JP2019169463A - 管−検出器システムにおけるｘ線管の高電圧発生器の較正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】費用がかかる高電圧分圧器や高圧ケーブルを用いずに、Ｘ線源用高電圧発生器の電圧較正方法を提案する。【解決手段】異なる材料からなる少なくとも２つのフィルタを備えたフィルタセット４を、Ｘ線管１とＸ線検出器５との間のＸ線ビーム２内へと導入し、第１のフィルタ材料は、そのＫ端が高電圧の範囲外にあり、第２のフィルタ材料は、そのＫ端が高電圧の範囲内にあり、高電圧をＸ線管の高電圧発生器に設定すると共に、フィルタセットのＸ線画像を、Ｘ線検出器を通じて記録するステップと、高電圧の各個の名目値について、第１のフィルタ材料及び第２フィルタ材料についてのＸ線画像内の信号間の関係を形成するステップと、高電圧の名目値を、高電圧発生器における設定を参照して決定するステップと、高電圧の名目値との差に基づいて、高電圧の名目値を補正するステップとを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、事前定義可能な高電圧の範囲における、管−検出器システム中のＸ線管の高電圧発生器の較正方法に関する。

Ｘ線管では、印加された高電圧が電子の運動エネルギーを規定し、そしてこの運動エネルギーがＸ線の最大エネルギーを規定する。Ｘ線のエネルギーが増加すると、材料中のＸ線の吸収が減少するため、このＸ線の最大エネルギーは、放射線防護にとって非常に重要である。鉛の厚さは、設定可能な最大高電圧に基づいて設計される。Ｘ線管内の中央揃えや焦点調節も同様に、高電圧に基づいて設定される。したがって、高電圧が高電圧発生器によって正確に設定されることは、非常に重要である。高電圧の試験は、例えば高電圧分圧器を使用して行われるが、これには高電圧分圧器をＸ線管と高電圧発生器との間に電気的に接続しなければならないため、多大な費用を伴う。すなわち、通常は２本の高電圧ケーブルを敷設する必要があるということである。そのような測定条件を構成するには、多大な調節費用がかかることになる。

本発明の目的は、Ｘ線管に印加された高電圧を試験可能な簡素な手段を提供することである。

上記目的は、請求項１の特徴を備えた方法によって達成される。これにより、以下のステップを備えた較正方法が提供される：ａ）種々異なる材料製の少なくとも２つのフィルタを備えたフィルタセットを、Ｘ線管とＸ線検出器との間のＸ線ビーム内へと導入するステップであって、第１のフィルタの第１の材料は、そのＫ端が事前定義可能な高電圧の範囲外にあり、第２のフィルタの第２の材料は、そのＫ端が事前定義可能な高電圧の範囲内にある、ステップ。ｂ）高電圧の名目値をＸ線管に設定すると共に、フィルタセットのＸ線画像を、Ｘ線検出器を通じて記録するステップ。ｃ）フィルタセットのさらなるＸ線画像を、Ｘ線管において、高電圧の他の名目値にて記録するステップ。ｄ）高電圧の各個の名目値について、第１の材料及び第２の材料についてのＸ線画像内の信号間の関係を形成するステップ。ｅ）関係が極値を有する際において、高電圧の名目値を決定するステップ。ｆ）高電圧の名目値と第２の材料のＫ端の値との差を算出するステップ。ｇ）算出された差によって、高電圧の名目値を補正するステップ。したがって、この測定方法は、必要な信号を同一の測定デバイスを用いて同時に測定することができるため、簡素化されている。使用される測定機器は、標準的なＸ線システムで利用可能である。

（フラットパネル）検出器が技術水準より知られる線量計の代わりに使用されるため、Ｘ線検出器の表面を個々のセグメントへと分割することができ、それによって、（本発明に係る少なくとも２つのフィルタよりも非常に多くの）一連の種々異なる（試験）フィルタをＸ線検出器の直前に配置することが可能となるため、複数の高電圧値の試験が、それらの間に測定条件の構成を変更する必要なく可能になるという利点が生じる。蛍光信号の代わりに材料の透過信号（第１のフィルタの透過信号）が測定され、その端エネルギーは第２のフィルタの端エネルギーから大きく離れており、そのＫ端は測定されることになる高電圧範囲にあるため、蛍光信号が使用される場合とは異なり、信号を散乱放射線から分離するための追加のシールドは必要ない。透過信号を使用する構成はまた、蛍光信号の場合よりも少ないスペースしか必要としない。材料試験設備の小さなキュービクルにおいて、空間を見つける必要があるという問題が、適切なシールドを用いて適切な距離で蛍光信号を測定できることによって回避される。フィルタセットはＸ線検出器の前にできるだけ近くに配置されるため、信号は、個々のフィルタの後ろにおける重なりが可能な限り少なくされる。したがって、測定条件の構成は、４つの部分と１つの測定装置にまで縮小される。本発明に従って得られる信号は、互いに関係して設定され、それぞれのフィルタの関係曲線及び既知の端エネルギーから、電子のエネルギーが決定される。

本発明の有利な発展形態は、Ｘ線管とＸ線検出器との間に、Ｘ線ビームのビーム硬化のためのプレフィルタが導入されることを提供する。これにより、信号の改善、ひいては結果のより精確な評価が達成される。

本発明のさらなる有利な発展形態は、プレフィルタが、鉄、銅又はアルミニウム製であることを提供する。これらのプレフィルタを用いることにより、Ｘ線を硬化させると同時に、Ｘ線検出器によって十分な明るさを達成することが可能となる。このビーム硬化によって、信号の改善が可能になり、それにより、電子の最大エネルギー、ひいては印加される高電圧のより良い決定のための光電効果について、より高速な検出が可能になる。

本発明のさらなる有利な発展形態は、プレフィルタが、０．１ｍｍ〜１０ｍｍ、好ましくは０．１ｍｍ〜３ｍｍの範囲の厚さを有することを提供する。プレフィルタはビーム硬化に用いられるものであり、試験される高電圧範囲に適合させる必要がある。４０ｋＶ領域の電圧の場合には、試験フィルタとも称される第１のフィルタ及び参照フィルタとも称される第２のフィルタは、既に非常に強く吸収をするため、硬化は必要とされない。９０ｋＶ領域の電圧の場合には、２〜３ｍｍの鉄を備えたプレフィルタがあると、信号が大きく改善する。

本発明のさらなる有利な発展形態は、高電圧の名目値が、昇順又は降順のいずれかにて送られることを提供する。したがって、高電圧値を設定する際に、前後にジャンプする必要がない。

本発明のさらなる有利な発展形態は、フィルタセットの第２の材料が、ウラン、トリウム、ビスマス、鉛、タリウム、水銀、金、白金、イリジウム、タングステン、タンタル、エルビウム、ガドリニウム、ネオジム、セリウム、バリウム、テルル、スズ、銀、パラジウム、モリブデンからなる群より選択されることを提供する。したがって、高電圧発生器を約２０ｋＶ〜約１２０ｋＶの電圧範囲にて較正することが可能となる。ここでは、高電圧の測定精度は、±１％未満である。

本発明のさらなる有利な発展形態は、フィルタセットが、指定された第２の材料の群からのさらなる２つのフィルタを有することを提供する。使用されるフィルタが多いほど、高電圧発生器の較正をフィルタセットの交換なしで実行可能な高電圧の範囲が広くなる。

本発明のさらなる有利な発展形態は、フィルタセットの第１の材料が銅であることを提供する。銅のＫ端は８．９８ｋＶであって、較正が実行される高電圧値の範囲内にある第２のフィルタ材料のＫ端から十分に離れている。

本発明のさらなる有利な発展形態は、フィルタセットのフィルタの少なくとも１つが、１μｍ〜１０ｍｍの範囲、好ましくは１０μｍ〜２ｍｍの間の厚さを有することを提供する。それぞれのフィルタの厚さは、信号強度がそれぞれのフィルタの後ろで十分に強くなるように選択される。例えば４０ｋＶ領域のような低電圧の場合には、これらのエネルギーでは、Ｘ線は低い侵入深さしか有さないため、厚さ数百マイクロメートルの非常に薄いフィルタが必要とされる。例えば８０ｋＶのようなより高い電圧の場合には、フィルタはより厚く選択される必要がある。ここで選択される厚さは、通常数百マイクロメートルから数ミリメートルである。

本発明のさらなる利点及び詳細は、図面に表された実施形態の例を参照して説明される。

本発明に係る方法を実行するための構成の概略図である。 本発明に係る方法を実行するためのフィルタセットの上面図である。 第１及び第２のフィルタ材料の吸収係数を表す図である。

まず、Ｘ線管１の高電圧発生器について本発明に係る較正方法を実行するための装置の構成を、図１及び図２を参照して簡単に説明する。次に、本発明に係る較正方法の実施について、詳細に説明する。

図１は、本発明に係る方法を実施するための概略的構成を示す。Ｘ線管１は、Ｘ線ビーム２を放射する。Ｘ線ビーム２のエネルギー及び波長は、Ｘ線管１に実際に印加される高電圧に依存する。Ｘ線ビーム２内には、ビーム硬化に役立つプレフィルタ３が配置されている。Ｘ線検出器５（本実施形態例では、面検出器）の近傍には、Ｘ線検出器５の表面と平行に、フィルタセット４が配置されている。プレフィルタ３としては、例えば、厚さ２ｍｍの小型の鉄板が使用可能である。

Ｘ線管では、印加された高電圧が電子の運動エネルギーを規定し、そしてこの運動エネルギーがＸ線の最大エネルギーを規定する。Ｘ線のエネルギーが増加すると、材料中のＸ線の吸収が減少するため、このＸ線の最大エネルギーは、放射線防護にとって非常に重要である。Ｘ線管１及び高電圧発生器は、分圧器に電気的に接続する必要があるため、高電圧の試験には、現在かなりの費用を伴う。

図２は、本発明に係る較正方法を実行するために必要とされるフィルタセット４の実施形態例の上面図を示す。Ｘ線ビーム２に対して可能な限り透明である剛性材料、例えば、炭素、プレキシガラス又は炭素繊維で作製されたキャリアプレート８上に、合計１２個の（場合により）種々異なる材料で作製されたフィルタが取り付けられている。本発明によれば、第１の材料６が確実に必要であり、そのＫ端９は、Ｘ線ビーム２のエネルギーから大きく離れて、高電圧発生器が較正されることになる高電圧の値にある。

本実施形態例では、第１のフィルタ６の第１の材料６ａとして、銅が用いられている。銅の吸収係数は、図３の右側に示されている。銅のＫ端９は、８．９８ｋｅＶの光子エネルギーにおいて、灰色で表される較正範囲１０より明らかに下にある。合計６つの第１の材料６ａ製の第１のフィルタ６が存在し、それらはキャリアプレート８の右端及び下端に沿って配置されている。第１のフィルタ６は、２５ｍｍ×２５ｍｍの大きさを有する。

残りの第２のフィルタ７は、６つの種々異なる第２の材料７ａ〜７ｆ、すなわち、鉛、タングステン、ガドリニウム、金、エルビウム及びネオジムで作製されている。第２の材料７ａ〜７ｆは、それらのそれぞれのＫ端が較正範囲１０内にあるという特性を有している必要がある。図３の左側に示されている第２の材料７ａとしての鉛の吸収係数の経過から、鉛のＫ端９は８８．０ｋｅＶにあり、灰色で示されている較正範囲１０に位置しているが、鉛の他の端は、より低い光子エネルギーにあり、この較正範囲１０の明らかに外側にあることが見られる。他の第２の材料７ｂ〜７ｆについても同様であり、それらのそれぞれのＫ端は、金（第２の材料７ｂ）では８０．７ｋｅＶ、タングステン（第２の材料７ｃ）では６９．５ｋｅＶ、エルビウム（第２の材料７ｄ）では５７．５ｋｅＶ、ガドリニウム（第２の材料７ｅ）では５０．２４ｋｅＶ、ネオジム（第２の材料７ｆ）では４３．５７ｋｅＶである。第２のフィルタ７は、第１のフィルタ６と同じ大きさ、すなわち２５ｍｍ×２５ｍｍである。

以下では、本発明に係る方法について、より詳細に説明する。本発明に係る較正方法を実行するため、図１に示すように、フィルタセット４がＸ線ビーム２中に導入される。この較正方法が完了した後、例えば鋳造品の非破壊検査の場合において機器の動作を中断させないために、フィルタセット４がＸ線ビーム２から除去される。

名目値が高電圧発生器に設定された後、まず、フィルタセット４の後ろの送信信号が、各第１のフィルタ６（参照フィルタとも称される）及び各第２のフィルタ７（試験フィルタとも称される）について測定される。フィルタの厚さ及び材料の正確な規定は、実際に印加される高電圧におけるＸ線ビーム２のエネルギーに依存する。以下では、簡略化のために、第１の材料６ａ（銅）及び第２の材料７ａ（鉛）のみを備えたフィルタ６，７について説明する。これら２つの材料６ａ，７ａに用いられる厚さは、例えば、鉛では０．５ｍｍ、銅では２ｍｍである。印加される高電圧は、事前定義された増分の範囲、例えば、０．１ｋＶの範囲で変化する。次に、測定される信号は互いに関係して設定され、高電圧の関数としてプロットされる。関係曲線の最大値が決定され、この最大値は鉛のＫ端９のエネルギーを表す。あるいは、この関係曲線から、近似によって２本の直線を決定することができる。１本は鉛のＫ端９より下の値についての直線であり、もう１本は鉛のＫ端９より上の値についての直線である。これら２本の直線は、試験フィルタ（第２のフィルタ７）すなわち鉛のＫ端９に対応するエネルギー（８８．００５ｋｅＶ）で交差する。

高電圧発生器の較正が広い電圧範囲、例えば、４０ｋＶ〜９５ｋＶにわたって行われる場合には、この電圧範囲の種々異なる部分に対して、ちょうど一通りの該電圧範囲内にそれぞれのＫ端９がある様々な第２の材料７ａ〜７ｆについての、一定の第１の材料６ａである銅に関係する関係値を使用することには意味がある。最初に、４０ｋＶの電圧及び１０Ｗの目標出力が設定される。これらのフィルタのための送信信号が記録された後、電圧が、例えば（名目上、高電圧発生器において）０．１ｋＶだけ増加させられて、送信信号が再び記録される。このことは、所望の最終電圧に至るまで行われる。したがって、例えば、４５ｋＶから５５ｋＶの範囲ではガドリニウム（５０．２４ｋｅＶのＫ端９を備えた第２の材料７ｅ）を、５５ｋＶ〜６５ｋＶの範囲ではエルビウム（５７．４９ｋｅＶのＫ端９を有する第２の材料７ｄ）を、６５ｋＶ〜７５ｋＶの範囲ではタングステン（６９．５３ｋｅＶのＫ端９を有する第２の材料７ｃ）を、７５ｋＶ〜８５ｋＶの範囲では金（８０．７３ｋｅＶのＫ端９を有する第２の材料７ｂ）を、８５ｋＶ〜９５ｋＶの範囲では鉛（８８．００ｋｅＶのＫ端９を有する第２の材料７ａ）を使用することができる。しかしながら、このことから、本発明に係る方法は、その可能な電圧範囲、特にその上限に関して制限されていることがわかる。第２のフィルタ７の材料として、ウランにまで至ることは可能であると考えられる。その場合、約１１５ｋＶにて、試験可能な最高の高電圧に達することとなる。超ウラン元素をフィルタとして用いて測定範囲を広げることは可能であるものの、超ウラン元素の半減期は通常短すぎるため、意味をなさない。

加えて、プレフィルタ３の種々異なる電圧範囲に関しても、変更することができる。例えば、６５ｋＶの電圧まではプレフィルタ３を用いず、その後６５ｋＶ〜７５の電圧範囲では、２ｍｍの鉄製のプレフィルタ３、及び、そのうえ３ｍｍの鉄製のプレフィルタ３を用いることが可能である。したがって、より良好なビーム硬化が達成され、光電効果をより迅速に検出することができる。

本発明によれば、考慮された第２の材料７ａ〜ｆのＫ端９に属することが決定された、記録されたＸ線画像について、高電圧発生器に設定された高電圧の値（高電圧の名目値）について追加の算出が行われる。最後に、高電圧発生器における高電圧の該名目値が、この算出された差によって補正される。

要約すると、本発明に係る方法の基礎は、光電効果であると言える。本明細書では、高電圧発生器に実際に印加される高電圧を測定するために、様々な元素の材料固有の吸収端（特に、Ｋ端９）が使用される。この実際に印加される高電圧は、通常、名目的に示されている高電圧とは異なる。本明細書では、測定機器は、標準的なＸ線システム（Ｘ線検出器５及びＸ線管１）において利用可能な機器に限定されている。（ビーム硬化のための任意のプレフィルタ３とは別の）唯一の追加の測定機器は、様々な材料６ａ、７ａ〜７ｆのフィルタ６、７を包含するフィルタセット４である。様々なフィルタ６、７の後ろの信号が測定され、これらの測定データから、高電圧発生器に印加された実際の高電圧が決定される。高電圧発生器に設定された名目値から決定された実際の高電圧値を減算することにより、２つの値の間のオフセットを決定して、高電圧発生器の較正を実行することができる。

本発明に係る方法は、Ｘ線システムの高電圧を試験するための優れた方法を表している。分圧器による方法と比較した最大の利点は、測定機器の扱いやすさにある。分圧器による方法では、２本の高電圧ケーブル、分圧器及び電圧計が必要とされるのに対し、本発明に係る方法における２００ｍｍ×１３０ｍｍ×１０ｍｍのサイズ及び約３００ｇの重さを備えたフィルタセット４は、保管及び輸送が容易である。残りの測定機器は、システムにて利用可能である。さらに大きな利点は、Ｋ端９がいかなる状況下でも変化しない材料定数であるため、フィルタセット４を較正する必要がないことである。例えば、希土類元素が酸化したとしても、Ｋ端９の位置に変化はない。単に酸素のＫ端９が加えられるだけである。しかしながら、酸素のＫ端９は希土類のＫ端９から大きく離れているため、これは測定に影響を及ぼさないと考えられる。本発明に係る方法のさらなる利点は、必要とされる追加の機器、すなわちフィルタセット４が、現在市場で入手可能な任意の従来のシステムに組み込み可能であることである。これにより、高電圧の標準かつ完全自動の試験が行われ得る。放射線防護の観点からは、本方法では放射線漏れの要因となり得る不正確な過電圧が発見されるため、キュービクルの安全性が高くなる。また、得られたデータは、高電圧発生器の故障又は他の問題についての早期の指標として使用可能である。

１ Ｘ線管
２ Ｘ線ビーム
３ プレフィルタ
４ フィルタセット
５ Ｘ線検出器
６ フィルタ
６ａ 第１の材料
７ フィルタ
７ａ−ｆ 第２の材料
８ キャリアプレート
９ Ｋ端
１０ 較正範囲

Claims (9)

1. 事前定義可能な高電圧の範囲における、管−検出器システム中のＸ線管（１）の高電圧発生器の較正方法であって、
   ａ）種々異なる材料（６ａ、７ａ〜ｆ）製の少なくとも２つのフィルタ（６、７）を備えたフィルタセット（４）を、前記Ｘ線管（１）とＸ線検出器（５）との間のＸ線ビーム（２）内へと導入するステップであって、第１のフィルタ（６）の第１の材料（６ａ）は、そのＫ端（９）が前記事前定義可能な高電圧の範囲外にあり、第２のフィルタ（７）の第２の材料（７ａ〜ｆ）は、そのＫ端（９）が前記事前定義可能な高電圧の範囲内にある、ステップと、
   ｂ）前記高電圧の名目値を前記Ｘ線管（１）の前記高電圧発生器に設定すると共に、前記フィルタセット（４）のＸ線画像を、前記Ｘ線検出器（５）を通じて記録するステップと、
   ｃ）前記フィルタセット（４）のさらなるＸ線画像を、前記Ｘ線管（１）の前記高電圧発生器において、前記高電圧の他の名目値にて記録するステップと、
   ｄ）前記高電圧の各個の名目値について、前記第１の材料（６ａ）及び前記第２の材料（７ａ〜ｆ）についての前記Ｘ線画像内の信号間の関係を形成するステップと、
   ｅ）前記関係が極値を有する際において、前記高電圧の名目値を、前記高電圧発生器における設定を参照して決定するステップと、
   ｆ）前記高電圧の名目値と前記第２の材料（７ａ〜ｆ）のＫ端（９）の値との差を算出するステップと、
   ｇ）算出された前記差によって、前記高電圧の名目値を補正するステップと
   を備えている、方法。
2. Ｘ線管（１）とＸ線検出器（５）との間に、前記Ｘ線ビーム（２）のビーム硬化のためのプレフィルタ（３）が導入される、請求項１に記載の方法。
3. 前記プレフィルタ（３）が、鉄、銅又はアルミニウム製である、請求項２に記載の方法。
4. 前記プレフィルタ（３）が、０．１ｍｍ〜１０ｍｍ、好ましくは０．１ｍｍ〜３ｍｍの範囲の厚さを有する、請求項２又は３に記載の方法。
5. 前記高電圧の名目値が、昇順又は降順のいずれかにて送られる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記フィルタセット（４）の前記第２の材料（７ａ〜７ｆ）が、ウラン、トリウム、ビスマス、鉛、タリウム、水銀、金、白金、イリジウム、タングステン、タンタル、エルビウム、ガドリニウム、ネオジム、セリウム、バリウム、テルル、スズ、銀、パラジウム、モリブデンからなる群より選択される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記フィルタセット（４）が、指定された前記第２の材料（７ａ〜７ｆ）の前記群からのさらなる２つのフィルタ（７）を有する、請求項６に記載の方法。
8. 前記フィルタセット（４）の前記第１の材料（６ａ）が、銅である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記フィルタセット（４）の前記フィルタ（６、７）の少なくとも１つが、１μｍ〜１０ｍｍの範囲、好ましくは１０μｍ〜２ｍｍの間の厚さを有する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。

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