５４．７°の壁の角度に応じたものになる。例えば、各窪みの深さは１００ミクロンまで減少され得る。

図１６ａ及び図１６ｂは干渉板の一部を示す。干渉板は例えば２６ｃｍ×１５ｃｍの寸法であり得、窪みは本明細書に示された１ｍｍ×１ｍｍ中心間のグリッドより小さいグリッド上にあり得る。

第２の層６３はニッケル、銅又は錫のような金属から形成される。入射するＸ線を摂動させるのはこの金属の第２の層６３であり、各ピラミッド形の突起は、金属の厚さがピラミッドの壁の傾斜に沿って変化するため、異なる厚さのほぼ無限の数の領域を提供する。第１の層は干渉板の製造において支援し、製造後に金属層６３を支持及び保護する役割を果たす。図１６ａ及び図１６ｂに見られるように、第２の層６３はピラミッド形の突起６４とバッキング板６５を含む。第２の層６３は溶融金属を第１の層６１の表面に堆積させることにより形成され、溶融金属はピラミッド形の窪み６２を充填し、第１の層６１の表面を覆う薄いバッキング板６５（約数ミクロン）を形成する。隣接するピラミッド形の突起間の第２の層６３の金属は、Ｘ線エネルギースペクトルを隣接するピラミッド形の突起の金属と異なって摂動させる、隣接する領域に対し異なる厚さの領域と見なされ得る。
干渉板６０は、例えば機械的クランプ又は接着剤によりシンチレータに取り付けられ得る。
干渉板（多重吸収板とも呼ばれる）は３次元印刷技術を使用して形成されても良い。

図１７を参照し、本発明による実験室測量装置１００が示される。実験室測量装置はＸ線源１０２が取り付けられたキャビネット１０１を含み、試験中の材料の位置は試料台１０３の形式でレール１０４に取り付けられ、その結果試料台の位置が調節可能となる。実験室測量装置１００は更に、干渉、即ち多重吸収板１０５とＸ線検出器１０６を含む。Ｘ線検出器１０６はＸ線の影画像のＸ線波長光子を可視の波長光子に変換するシンチレータを含むＸ線カメラの一部を形成する。Ｘ線カメラは画像を捕え、画像はその後分析され得る。

物質の材料特性を決定するため、物質は試料台１０３に配置され、Ｘ線源１０２はＸ線エネルギースペクトルの方向づけを生じさせ、その様に配置された試料及び干渉板１０５を通過させ、Ｘ線検出器１０６に衝突させる。入射するＸ線波長光子と可視波長光子に変換するよう構成される部材より放出された可視の波長光子は以下の工程により分析される。

工程（ｉ） Ｘ線検出器１０６が画素化され、画素毎にＸ線検出器により記録される可視波長光子の強度が隣接する画素の記録された強度と比較され、強度の差が記録される。

工程（ｉｉ） 画素毎にＸ線検出器により記録された可視波長光子の強度が隣接する画素の記録された強度と比較され、強度の差が実験室測量装置に存在する物質なしで記録される。
工程（ｉｖ） 方法の工程（ｉ）及び（ｉｉ）により決定された隣接する画素の記録された強度の現在の差が比較される。
工程（ｖ） 少なくとも１つの知られた材料に対する方法の工程（ｉ）から（ｉｖ）に従い、上記の差をデータベースに記憶させる。
工程（ｖｉ） 試験中の物質に対する記録された強度の差をデータベースからの知られた物質に対する記録された強度の差と比較する。

１、１０２・・・Ｘ線源
２・・・物体
３・・・シンチレータ板
４・・・シンチレータ層
５・・・バッキング層
６、６０、１０５・・・干渉板

Claims (68)

1. 共通の軸に位置する、入射するＸ線波長光子を出射する可視波長光子に変換するよう構成された部材と、試験中の材料の位置と、Ｘ線源と、Ｘ線エネルギースペクトルを摂動させるよう構成された構造とを有するＸ線検出器を備え、
   前記Ｘ線源は、Ｘ線エネルギースペクトルを前記共通の軸に沿って方向付け、前記部材と、前記Ｘ線エネルギースペクトルを摂動させるよう構成された構造と、試験中の位置決めされた材料に衝突させるよう構成され、
   前記構造は、前記共通の軸を横断する試験中の材料の位置の１つの側で前記Ｘ線源と前記部材との間に位置し、少なくとも３つの隣接する領域を有し、各領域がすぐ隣接する領域と異なり、前記Ｘ線エネルギースペクトルを異なって摂動させるよう構成されることを特徴とするＸ線画像装置。
2. 入射するＸ線波長光子を放出された可視波長光子に変換するよう構成された前記部材はシンチレータであることを特徴とする請求項１に記載のＸ線画像装置。
3. 前記シンチレータはシンチレータ層及びバッキング層を含むことを特徴とする請求項２に記載のＸ線画像装置。
4. 前記複数の領域はアレイに形成されることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項に記載のＸ線画像装置。
5. 前記アレイはｘ行ｙ列の配列を有することを特徴とする多数のｘ及びｙは３以上である、請求項４に記載のＸ線画像装置。
6. 前記アレイは前記構造内で自体を繰り返すことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載のＸ線画像装置。
7. 前記構造は多数のアレイを含むことを特徴とする請求項４〜請求項６の何れか一項に記載のＸ線画像装置。
8. 前記構造は平坦又は平坦でないことを特徴とする請求項１〜請求項７の何れか一項に記載のＸ線画像装置。
9. 前記構造は少なくとも１つの平面において湾曲していることを特徴とする請求項８に記載のＸ線画像装置。
10. 前記構造の隣接する領域の差は、隣接する領域における前記構造の前記材料の厚さを含むことを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載のＸ線画像装置。
11. 隣接する領域の差は前記構造の前記個々の隣接する領域が形成される前記材料を含むことを特徴とする請求項１〜１０の何れか一項に記載のＸ線画像装置。
12. 前記構造の前記個々の領域は分離層を含むことを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載のＸ線画像装置。
13. 前記分離層の厚さは複数の領域間及び／又は一つの領域内で異なることを特徴とする請求１２に記載のＸ線画像装置。
14. 前記分離層が形成される前記材料は複数の領域間及び／又は一つの領域内で異なることを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載のＸ線画像装置。
15. 前記分離層の数は複数の領域間及び／又は一つの領域内で異なることを特徴とする請求項１２〜請求項１４の何れか一項に記載のＸ線画像装置。
16. 前記構造は、複数の分離層を含み、前記分離層の少なくとも１つは少なくとも１つの開口を含むことを特徴とする請求項１０〜請求項１５の何れか一項に記載のＸ線画像装置。
17. 複数の前記分離層は少なくとも１つの開口を含み、前記構造内の異なる層の開口は異なる寸法を有することを特徴とする請求項１６に記載のＸ線画像装置。
18. 前記分離層はフォイルから形成されることを特徴とする請求項１６又は請求項１７に記載のＸ線画像装置。
19. 前記分離層は網から形成されることを特徴とする請求項１６又は請求項１７に記載のＸ線画像装置。
20. 前記構造の厚さは少なくとも１つの方向において前記構造に亘って継続して変化することを特徴とする請求項１０に記載のＸ線画像装置。
21. 前記構造の厚さは２つの直交する方向において前記構造に亘って継続して変化することを特徴とする請求項２０に記載のＸ線画像装置。
22. 前記構造は複数の突起又は窪みを有し、前記突起又は前記窪みの厚さは少なくとも１つの方向において変化し、各前記突起又は前記窪みは前記Ｘ線エネルギースペクトルを摂動させるよう構成された少なくとも３つの隣接する領域を提供することを特徴とする請求項１０に記載のＸ線画像装置。
23. 前記突起又は前記窪みはピラミッド形状であることを特徴とする請求項２２に記載のＸ線画像装置。
24. 前記構造は多数の窪みが形成された非金属の層を有し、各前記窪みに金属が充填されていることを特徴とする請求項２２又は請求項２３に記載のＸ線画像装置。
25. 前記構造は、多数の窪みが形成された第１の非金属の層と、対応する数の突起を含む第２の金属の層を有し、各前記突起は対応する前記窪みと係合することで窪みが塞がれることを特徴とする請求項２４に記載のＸ線画像装置。
26. 前記第２の層は前記窪みに対する前記開口が配置される前記第１の層の表面を覆うことを特徴とする請求項２５に記載のＸ線画像装置。
27. 隣接する窪み又は突起はＸ線摂動材料により互いに分離され、
    隣接する窪み又は突起を分離する前記Ｘ線摂動材料は少なくとも３つの領域の１つを構成することを特徴とする請求項２２〜請求項２６の何れか一項に記載のＸ線画像装置。
28. 前記非金属の層はシリコンから形成されることを特徴とする請求項２４〜請求項２７の何れか一項に記載のＸ線画像装置。
29. 前記Ｘ線エネルギースペクトルを摂動させるよう構成された前記構造は、前記シンチレータに含まれることを特徴とする請求項１〜請求項２８の何れか一項に記載のＸ線画像装置。
30. 前記構造は前記シンチレータ層又は前記シンチレータ層のバッキング層の何れかに含まれることを特徴とする請求項２８に記載のＸ線画像装置。
31. 前記構造は前記シンチレータから分離した部品であることを特徴とする請求項１〜請求項２８の何れか一項に記載のＸ線画像装置。
32. 前記部品は基板を備え、
    前記複数の領域は前記基板の中及び／又は上に形成されることを特徴とする請求項２４に記載のＸ線画像装置。
33. 前記シンチレータ層は平坦なエネルギー依存を有するシンチレータ材料から形成されることを特徴とする請求項１〜請求項３２の何れか一項に記載のＸ線画像装置。
34. 前記シンチレータ層は平坦でないエネルギー依存を有するシンチレータ材料から形成されることを特徴とする請求項１〜請求項３２の何れか一項に記載のＸ線画像装置。
35. 請求項１〜請求項３４の何れか一項に記載のＸ線画像装置で使用されるのに適したＸ線検出器であって、
    入射するＸ線波長光子を放出する可視波長光子に変換するよう構成された部材と、
    Ｘ線エネルギースペクトル源と整列する構造とを備え、
    前記構造は、前記Ｘ線エネルギースペクトルを摂動させるよう構成され、少なくとも３つの領域を有し、
    各領域は、すぐ隣接する領域と異なり、前記Ｘ線エネルギースペクトルを異なって摂動させるよう構成されることを特徴とするＸ線検出器。
36. 請求項３５に記載のＸ線検出器で使用されるのに適した構造であって、
    入射するＸ線エネルギースペクトルを摂動するよう構成され、共通の平面に位置する少なくとも３つの領域を有し、
    各領域はすぐ隣接する領域と異なり、
    各隣接する領域は前記Ｘ線エネルギースペクトルを異なって摂動させるよう構成されることを特徴とする構造。
37. 前記複数の領域はアレイに形成されることを特徴とする請求項３６に記載の構造。
38. 前記アレイが内部で繰り返すことを特徴とする請求項３７に記載の構造。
39. 多数のアレイを含むことを特徴とする請求項３６〜請求項３８の何れか一項に記載の構造。
40. 平坦又は平坦でないことを特徴とする請求項３６〜請求項３９の何れか一項に記載の構造。
41. 少なくとも１つの平面において湾曲することを特徴とする請求項１〜請求項４０の何れか一項に記載の構造。
42. 隣接する領域の前記材料の差は隣接する領域における前記構造の前記材料の厚さを含むことを特徴とする請求項３６〜請求項４１の何れか一項に記載の構造。
43. 隣接する領域の前記材料の差は前記構造の前記個々の隣接する領域が形成される前記材料を含むことを特徴とする請求項３６〜請求項４２の何れか一項に記載の構造。
44. 前記個々の領域は分離層を含むことを特徴とする請求項４２又は請求項４３に記載の構造。
45. 前記分離層の厚さは複数の領域間及び／又は１つの領域内で異なることを特徴とする請求項４４に記載の構造。
46. 前記分離層が形成される前記材料は複数の領域間及び／又は１つの領域内で異なることを特徴とする請求項４４又は請求項４５に記載の構造。
47. 分離層の数は複数の領域間及び／又は１つの領域内で異なることを特徴とする請求項４４〜請求項４６の何れか一項に記載の構造。
48. 複数の分離層を含み、前記分離層の少なくとも１つは少なくとも１つの開口を含むことを特徴とする請求項４４〜請求項４７の何れか一項に記載の構造。
49. 複数の前記分離層は少なくとも１つの開口を含み、
    異なる層の開口は異なる寸法を有することを特徴とする請求項４８に記載の構造。
50. 前記分離層はフォイルから形成されることを特徴とする請求項４８又は請求項４９に記載の構造。
51. 前記分離層は網から形成されることを特徴とする請求項４８又は請求項４９に記載の構造。
52. 前記構造の厚さは少なくとも１つの方向において前記構造に亘って継続して変化することを特徴とする請求項３６に記載の構造。
53. 前記構造の厚さは２つの直交する方向において前記構造に亘って継続して変化することを特徴とする請求項５２に記載の構造。
54. 複数の突起又は窪みを含み、
    前記突起又は前記窪みの厚さは少なくとも１つの方向において変化し、
    各前記突起又は前記窪みは前記Ｘ線エネルギースペクトルを摂動させるよう構成された少なくとも３つの隣接する領域を提供することを特徴とする請求項３６に記載の構造。
55. 前記突起又は前記窪みはピラミッド形状であることを特徴とする請求項５４に記載の構造。
56. 多数の窪みが形成された非金属の層を有し、前記各窪みに金属が充填されていることを特徴とする請求項５４又は請求項５５に記載の構造。
57. 多数の窪みが形成された第１の非金属の層と、対応する数の突起を含む第２の金属の層を有し、各前記突起は対応する前記窪みと係合することで窪みが塞がれることを特徴とする請求項５６に記載の構造。
58. 前記第２の層は前記窪みに対する前記開口が配置された前記第１の層の表面を覆うことを特徴とする請求項５７に記載の構造。
59. 隣接する窪み又は突起はＸ線摂動材料により互いに分離され、
    隣接する窪み又は突起を分離する前記Ｘ線摂動材料は少なくとも３つの領域の１つを構成することを特徴とする請求項５４〜請求項５８に記載の構造。
60. 前記非金属の層はシリコンから形成されることを特徴とする請求項５４〜請求項５８の何れか一項に記載の構造。
61. 前記Ｘ線エネルギースペクトルを摂動させるよう構成された前記構造は、前記シンチレータに含まれることを特徴とする請求項３６〜請求項６０の何れか一項に記載の構造。
62. 前記シンチレータ層又は前記シンチレータ層のバッキング層の何れかに含まれることを特徴とする請求項６１に記載の構造。
63. 物質の材料特性を決定する方法であって、
    ａ）請求項１〜請求項３４の何れか一項に記載されたＸ線画像装置内に前記物質を配置する工程と、
    ｂ）前記Ｘ線源がＸ線エネルギースペクトルを前記共通の軸に沿って方向付けるようにする工程と、
    ｃ）入射するＸ線波長光子を可視波長光子に変換させるよう構成された前記部材により放出された可視波長光子を分析する工程と、
    を含むことを特徴とする方法。
64. 前記検出器は画素化され、前記方法は画素毎の前記検出器により記録された可視波長光子の強度を記録し、前記記録された強度を隣接する画素の前記記録された強度と比較し、記録された強度の差を記録する工程をさらに含むことを特徴とする請求項６３に記載の方法。
65. 画素毎の前記検出器により記録された可視波長光子の強度を記録し、前記記録された強度を隣接する画素の前記記録された強度を比較し、記録された強度の差を前記装置に存在する物質なしで記録する工程を含むことを特徴とする請求項６４に記載の方法。
66. 請求項６４及び請求項６５に記載の方法の工程により決定された隣接する画素間の記録された強度の現在の差を比較する工程を含むことを特徴とする請求項６５に記載の方法。
67. 少なくとも１つの知られた材料に対する請求項６４に記載の方法の工程に従い、差をデータベースに記憶させ、試験中の物質の記録された強度の差と知られた物質の記録された強度の差を比較する工程を含むことを特徴とする請求項６６に記載の方法。
68. 実質的に図面に示され、且つ図面を参照して記載することを特徴とするＸ線検知装置。

Images