JP2018200245A - 蛍光ｘ線分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】遠隔操作により自走し、走行しながら、又は適宜停止して、その地点での蛍光Ｘ線分析または蛍光Ｘ線イメージングを行う機能を有すると共に、比較的狭い領域での元素分析に対処できる蛍光Ｘ線分析装置を提供すること。【解決手段】蛍光Ｘ線分析装置が収容される筐体（１０）と、筐体（１０）の分析対象物質（２０）と対向する部位に設けられたＸ線窓（７）と、Ｘ線窓（７）と直交する方向に設けられたＸ線源（２）と、Ｘ線窓（７）と直交する方向と僅かな傾斜角を有してＸ線源（２）の周囲に複数設けられたＸ線検出器（３）と、筐体（１０）のＸ線窓（７）が位置する面に沿って、筐体（１０）を分析対象物質（２０）に対して移動させる並進・回転移動機構（１）と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、蛍光Ｘ線分析装置に関し、より詳しくは、遠隔操作により自走し、走行しながら、もしくは適宜停止して、その地点での蛍光Ｘ線分析または蛍光Ｘ線イメージングを行う機能を有する蛍光Ｘ線分析装置に関する。

物質はさまざまな元素から構成されており、その組成によって物理的・化学的性質が大きく左右される。このため、物質の理解や新材料開発のために、含まれている元素の種類や量を分析することは重要である。物質にＸ線を照射した際に出てくる蛍光Ｘ線のエネルギーから元素の種類が、その強度から量がわかることが知られている（特許文献１、２）。この蛍光Ｘ線分析を行うためには、Ｘ線源とともに、専用のＸ線分光器やＸ線検出器が必要である。

従来の蛍光Ｘ線スペクトルまたはそのイメージング画像を測定する装置は、ほとんどがベンチトップ型である（特許文献１、２）。Ｘ線源（２）は、据え付け型のＸ線管が一般的で、１〜３ｋＷ程度の電源や循環冷却水のチラーユニットが必要である。Ｘ線検出器（３）には、Ｓｉ（Ｌｉ）型、シリコンＰＩＮダイオード型、シリコンドリフト型等の半導体検出器が用いられる。Ｘ線検出器（３）は、半導体検出器（このタイプをエネルギー分散型と呼ぶ）でもよく、また結晶分光器を用いるもの（波長分散型と呼ぶ）でもよい。いずれも数値演算用コンピュータに接続し、コンピュータ画面上の操作によって、計測およびデータ処理を行う構成としている。そのコンピュータはネットワークに接続されていてもよく、またスタンドアロン型でもよい。監視カメラ（４）は測定中の試料の状態を監視するために付属している場合もある。電源はほとんどの場合、通常のＡＣ電源が用いられる。イメージングを行う機能があるものは、モノキャピラリもしくはポリキャピラリ等の光学系と試料のＸＹ走査機構を備え、微小ビームのスキャンの結果を画像表示している。

バッテリー駆動ハンディ型のモバイル蛍光Ｘ線分析装置が海外では開発され使用されている（特許文献３）。外観形状は、ピストルのようなガン型やヘヤドライヤー類似の形状である。引き金を引くとＸ線が出て測定開始、１〜数分後に自動停止して、そのスペクトルデータを処理して、分析結果の数値もしくは、基準値と比較した合否判定等の判定結果を液晶画面または内蔵プリンターに出力するものである。

これは、測定作業者がモバイル蛍光Ｘ線分析装置を携行し、分析したい特定地点にＸ線を照射して、分析・検査を行う構成になっている。Ｘ線源（２）はバッテリー駆動の空冷式である。Ｘ線検出器（３）には、シリコンＰＩＮダイオード型またはシリコンドリフト型等の半導体検出器が用いられる。外部のコンピュータにケーブルでも、無線ネットワークでも接続することはできるが、計測およびデータ処理のほとんどは、モバイル蛍光Ｘ線分析装置の単体で実行できる構成となっている。
他方で、モバイル蛍光Ｘ線分析装置は小型で機能が限定されているため、１００％エネルギー分散型のみで波長分散型は使用されていない。

また、例えば海底での資源開発などの用途に適した、遠隔操縦車輛に蛍光Ｘ線分析装置等の分光装置を搭載することも提案されている（特許文献４）。また、蛍光Ｘ線分析装置と共に、可視光用途のカメラ、画像検出器として利用されているＣＣＤやＣＭＯＳカメラなどを搭載することも提案されている（非特許文献１）。

しかしながら、上記構成の蛍光Ｘ線分析装置においては、ベンチトップ型ではフィールドに携行しての測定に用いることができない。モバイル蛍光Ｘ線分析装置では、フィールドに携行しての測定に用いることもできるが、機能が限定されているため、測定データの範囲が限られていると共に、測定作業者が随伴することが前提となっている。また、遠隔操縦車輛に搭載される蛍光Ｘ線分析装置においては、資源探索を目的としている関係で、比較的狭い領域での元素分析に適していないという課題がある。

近年、例えば原子炉等の設備診断や、極地・砂漠・海底などの極限環境のもとで、当該測定環境に含まれる元素分析を行う需要が高まっている。このような極限環境での測定に際しては、測定作業者が蛍光Ｘ線分析装置を遠隔操作して、測定作業者がフィールドに接近することなく、フィールドでの元素分析を行えることが望ましい。
また、原子炉等の設備診断では、比較的狭い領域、例えばポンプやモータのような設備機器程度の比較的狭い領域での元素分析に対処できることが望ましい。この点で、海底での資源探索のように、可採埋蔵量が採算に合う程度の大量の資源が存在するか判断する為の、広域探索に適する分光分析装置とは性質が相違する。

特許第３０４９３１３号公報 特許第３６６３４３９号公報 特表２００６−５２６７９１号公報 特表２０１５−５２４５６３号公報

"Seeing elements by visible-light digital camera", Wenyang Zhao and Kenji Sakurai, Scientific Reports. 7, 45472 (2017).

本発明は、上記の課題を解決するもので、遠隔操作により自走し、走行しながら、又は適宜停止して、その地点での蛍光Ｘ線分析または蛍光Ｘ線イメージングを行う機能を有すると共に、比較的狭い領域での元素分析に対処できる蛍光Ｘ線分析装置を提供することを目的としている。

［１］ 本発明の蛍光Ｘ線分析装置は、例えば図１、図２に示すように、蛍光Ｘ線分析装置が収容される筐体（１０）と、筐体（１０）の分析対象物質（２０）と対向する部位に設けられたＸ線窓（７）と、Ｘ線窓（７）と直交する方向に設けられたＸ線源（２２）と、Ｘ線窓（７）と直交する方向と僅かな傾斜角を有してＸ線源（２２）の周囲に複数設けられたＸ線検出器（２３）と、筐体（１０）のＸ線窓（７）が位置する面に沿って、筐体（１０）を分析対象物質（２０）に対して移動させる並進・回転移動機構（１）と、を備えることを特徴とする。

このように構成された本発明の蛍光Ｘ線分析装置によれば、Ｘ線源とＸ線検出器は、Ｘ線窓を挟んで分析対象物質に対して近接した場所にあるため、蛍光Ｘ線が容易に得られる。蛍光Ｘ線によって、分析対象物質の組成元素の定性分析又は定量分析が可能となる。並進・回転移動機構により、遠隔操作により自走し、走行しながら、もしくは適宜停止して、Ｘ線窓の近傍地点での蛍光Ｘ線分析が行える。

［２］ 本発明の蛍光Ｘ線分析装置は、例えば図１、図３に示すように、蛍光Ｘ線分析装置が収容される筐体（１０）と、筐体（１０）の分析対象物質と対向する部位に設けられたＸ線窓（７）と、Ｘ線窓（７）と直交する方向に設けられたＸ線検出器（３３）と、Ｘ線窓（７）と直交する方向と僅かな傾斜角を有してＸ線検出器（３３）の周囲に複数設けられたＸ線源（３２）と、Ｘ線窓（７）と、筐体（１０）のＸ線窓（７）が位置する面に沿って、筐体（１０）を分析対象物質（２０）に対して移動させる並進・回転移動機構（１）と、を備えることを特徴とする。

［３］ 本発明の蛍光Ｘ線分析装置において、好ましくは、さらに、Ｘ線源（２２、３２）から放射されたＸ線がＸ線窓（７）を経由して分析対象物質（２０）に照射され、分析対象物質（２０）で発生した蛍光Ｘ線が、Ｘ線窓（７）を経由してＸ線検出器（２３、３３）に入射した信号から、蛍光Ｘ線スペクトルを測定するＸ線スペクトル測定部（１１）と、Ｘ線スペクトル測定部（１１）の測定した蛍光Ｘ線スペクトルから、分析対象物質（２０）の組成元素の定性分析又は定量分析の少なくとも一方を行う元素分析部（１２）と、を有することを特徴とする。
［４］ 本発明の蛍光Ｘ線分析装置において、好ましくは、Ｘ線窓（７）と、Ｘ線源（２２、３２）及びＸ線検出器（２３、３３）との間に設けられたコリメータ部（８ａ）を有するとよい。
［５］ 本発明の蛍光Ｘ線分析装置において、好ましくは、Ｘ線窓（７）と、Ｘ線源（２２、３２）及びＸ線検出器（２３、３３）との間に設けられたピンホール部（８ｂ）、又はフィルター（８ｃ）を有するとよい。

［６］ 本発明の蛍光Ｘ線分析装置において、好ましくは、さらに、Ｘ線窓（７）が対向する分析対象物質（２０）の周囲を含んで撮影する監視カメラ部（４）と、前記監視カメラ部（４）が撮影したイメージング画像と、元素分析部（１２）が元素分析した分析対象物質（２０）の組成元素の定性分析又は定量分析データを用いて、組成元素の空間的な位置分布を解析する空間的位置分布解析部（１３）と、を有するとよい。
［７］ 本発明の蛍光Ｘ線分析装置において、好ましくは、空間的位置分布解析部（１３）は、さらに並進・回転移動機構（１）が分析対象物質（２０）に対して移動した方向と移動量を、組成元素の空間的な位置分布解析に用いるとよい。
［８］ 本発明の蛍光Ｘ線分析装置において、好ましくは、さらに、筐体（１０）に設けられた全地球測位システムセンサー（５）を有し、空間的位置分布解析部（１３）は、全地球測位システムセンサー（５）で測定した測位情報と、元素分析部（１２）が元素分析した分析対象物質（２０）の組成元素の定性分析又は定量分析データを用いて、組成元素の空間的な位置分布解析を行うとよい。

［９］ 本発明の蛍光Ｘ線分析装置において、好ましくは、さらに、筐体（１０）に設けられた無線通信システム（６）を有し、空間的位置分布解析部（１３）は、無線通信システムを用いて測定した測位情報と、元素分析部（１２）が元素分析した分析対象物質（２０）の組成元素の定性分析又は定量分析データを用いて、組成元素の空間的な位置分布解析を行うとよい。
［１０］ 本発明の蛍光Ｘ線分析装置において、好ましくは、さらに、筐体（１０）に収容されたバッテリー電源（９）を有し、バッテリー電源（９）は、少なくともＸ線源（２２、３２）及びＸ線検出器（２３、３３）を含んで給電を行うとよい。好ましくは、バッテリー電源（９）は、並進・回転移動機構（１）、監視カメラ部（４）、空間的位置分布解析部（１３）、全地球測位システムセンサー（５）、無線通信システム（６）の何れかにも給電を行う構成とするとよい。

本発明の蛍光Ｘ線分析装置によれば、遠隔操作により自走し、走行しながら、又は適宜停止して、その地点での蛍光Ｘ線分析または蛍光Ｘ線イメージングを行う機能を有すると共に、比較的狭い領域での元素分析に対処できる蛍光Ｘ線分析装置を提供できる。

本発明の一実施例を示す要部構成図である。 本発明の一実施例を示すＸ線源とＸ線検出器の配置構造の構成図で、Ｘ線源（２２）とその周囲に配置された複数のＸ線検出器（２３）を示し、Ｘ線窓（７）とコリメータ部（８ａ）、ピンホール部（８ｂ）、フィルター（８ｃ）は省略してある。 本発明の他の実施例を示すＸ線源とＸ線検出器の配置構造の構成図で、Ｘ線検出器（３３）とその周囲に配置された複数のＸ線源（３２）を示し、Ｘ線窓（７）とコリメータ部（８ａ）、ピンホール部（８ｂ）、フィルター（８ｃ）は省略してある。 画像検出器から蛍光Ｘ線スペクトルと元素別の画像を取得する態様を説明するもので、（Ａ）は通常の露光・蓄積条件、（Ｂ）は単一光子計数条件を示している。 本発明の一実施例を示す蛍光Ｘ線イメージングの光学系を示すもので、ピンホール型を示している。 本発明の一実施例を示す蛍光Ｘ線イメージングの光学系を示すもので、コリメータ型を示している。

以下、図面を用いて本発明を説明する。
図１は、本発明の一実施例を示す要部構成図である。図において、本発明の蛍光Ｘ線分析装置は、並進・回転移動機構（１）、Ｘ線源（２）、Ｘ線検出器（３）、監視カメラ（４）、ＧＰＳ（全地球測位システム）センサー（５）、無線通信システム（６）、Ｘ線窓（７）、コリメータ部（８ａ）、ピンホール部（８ｂ）、フィルター（８ｃ）、バッテリー電源（９）、筐体（１０）、およびＸ線シャッター（１４）を備えている。また、信号処理装置として、Ｘ線スペクトル測定部（１１）、元素分析部（１２）、空間的位置分布解析部（１３）で構成されている。信号処理装置は、例えばマイクロプロセッサとソフトウェアを用いて構成されたコンピュータシステムを用いて構成されている。

分析対象物質（２０）は、並進・回転移動機構（１）が走行する地表面又はその表層に位置している。分析対象物質（２０）としては、例えば、金属資源、石油天然ガス等の埋蔵資源、地雷、爆発物、放射性物質、生物化学兵器等がある。
筐体（１０）は、蛍光Ｘ線分析装置が収容されるもので、例えばプラスチック材料や鋼板やアルミニウム等の金属製材料で構成されている。並進・回転移動機構（１）は、筐体（１０）のＸ線窓（７）が位置する面に沿って、筐体（１０）を分析対象物質（２０）に対して移動させるもので、例えば四輪車両や三輪車両が用いられる。

Ｘ線窓（７）は、Ｘ線源やＸ線検出器の内部と外部を仕切る薄い箔、薄い板の部品であり、筐体（１０）の分析対象物質（２０）と対向する部位に設けられる。Ｘ線窓（７）は、Ｘ線源にとっては、真空窓板になる。半導体検出器や冷却型ＣＣＤなどのＸ線検出器で内部を冷却するので、減圧、低真空になっていることも多く、圧力の違いは別として、やはり真空窓板になることが多い。ＣＣＤ、ＣＭＯＳなどでは可視光に感度があるので、ＣＣＤ、ＣＭＯＳにとってのＸ線窓は遮光を行う意味もある。Ｘ線窓（７）の材質としてはベリリウムが多く用いられている。軽元素などからの非常に低エネルギーの蛍光Ｘ線を測定する場合には、ポリマーや窒化ケイ素の非常に薄い膜が使われることもあり、その反対に高エネルギーの蛍光Ｘ線の場合には、厚めのポリマーにアルミをコートしたもの、あるいはアルミ箔、アルミ板などで置き換えることもできる。

Ｘ線シャッター（１４）は、Ｘ線窓（７）とは別に設けられる任意的な部材である。Ｘ線シャッター（１４）は、放射線（Ｘ線）を外に出す、出さないを切り分けるための一種の遮蔽部品である。通常、鉛、タングステン、タンタルまたはそれらの合金などＸ線吸収能の高い材質で、それなりに厚いものを使用する。Ｘ線源（２）を常に稼働状態にしておき、Ｘ線源内部ではＸ線発生中であるが、外部に照射したくないとき、測定していないときはＸ線シャッター（１４）を閉にし、測定時のみ開とすることができる。Ｘ線シャッター（１４）は、Ｘ線源（２）に対して用いるもので、Ｘ線検出器（３）に対しては通常Ｘ線シャッター（１４）は必要ない。ただ、同じ筐体にＸ線源（２）とＸ線検出器（３）を内蔵させる構造をもつ場合には、Ｘ線シャッター（１４）を１番外に持ってくる設計は現実的である。他方、常時Ｘ線発生状態とはせず、一発一発の測定の都度、Ｘ線をＯＮして、終了とともにＸ線の電源から落とすという使い方もありうるところで、その場合、Ｘ線シャッター（１４）は機能としては任意的である。しかし、筐体の内部を保護する観点から、外部との間を空間的に遮断する機構を設けることは有望である。

続いて、Ｘ線源（２）とＸ線検出器（３）の詳細を説明する。第１の態様としては、図２に示すように、Ｘ線源（２２）とその周囲に配置された複数のＸ線検出器（２３）を有するものである。第２の態様としては、図３に示すように、Ｘ線検出器（３３）とその周囲に配置された複数のＸ線源（３２）を有するものである。

図２は、本発明の一実施例を示すＸ線源とＸ線検出器の配置構造の構成図で、Ｘ線源（２２）とその周囲に配置された複数のＸ線検出器（２３）を示し、Ｘ線窓（７）とコリメータ部（８ａ）、ピンホール部（８ｂ）、フィルター（８ｃ）は省略してある。
Ｘ線源（２２）は、Ｘ線窓（７）と直交する方向に設けられるもので、例えばＸ線を発生させる電子管であるＸ線管が用いられる。Ｘ線管は、フィラメント（カソード）を加熱することで発生した電子を、タングステンやモリブデンなどの金属（ターゲット、アノード）に衝突させることで連続Ｘ線（制動放射）と特性Ｘ線が発生する。タングステン、モリブデン、ロジウム、銅などの金属（ターゲット、アノード）を用いることが多いが、フィールドでの探査などの応用では、あえて異なる金属でＸ線管を製作することも有望である。

測定対象になる元素によって、蛍光Ｘ線を発生させるのに必要なＸ線のエネルギーが違うので、Ｘ線管にかける管電圧（衝突させる電子の最高エネルギー）とターゲットの金属の種類を選択することは重要である。例えば、カドミウムのＫ吸収端は２６．７ｋｅＶである。これよりも少し高いエネルギーの特性Ｘ線を利用できると圧倒的に有利になり、例えばランタン製のターゲットを用いるとよい。ロジウムもモリブデンも銅も、特性Ｘ線は、これらより低エネルギーで、タングステンは逆に非常に高すぎて、理想的ではない。現状は、やむなく用いられているに過ぎない。

また、Ｘ線管からの特性Ｘ線等が、測定スペクトルの妨害にならないようにすることも、探査を大きく有利にする要因になる。銅を測定したいのに、銅のＸ線管を使うと、そもそも銅の特性Ｘ線では試料中の銅から蛍光Ｘ線を発生させられないが、Ｘ線管の連続Ｘ線部分を使って発生させることになる。でも、その蛍光Ｘ線と、Ｘ線管からの特性Ｘ線の散乱とは区別ができない。そこまでいかなくても、近すぎるエネルギーのＸ線の混入は避ける必要がある。
以上のような観点から、Ｘ線管の管電圧と、Ｘ線管のターゲットは、何を測定するかによって注意深く選び、切り替えることも重要である。さらには、現在広く使われていなくても、新しいターゲットを開発、製作することも重要である。

Ｘ線検出器（２３）は、Ｘ線窓（７）と直交する方向と僅かな傾斜角を有してＸ線源（２２）の周囲に複数設けられる。Ｘ線検出器（２３）は、Ｘ線の強度、流束、空間分布、エネルギースペクトルなどを測定する光検出器で、例えば、比例計数管、ガイガー計数管、半導体検出器、シンチレーション計数管等が用いられる。Ｘ線検出器（２３）は、ＣＣＤやＣＭＯＳカメラなどの画像検出器を搭載していてもよい。画像検出器を搭載しているＸ線検出器（２３）では、Ｘ線領域での分析に使用するための高速読み出し・画像処理を行うための信号処理回路とソフトウエアを有するとよい。

図１に戻り、コリメータ部（８ａ）は、Ｘ線検出器（３）の前面に設けられるものであり、図の通り、Ｘ線窓（７）の外側に設けられる場合も、図と厳密には同じではないが、Ｘ線窓（７）とＸ線検出器（３）の中間の位置に設けられてもよい。コリメータ部（８ａ）は、角度発散制限手段として機能するもので、分析対象物質（２０）の発生する蛍光Ｘ線の角度発散を制限し、物質にできる限り近接させたＸ線検出器（３）により撮像する。ここで、物質にできる限り近接させた状態とは、Ｘ線もしくは粒子線を物質表面に照射する場合においては入射ビームと反射ビームの光路を妨げない範囲で可能な限り近い状態を意味し、また、ラジオアイソトープが吸着またはラベルされている場合には物質に接触しない範囲で可能な限り近く検出器および角度発散制限手段が位置した状態を意味する。
コリメータ部（８ａ）の材質は、蛍光Ｘ線のエネルギーによって選択する。遷移金属元素のＫ線や重金属のＬ線の多くをカバーする１３ｋｅＶ程度までであれば、シリコンや石英製で、内部を金、白金、ロジウムなどで薄くコートしたものなどが有効である。さらに高いエネルギーでは、金属製が望まれる。
コリメータ部（８ａ）では、測定試料内の位置と１対１の関係で画像検出器の画素上に同サイズの蛍光Ｘ線強度像を記録する（さらには画像検出器を図４（Ｂ）の条件で使用すれば、その画素における蛍光Ｘ線の強度とエネルギーを同時に取得する）。

ピンホール部（８ｂ）は、蛍光Ｘ線画像を得る為に用いる。ピンホールカメラの原理によって、測定試料内の位置と１対１の関係で画像検出器の画素上に蛍光Ｘ線強度像を倒立させた拡大・縮小像として記録する（さらには画像検出器を図４（Ｂ）の条件で使用すれば、その画素における蛍光Ｘ線の強度とエネルギーを同時に取得する）。
ピンホール部（８ｂ）の構造は、例えば図５に詳細な構造を図示している。遮蔽能力のある板の中央に小さな穴をあけたものである。ピンホール部（８ｂ）の材質は、金、タンタル、タングステン、鉛など遮蔽能力の高い金属を用いる。厚さは、蛍光Ｘ線のエネルギーによって考慮する必要がある。空間分解能は、ピンホールサイズによって決まるが、一般に厚い板に微小な穴を貫通させることは技術的な困難がある。薄くても差し支えない低エネルギー領域では、高空間分解能を得やすい。

フィルター（８ｃ）は、Ｘ線の物質による吸収は波長（エネルギー）によって異なることを利用し、測定の妨害となる、もしくは単に不要なＸ線が検出器に入らないように減衰させて除外することができる。吸収は、Ｘ線のエネルギーの３乗で効いてくるので、低エネルギー（長波長）のＸ線のフィルターによる減衰は容易である。
フィルター（８ｃ）の構造は、基本的に多数の金属箔、金属板である。枚数を変えて、場合によっては金属の種類も変えて減衰の程度を制御する。
フィルター（８ｃ）の材質は、目的によって各種の金属箔、金属板を選択してよい。装置の正確な較正を行うために、厚さの管理が重要であり、厳密に厚さがわかっている箔、板を多数用意する。

なお、コリメータ部（８ａ）、ピンホール部（８ｂ）、フィルター（８ｃ）の使用組み合わせについては、任意的構成要素であるため、以下の態様がある。
（ｉ）どれも使わないという構成態様もある。
（ｉｉ）それぞれを単独で使用するという構成態様もある。
（ｉｉｉ）コリメータ部（８ａ）とフィルター（８ｃ）の組み合わせ構成態様もある。
（ｉｖ）ピンホール部（８ｂ）とフィルター（８ｃ）の組み合わせ構成態様もある。

Ｘ線スペクトル測定部（１１）は、Ｘ線源（２）から放射されたＸ線がコリメータ部（８ａ）とＸ線窓（７）を経由して分析対象物質（２０）に照射され、分析対象物質（２０）で発生した蛍光Ｘ線が、Ｘ線窓（７）とコリメータ部（８ａ）、ピンホール部（８ｂ）、フィルター（８ｃ）、またはそれらを組み合わせたものを経由してＸ線検出器（３）に入射した信号から、蛍光Ｘ線スペクトルを測定する。

Ｘ線スペクトル測定部（１１）は、Ｘ線検出器（３）からの信号の基本処理を行なうものである。さらに具体的には、Ｘ線がＸ線検出器（３）にはいった際に発生する信号電荷量を測定し、その量からＸ線のエネルギーを特定し、また時間をかけて測定を継続することにより、その同じエネルギーが検出された頻度を記録して、スペクトルとしてデータを取得するものである。特に、ＣＣＤやＣＭＯＳなど多数の画素を持つ画像検出器の場合には、Ｘ線が入射した位置情報も同時に取得する。図４（Ｂ）のような読み出し条件を利用すると、位置情報とエネルギー情報を同時に取得し、その操作を何度も繰り返すことによって、特定のＸ線エネルギーに対しての強度分布の画像を得ることができる。これに対し図４（Ａ）のように、頻繁に読み出さずにただ蓄積して、その後に読み出すとすれば、エネルギー情報をとりあえず無視して、強度分布の画像を得ることができる。

元素分析部（１２）は、Ｘ線スペクトル測定部（１１）の測定した蛍光Ｘ線スペクトルから、分析対象物質（２０）の組成元素の定性分析又は定量分析の少なくとも一方を行う。元素分析部（１２）は、Ｘ線スペクトル測定部（１１）で得られたデータを元素の定性および定量分析を行う部分である。端的にはソフトウエアを内蔵したコンピュータである。データベースを内蔵して併用することもある。無線通信機能を利用してデータを筐体外のサーバーに転送して、同様の処理を行うことももちろんできるが、ローカルに処理し、その結果を表示したり、その最終結果を無線で転送することも有力な利用法である。

監視カメラ部（４）は、Ｘ線窓（７）が対向する分析対象物質（２０）の周囲を含んで撮影する。
空間的位置分布解析部（１３）は、監視カメラ部（４）が撮影したイメージング画像と、元素分析部（１２）が元素分析した分析対象物質（２０）の組成元素の定性分析又は定量分析データを用いて、組成元素の空間的な位置分布を解析する。また、空間的位置分布解析部（１３）は、並進・回転移動機構（１）が分析対象物質（２０）に対して移動した方向と移動量を、組成元素の空間的な位置分布解析に用いる構成としてもよい。

空間的位置分布解析部（１３）は、Ｘ線検出器（３）にＣＣＤやＣＭＯＳなどの多数の画素を持つ画像検出器を用いた場合に、Ｘ線スペクトル測定部（１１）で得られたデータをＸ線エネルギーを基準として整理し、特定の元素の空間的な濃度・量の分布の解析を行う部分である。データは、元素ごとの分布の画像として出力される。元素の情報を無視して、測定された全強度の分布を得ることもできる。端的には画像処理ソフトウエアを内蔵したコンピュータである。無線通信機能を利用してデータを筐体外のサーバーに転送して、同様の処理を行うこともできるが、ローカルに処理し、その結果を表示したり、その最終結果を無線で転送することも有力な利用法である。

空間的位置分布解析部（１３）の分布解析では、Ｘ線がＸ線検出器（３）に入射した際、必ずしも１つのピクセルに１つの光子が入るとは限らず、複数のピクセルに分割されて、信号電荷を生じるチェージシェアリングと呼ばれる現象が起きることが考えられる。Ｘ線のエネルギー情報を得るためには、その補正を行う必要があり、空間的位置分布解析部（１３）はそのような演算を行うことが要件になる。
また、空間的位置分布解析部（１３）として画像検出器を用いる場合、図４（Ｂ）のような単一光子計測法によって、同じ場所に２つ以上の光子が入らない状況下で発生した総電荷量（画像としてはその地点での明るさ）からＸ線エネルギーを判定する。

全地球測位システムセンサー（５）は、筐体（１０）に設けられている。
空間的位置分布解析部（１３）は、全地球測位システムセンサー（５）で測定した測位情報と、元素分析部（１２）が元素分析した分析対象物質（２０）の組成元素の定性分析又は定量分析データを用いて、組成元素の空間的な位置分布解析を行うとよい。

無線通信システム（６）は、筐体（１０）に設けられている。
空間的位置分布解析部（１３）は、無線通信システム（６）を用いて測定した測位情報と、元素分析部（１２）が元素分析した分析対象物質（２０）の組成元素の定性分析又は定量分析データを用いて、組成元素の空間的な位置分布解析を行うとよい。
バッテリー電源（９）は、筐体（１０）に収容されている。バッテリー電源（９）は、少なくともＸ線源（２）及びＸ線検出器（３）を含んで給電を行うとよく、さらに、並進・回転移動機構（１）、監視カメラ部（４）、空間的位置分布解析部（１３）、全地球測位システムセンサー（５）、無線通信システム（６）の何れかにも給電を行う構成とするとよい。

このように構成された装置においては、作業担当者の遠隔操作に従って、並進・回転移動機構（１）が自走して、分析対象物質（２０）での蛍光Ｘ線測定に適した位置に移動する。そして、Ｘ線窓（７）と分析対象物質（２０）とが位置合わせされるように、並進・回転移動機構（１）により、さらに詳細な位置決めを行う。
Ｘ線源（２）から放射されたＸ線がＸ線窓（７）を経由して分析対象物質（２０）に照射され、分析対象物質（２０）で発生した蛍光Ｘ線が、Ｘ線窓（７）とコリメータ部（８ａ）を経由してＸ線検出器（３）に入射する。Ｘ線スペクトル測定部（１１）では、この入射信号から、蛍光Ｘ線スペクトルを測定する。
そして、元素分析部（１２）によって、Ｘ線スペクトル測定部（１１）の測定した蛍光Ｘ線スペクトルから、分析対象物質（２０）の組成元素の定性分析又は定量分析の少なくとも一方を行う。

空間的位置分布解析部（１３）は、組成元素の空間的な位置分布解析を行う。この空間的な位置分布解析の態様は、以下の通りである。
（ｉ） 監視カメラ部（４）が撮影したイメージング画像と、元素分析部（１２）が元素分析した分析対象物質（２０）の組成元素の定性分析又は定量分析データを用いる。
（ｉｉ） 並進・回転移動機構（１）が分析対象物質（２０）に対して移動した方向と移動量を、組成元素の空間的な位置分布解析に用いる。
（ｉｉｉ） 全地球測位システムセンサー（５）で測定した測位情報と、元素分析部（１２）が元素分析した分析対象物質（２０）の組成元素の定性分析又は定量分析データを用いる。
（ｉｖ） 無線通信システム（６）を用いて測定した測位情報と、元素分析部（１２）が元素分析した分析対象物質（２０）の組成元素の定性分析又は定量分析データを用いる。

このように構成された装置においては、複数Ｘ線源と単一Ｘ線検出器を有しているので、次の利点がある。
（１）同じターゲット、同じ管電圧条件のＸ線管を2つ以上複数配列して使用することにより単純に信号強度増をはかることができる。最初は1個のみで探査し、仮に微弱な信号を得た時、次のＸ線管もＯＮにすることで、鮮明な信号とすることができる。
（２）異なるターゲット、もしくは異なる管電圧条件のＸ線管を2つ以上複数配列し、切り替え使用することにより、異なる元素に着目した蛍光Ｘ線スペクトル、画像を得やすくすることができる。

図３は、本発明の他の実施例を示すＸ線源とＸ線検出器の配置構造の構成図で、Ｘ線検出器（３３）とその周囲に配置された複数のＸ線源（３２）を示し、Ｘ線窓（７）とコリメータ部（８ａ）、ピンホール部（８ｂ）、フィルター（８ｃ）は省略してある。なお、図３において、前出した図２と同一作用をするものには同一符号を付して、説明を省略する。
Ｘ線検出器（３３）は、Ｘ線窓（７）と直交する方向に設けられるもので、例えばＸ線の強度、流束、空間分布、エネルギースペクトルなどを測定する光検出器が用いられる。
Ｘ線源（３２）は、Ｘ線窓（７）と直交する方向と僅かな傾斜角を有してＸ線検出器（３３）の周囲に複数設けられるもので、例えばＸ線を発生させる電子管であるＸ線管が用いられる。

このように構成された装置においては、単一Ｘ線源と複数Ｘ線検出器を有しているので、次の利点がある。
（１）検出の立体角を検出器の数の分だけ大きくすることができる。そのＸ線検出器が普通の半導体検出器であった場合はもちろん、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの画像検出器であった場合にも、画素を無視し全積分強度のみを利用することとし、また複数のＸ線検出器の間に特段の個性を設けず、単なる足し合わせとする場合、それだけで信号強度を大きく稼ぐことができる。
（２）複数の異なるＸ線検出器を配列するのも有用である。例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの画像検出器と、ＳＤＤやＧｅ検出器のような半導体検出器を同時に、もしくは切り替え使用することにより、それぞれの情報を複合化できる。

さらに、図2の装置と図3の装置の両方を同じエリアで交互使用することも考えられる。例えば、図3で中央にＸ線管を周囲にＧｅ半導体検出器（画像検出器ではない）を複数はいちしたものを用い、移動機構を駆使して探査することで、広域の元素ごとの分布図を作成し、その後、図2で中央にＣＣＤまたはＣＭＯＳなどの画像検出器と付加光学系を、その周囲に複数Ｘ線管を備えたものを用いて、相対的に狭いエリアを探査すると、そのエリアの詳細な分布図を得ることができる。

図４は、画像検出器から蛍光Ｘ線スペクトルと元素別の画像を取得する態様を説明するもので、（Ａ）は通常の露光・蓄積条件、（Ｂ）は単一光子計数条件を示している。
通常の露光・蓄積条件では、Ｘ線のエネルギーの区別をしない状態で、積分強度を測定している。これに対して、単一光子計数条件では、検出器に入射したＸ線のエネルギーを分析し、元素の種別を同定しながら、かつその検出したピクセル位置を記録しながら、計数を続ける。
Ｘ線検出器（３）に、ＣＣＤやＣＭＯＳカメラなどの画像検出器を搭載している場合には、単一光子計数条件を用いるのがよい。ＣＣＤやＣＭＯＳカメラは、可視光用途のカメラ、画像検出器として利用されているもので、蛍光Ｘ線分析を行うこともできる。この場合、ＣＣＤやＣＭＯＳカメラなどによるＸ線スペクトルを行うための高速・低ノイズの読み出し回路と画像処理ソフトウエアを設けると良い。

試料内における元素の位置と１対１の対応関係をもつ蛍光Ｘ線イメージングを行うには、モノキャピラリもしくはポリキャピラリ等の光学系と試料のＸＹ走査機構を用い、微小ビームのスキャンの結果を画像表示する方法が広く用いられている。しかしながら、微小ビームや試料のＸＹ走査機構を用いると、蛍光Ｘ線イメージ画像の取得に多くの時間が係り、測定作業が迅速に行えないという課題がある。
そこで、微小ビームや試料のＸＹ走査機構を用いることなく、画像を取得する投影型の蛍光Ｘ線イメージング法が用いられている。図５は、本発明の一実施例を示す蛍光Ｘ線イメージングの光学系を示すもので、ピンホール型を示している。図５の装置では、いわゆるピンホールカメラの原理を用いるものである。ここでは、コリメータ部（８ａ）に代えてピンホール部（８ｂ）を必須とする。その際、ピンホール部（８ｂ）は、Ｘ線検出器（３）の前面に設けられ、図１の通り、Ｘ線窓（７）の外側に設けられる場合も、図と厳密には同じではないが、Ｘ線窓（７）とＸ線検出器（３）の中間の位置に設けられることもある。

図６は、本発明の一実施例を示す蛍光Ｘ線イメージングの光学系を示すもので、コリメータ型を示している。コリメータ部（８ａ）は、ガラス板に精密に規則正しく穴あけ加工が施されてなるもの、あるいは微細なガラスパイプが規則正しく配列され一体化されてなるガラス板とすることができ、この場合では穴（またはガラスパイプ）の内径とガラス板の厚さとの比によって、蛍光Ｘ線の角度発散が制限されることとなる。このようなコリメータ部（８ａ）は、一般にキャピラリプレートや微細管集合体と呼ばれている。

本発明の実施の他の実施形態においては、ピンホール部（８ｂ）もコリメータ部（８ａ）も使用せず、ＧＰＳを用いながら移動する構成としても良い。このような構成とすることにより、検出器のピクセルサイズではなく総有効面積を空間分解能として、きわめて広面積のイメージングを行うこともできる。その場合でも、測定の妨害になる、もしくは単に不要なＸ線を除去するためにフィルター（８ｃ）を残して使用することは有用である。

なお、本発明の実施の形態においては、並進・回転移動機構として地上を走行する場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、当業者において自明な範囲で、適宜の設計変更が可能である。例えば、並進・回転移動機構は海底を走行するものでも良く、またドローンのように地表近くを飛翔するものでもよい。
なお、海底や空中での装置利用に関しては、以下の点に留意する必要がある。蛍光Ｘ線の測定では、信号の検出は、バックグラウンドの低減に左右されることが非常に頻繁にある。
地中サーベイの場合は、おそらく土壌からの土壌成分元素（アルミ、シリコン、鉄、カルシウム、有機物質）からの蛍光Ｘ線、散乱Ｘ線が大きなバックグラウンドになる（この文脈では、濃度次第ですが、地表は相対的に容易ということになる）。
海底は、地中サーベイでの事情に加え、装置と海底の間にある海水が問題になるが、高エネルギーに限定すれば実現可能である（これは海水による吸収、減衰も、波長の３乗に従うため、エネルギー１０倍を使えば、１００ミクロンしか通らなかったものが１００ｍｍ通るようになるという理屈による）。でも、イメージとしては、海底に対して、ほぼ密着、もしくは最高でもセンチメートル程度の隙間までになりそうである。
地面に非接触で、浮上させる場合の空気による減衰も同じ原理である。空気では海水ほどは減衰はしない。であるが、限りなく近い浮上サーベイになる。こういった技術は、たぶん厳密にはドローンとはまた異なる方法で行う可能性が高いように思われる。車両ではなく、飛翔するもの、地表から若干浮上し、非接触にサーベイする必要がある。

本発明の蛍光Ｘ線分析装置は、遠隔操作により自走し、走行しながら、又は適宜停止して、その地点での蛍光Ｘ線分析または蛍光Ｘ線イメージングを行う機能を有すると共に、比較的狭い領域での元素分析に対処できる。

（１）並進・回転移動機構、
（２）、（２２）、（３２）Ｘ線源、
（３）、（２３）、（３３）Ｘ線検出器、
（４）監視カメラ、
（５）ＧＰＳ（全地球測位システム）センサー、
（６）無線通信システム、
（７）Ｘ線窓、
（８ａ）コリメータ、
（８ｂ）ピンホール、
（８ｃ）フィルター、
（９）バッテリー電源、
（１０）筐体、
（１１）Ｘ線スペクトル測定部、
（１２）元素分析部、
（１３）空間的位置分布解析部、
（１４）Ｘ線シャッター、
（２０）分析対象物質、

Claims (10)

1. 蛍光Ｘ線分析装置が収容される筐体と、
   この筐体の分析対象物質と対向する部位に設けられたＸ線窓と、
   このＸ線窓と直交する方向に設けられたＸ線源と、
   このＸ線窓と直交する方向と僅かな傾斜角を有してＸ線源の周囲に複数設けられたＸ線検出器と、
   この筐体の前記Ｘ線窓が位置する面に沿って、前記筐体を前記分析対象物質に対して移動させる並進・回転移動機構と、
   を備えることを特徴とする蛍光Ｘ線分析装置。
2. 蛍光Ｘ線分析装置が収容される筐体と、
   この筐体の分析対象物質と対向する部位に設けられたＸ線窓と、
   このＸ線窓と直交する方向に設けられたＸ線検出器と、
   このＸ線窓と直交する方向と僅かな傾斜角を有してＸ線検出器の周囲に複数設けられたＸ線源と、
   この筐体の前記Ｘ線窓が位置する面に沿って、前記筐体を前記分析対象物質に対して移動させる並進・回転移動機構と、
   を備えることを特徴とする蛍光Ｘ線分析装置。
3. さらに、前記Ｘ線源から放射されたＸ線が前記Ｘ線窓を経由して前記分析対象物質に照射され、前記分析対象物質で発生した蛍光Ｘ線が、前記Ｘ線窓を経由して前記Ｘ線検出器に入射した信号から、蛍光Ｘ線スペクトルを測定するＸ線スペクトル測定部と、
   前記Ｘ線スペクトル測定部の測定した蛍光Ｘ線スペクトルから、前記分析対象物質の組成元素の定性分析又は定量分析の少なくとも一方を行う元素分析部と、
   を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の蛍光Ｘ線分析装置。
4. さらに、前記Ｘ線窓と、前記Ｘ線源及び前記Ｘ線検出器との間に設けられたコリメータ部を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の蛍光Ｘ線分析装置。
5. さらに、前記Ｘ線窓と、前記Ｘ線源及び前記Ｘ線検出器との間に設けられたピンホール部、又はフィルターを有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の蛍光Ｘ線分析装置。
6. さらに、前記Ｘ線窓が対向する前記分析対象物質の周囲を含んで撮影する監視カメラ部と、
   前記監視カメラ部が撮影したイメージング画像と、前記元素分析部が元素分析した前記分析対象物質の組成元素の定性分析又は定量分析データを用いて、前記組成元素の空間的な位置分布を解析する空間的位置分布解析部と、
   を有することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の蛍光Ｘ線分析装置。
7. 前記空間的位置分布解析部は、さらに前記並進・回転移動機構が前記分析対象物質に対して移動した方向と移動量を、前記組成元素の空間的な位置分布解析に用いることを特徴とする請求項６に記載の蛍光Ｘ線分析装置。
8. さらに、前記筐体に設けられた全地球測位システムセンサーを有し、
   前記空間的位置分布解析部は、全地球測位システムセンサーで測定した測位情報と、前記元素分析部が元素分析した前記分析対象物質の組成元素の定性分析又は定量分析データを用いて、前記組成元素の空間的な位置分布解析を行うことを特徴とする請求項６又は７に記載の蛍光Ｘ線分析装置。
9. さらに、前記筐体に設けられた無線通信システムを有し、
   前記空間的位置分布解析部は、無線通信システムを用いて測定した測位情報と、前記元素分析部が元素分析した前記分析対象物質の組成元素の定性分析又は定量分析データを用いて、前記組成元素の空間的な位置分布解析を行うことを特徴とする請求項６乃至８の何れか１項に記載の蛍光Ｘ線分析装置。
10. さらに、前記筐体に収容されたバッテリー電源を有し、
    前記バッテリー電源は、少なくとも前記Ｘ線源及び前記Ｘ線検出器を含んで給電を行うことを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の蛍光Ｘ線分析装置。