JP2020051900A - Ｘ線分析用信号処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微分波を台形波に波形変換するデジタルフィルタを有するＸ線分析用信号処理装置において、微分波の密度に依存した台形波の波高値のシフトを抑制する。【解決手段】Ｘ線分析用信号処理装置は、Ｘ線検出器１２で検出された階段波を微分波に変換する微分回路１６と、微分波を台形波または三角波に変換するデジタルフィルタ４６と、台形波または三角波におけるピークの波高値を計数するピーク検出器５２と、微分回路１６およびデジタルフィルタ４６の間に配置され、微分回路１６から与えられる真正の微分波に対して擬似微分波を挿入するように構成された擬似微分波挿入部４２とを備える。【選択図】図１

Description

この発明は、Ｘ線分析用信号処理装置に関する。

蛍光Ｘ線分析装置は、固体、粉体または液体の試料に励起Ｘ線（一次Ｘ線）を照射し、照射した一次Ｘ線により励起されて放出される蛍光Ｘ線を分光器で検出することによって、その試料に含まれる元素の定性または定量分析を行なうものである。このような蛍光Ｘ線分析装置としては、波長分散型蛍光Ｘ線分析装置と、エネルギ分散型蛍光Ｘ線分析装置とがある。

波長分散型蛍光Ｘ線分析装置は、分光結晶とスリットとを組み合わせたＸ線分光器により特定波長の蛍光Ｘ線を選別した上で検出器により検出する構成を有する。一方、エネルギ分散型蛍光Ｘ線分析装置は、こうした波長選別を行なわずに蛍光Ｘ線を直接半導体検出器等で検出し、その後の出力信号を波長λ（つまりＸ線エネルギＥ）ごとに分離する処理を行なうように構成される。したがって、蛍光Ｘ線スペクトルを作成する場合、波長分散型蛍光Ｘ線分析装置では波長走査を行なう必要があるのに対し、エネルギ分散型蛍光Ｘ線分析装置では多数の波長の情報が同時に得られるため、短時間で蛍光Ｘ線スペクトルを取得できるという特徴を有する。

特開２０１５−２１９５７号公報（特許文献１）は、エネルギ分散型蛍光Ｘ線分析装置を開示する。エネルギ分散型蛍光Ｘ線分析装置は、Ｘ線分析用信号処理装置を備える。Ｘ線分析用信号処理装置は、Ｘ線検出器で検出された階段波を微分波に変換する微分回路と、微分波を台形波または三角波に変換するデジタルフィルタと、台形波または三角波におけるピークの波高値を弁別して計数するピーク検出器とを有する。

特開２０１５−２１９５７号公報

特許文献１に記載されるＸ線分析用信号処理装置によれば、階段波を微分波に変換することで、ダイナミックレンジが広くとれるため、分解能を高めることができる。そして、デジタルフィルタによって微分波を台形波または三角波に変換することで、ピーク検出器においてピークの波高値を正確に算出することができる。

しかしながら、デジタルフィルタは、微分回路の時定数および微分波の波形歪みに対して非常に敏感に反応する性質を有するため、アナログ回路であるアンプの微小なオフセット変動および、周波数の広帯域部分がカットされることによる微分波のわずかな波形歪みの影響を受けて、台形波の波高値が変動してしまうことがある。

特に、デジタルフィルタに入力される微分波の密度によって、台形波の波高値が変動しやすい傾向がある。この微分波の密度はＸ線検出器のデッドタイム率によっても変化する。デッドタイム率とは、測定時間に対するデッドタイム（不感時間）の総和の割合である（＝デッドタイムの総和／測定時間）。デッドタイム率が大きいときには微分波の密度が高くなる一方、デッドタイム率が小さいときには微分波の密度が低くなる。微分波の密度が高いとき、すなわちデッドタイム率が大きいときには、微分波の密度が低いとき、すなわちデッドタイム率が小さいときに比べて、台形波の波高値がシフトすることがある。そのため、波高値の計数値に基づいて波高分布図を作成した場合、シフト量に対応して、ピークの出現位置もシフトしているように見えてしまう。このように、同じ蛍光Ｘ線エネルギＥであるにもかかわらず、微分波の密度（デッドタイム率）によってピークの出現位置がシフトしてしまうことで、エネルギー分解能が低下することが懸念される。

この発明はこのような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、微分波を台形波に波形変換するデジタルフィルタを有するＸ線分析用信号処理装置において、微分波の密度に依存した台形波の波高値のシフトを抑制することである。

この発明のある局面によれば、Ｘ線分析用信号処理装置は、Ｘ線検出器で検出された階段波を微分波に変換する微分回路と、微分波を台形波または三角波に変換するデジタルフィルタと、台形波または三角波におけるピークの波高値を計数するピーク検出器と、微分回路およびデジタルフィルタの間に配置され、微分回路から与えられる真正の微分波に対して擬似微分波を挿入するように構成された擬似微分波挿入部とを備える。

上記Ｘ線分析用信号処理装置によれば、微分波の密度が高い状態（デッドタイム率が大きい状態）を擬似的に作り出すことで、デジタルフィルタに入力される微分波を、常に密度が高い状態に加工することができる。これによると、真正の微分波を変換した台形波または三角波の波高値をシフトした状態で揃えることができる。したがって、同じ蛍光Ｘ線エネルギであれば台形波または三角波の波高値が同じとすることができるため、真正の微分波の密度に依存して台形波または三角波の波高値がばらつくことを抑制することができる。この結果、エネルギ分解能を高めることができる。

上記Ｘ線分析用信号処理装置において好ましくは、擬似微分波挿入部は、真正の微分波の立上りを検出して検出信号を出力する立上り検出部と、真正の微分波を第１の時間遅延させる第１の遅延部と、検出信号を第１の時間よりも短い第２の時間遅延させる第２の遅延部と、擬似微分波を発生する擬似微分波生成部とを含む。擬似微分波生成部は、第２の時間内に立上り検出部にて次の真正の微分波の立上りが検出されない場合には、第２の遅延部から出力される検出信号をトリガとして擬似微分波を発生するように構成される。擬似微分波挿入部はさらに、第１の遅延部にて遅延させた真正の微分波に、擬似微分波を加算する加算部を含む。

このようにすると、真正の微分波の時間波形において微分波の密度が低い状態（デッドタイム率が小さい状態）のときに、微分波の直前に擬似微分波を挿入することができるため、微分波の密度が高い状態（デッドタイム率が大きい状態）を擬似的に作り出すことができる。したがって、真正の微分波の密度（デッドタイム率）に依存することなく、デジタルフィルタに入力される微分波を、常に密度が高い状態（デッドタイム率が大きい状態）に加工することができる。

上記Ｘ線分析用信号処理装置において好ましくは、擬似微分波挿入部は、第２の遅延部から出力される検出信号をトリガとしてワンショットのパルス信号を発生するように構成される。ピーク検出器は、パルス信号が入力されるタイミングでは、台形波または三角波におけるピークの波高値を計数しない。

このようにすると、擬似微分波の挿入による計数値のずれを解消することができる。
上記Ｘ線分析用信号処理装置において好ましくは、デジタルフィルタおよびピーク検出器の間に配置され、デジタルフィルタから与えられる台形波または三角波の波高値を校正するための調整部をさらに備える。

台形波または三角波の波高値がシフトした状態で波高分布図を作成すると、波高値のシフト量に起因してピークの出現位置が本来の出現位置からずれてしまうため、デジタルフィルタよりも後段においてシフト量を相殺するための校正を行なうことで、波高分布図におけるピークの出現位置のずれの発生を抑制することができる。

上記Ｘ線分析用信号処理装置において好ましくは、第１の時間は、１つの台形波が形成される時間を含むように設定される。第２の時間は、第１の時間との時間差が、１つの台形波が形成される時間よりも短くなるように設定される。

このようにすると、真正の微分波の時間波形において微分波の密度が低い状態（デッドタイム率が小さい状態）のときに、微分波の直前に擬似微分波を挿入することができる。

上記Ｘ線分析用信号処理装置において好ましくは、擬似微分波生成部は、加算部に対して互いに並列に接続された複数の擬似微分波生成器を有する。

このようにすると、擬似微分波生成部は、パルス信号に応答して、漏れなく擬似微分波を出力することができる。

この発明によれば、微分波を台形波に波形変換するデジタルフィルタを有するＸ線分析用信号処理装置において、微分波の密度に依存した台形波の波高値のシフトを抑制することができる。

本実施の形態に係るエネルギ分散型蛍光Ｘ線分析装置の概略構成図である。 図１に示した擬似微分波挿入部の構成例を示す図である。 図２に示した微分波コア部の構成例を示す図である。 擬似微分波挿入部の動作を説明するための波形図である。 擬似微分波挿入部から出力される真正の微分波および擬似微分波の合成波と、この合成波を波形変換して生成される台形波とを模式的に示す波形図である。 真正の微分波と擬似微分波との合成波および台形波の波形図および、擬似微分波挿入部で生成されるパルス信号の波形図である。 検証条件を示す図である。 オフセット補正値が適正値であるときの検証結果を示す図である。 オフセット補正値が過剰値であるときの検証結果を示す図である。 オフセット補正値が過剰値であるときの検証結果を示す図である。 従来のエネルギ分散型蛍光Ｘ線分析装置の概略構成図である。 波形変換デジタルフィルタの動作を説明する図である。 台形波の波高値の変動と微分波の密度（デッドタイム率）との関係を模式的に示す図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的に繰返さないものとつする。

［従来のエネルギ分散型蛍光Ｘ線分析装置］
最初に、従来の一般的なエネルギ分散型蛍光Ｘ線分析装置の構成およびその課題について説明する。

図１１は、従来のエネルギ分散型蛍光Ｘ線分析装置の概略構成図である。
図１１を参照して、従来のエネルギ分散型蛍光Ｘ線分析装置は、Ｘ線管球１０と、エネルギ分散型分光器（以下、検出器とも称する）１２と、プリアンプ１４と、微分回路１６と、アンプ１８と、Ａ／Ｄ変換器（以下、ＡＤＣとも称する）２０と、ＣＰＵ３０と、Ｘ線分析用信号処理装置（以下、信号処理装置とも称する）４０Ａとを備える。

Ｘ線管球１０は、１次Ｘ線を試料Ｓに出射する。Ｘ線管球１０は、例えば、陽極であるターゲットと、陰極であるフィラメントと、ターゲットおよびフィラメントを収容する筐体とを有する。ターゲットに高電圧を印加するとともに、フィラメントに低電圧を印加すると、フィラメントから放射された熱電子がターゲットの端面に衝突し、当該端面にて１次Ｘ線を発生させる。ターゲットの端面で発生した１次Ｘ線は試料Ｓに出射される。１次Ｘ線が試料Ｓに照射されると、１次Ｘ線により励起された蛍光Ｘ線が試料Ｓから放出され、検出器１２に入射される。

検出器１２は、予め定められた波長域の蛍光Ｘ線の強度を検出する。検出器１２は、筐体内部に配置され、上記波長域の蛍光Ｘ線の強度を検出する検出素子を有する。検出素子は、例えば、リチウムドリフト型Ｓｉ半導体素子である。

検出器１２の出力信号はプリアンプ１４で増幅される。プリアンプ１４により出力信号は階段波状の信号となる。階段波状の信号の各段が蛍光Ｘ線を検出していることを示している。各段の高さが波長λ、すなわちＸ線エネルギＥを表している。

プリアンプ１４で増幅された出力信号は、微分回路１６に送られる。微分回路１６は、コンデンサＣおよび抵抗Ｒからなり、階段波を次式（１）で表す微分波に変換する。階段波を微分波に変換することで、ダイナミックレンジを広くとることができ、結果的に高分解能を得ることができる。微分波はアンプ１８で増幅され、ＡＤＣ２０に送られる。

ただし、τはＲＣ時定数、Ｔはサンプリング周期、ｎはサンプル数、ａは時定数（ｅｘｐ（−Ｔ／τ））である。

ＡＤＣ２０は、アナログ信号である微分波を所定のサンプリング周期でサンプリングしてデジタル信号に変換する。微分波デジタル信号は、信号処理装置４０Ａに入力される。

信号処理装置４０Ａは、微分波デジタル信号の各ピークの波高値（ピークトップ値）に応じて各微分波を弁別した後にそれぞれ計数する。信号処理装置４０Ａは、一般的に、ＦＰＧＡ（Field-programmable gate array）をはじめとするロジックデバイスで構成される。具体的には、信号処理装置４０Ａは、オフセット補正部４４と、波形変換デジタルフィルタ４６と、ベースライン補正部４８と、ゲイン／オフセット調整部５０と、ピーク検出器５２と、ヒストグラムメモリ５４とを含む。

オフセット補正部４４は、ＡＤＣ２０から与えられる微分波デジタル信号のオフセット補正を行ない、補正後の微分波デジタル信号を波形変換デジタルフィルタ４６に出力する。波形変換デジタルフィルタ４６は、図１２に示すように、微分波を台形波に変換するように構成される。台形波は次式（２）で与えられる。

ただし、Ｍは台形波トップ（台形の上底に相当）時間、Ｎは台形波立上り時間／立下り時間である。

波形変換デジタルフィルタ４６によって生成された台形波は、ベースライン補正部４８およびゲイン／オフセット調整部５０によってベースラインおよびゲインが調整された後、ピーク検出器５２に入力される。

ピーク検出器５２は、台形波におけるピークを検出して各ピークの波高値（ピークトップ値）を取得する。微分波を台形波に変換することで、ピークの波高値（ピークトップ値）を正確に算出することができる。ピーク検出器５２は、ピーク毎にピークトップ値に応じたＸ線エネルギＥの計数値をインクリメントして、ヒストグラムメモリ５４に格納する。

ＣＰＵ３０は、ヒストグラムメモリ５４に格納された計数値に基づいて、波高分布図（エネルギスペクトルヒストグラム）を作成する。波高分布図は横軸に蛍光Ｘ線エネルギＥを示し、縦軸に元素の含有量（強度）を示す。波高分布図では、試料Ｓ中に含まれる元素から放出される蛍光Ｘ線のエネルギＥに対応する位置に各元素固有のピークが現れる。ＣＰＵ３０は、このピークの出現位置およびそのＸ線強度値などに基づいて、含有元素の定性および定量を行なう。

ここで、式（２）に示されるように、波形変換デジタルフィルタ４６の伝達関数には微分回路１６の時定数ａが含まれている。そのため、波形変換デジタルフィルタ４６は、微分回路１６の時定数ａおよび微分波の波形歪みに対して非常に敏感に反応する性質を有する。その結果、アナログ回路であるアンプ１８の微小なオフセット変動および、周波数の広帯域部分がカットされることによる微分波のわずかな波形歪みの影響を受けて、台形波の波高値が変動してしまうことがある。

特に、波形変換デジタルフィルタ４６に入力される微分波の密度によって、台形波の波高値が変動しやすい傾向がみられる。微分波の密度とは、単位時間当たりの微分波の時間波形に含まれる微分波の個数に相当し、微分波の時間波形において隣り合う微分波同士が重なり合う確率に影響する。具体的には、微分波の密度が高いときには隣り合う微分波が重なり合う確率が高くなり、微分波の密度が低いときには隣り合う微分波が重なり合う確率が低くなる。

微分波の密度は検出器１２のデッドタイム率によっても変化する。デッドタイム（不感時間）とは、検出器１２が１つのＸ線を受け取ってから次のＸ線を受け取れるようになるまでの回復に要する時間である。デッドタイム率は、測定時間に対するデッドタイムの総和の割合である（＝デッドタイムの総和／測定時間）。通常、計数率（１秒間に検出器１２に入射するＸ線の数）が高くなると、デッドタイム率は大きくなる。デッドタイム率が大きいときには、微分波の密度が高くなる。一方、デッドタイム率が小さいときには、微分波の密度が低くなる。なお、Ｘ線管球１０に印加する管電流を大きくするに従って、デッドタイム率が大きくなる。

図１３は、台形波の波高値の変動と微分波の密度（デッドタイム率）との関係を模式的に示す図である。図１３の上段には微分波の時間波形が示され、図１３の下段には上段の微分波から変換された台形波の時間波形が示される。

図１３を参照して、微分波の時間波形の前半（紙面左側）には微分波が重なり合っていない、微分波の密度が低い状態（すなわち、デッドタイム率が小さい状態）が示される。微分波の時間波形の後半（紙面右側）には微分波が重なり合っており、微分波の密度が高い状態（デッドタイム率が高い状態）が示される。

図１３に示すように、微分波の密度が低いとき、すなわちデッドタイム率が小さいときの台形波の波高値を１００とする。微分波の密度が高いとき、すなわちデッドタイム率が大きいときには、重なり合う複数の微分波のうち、最初の微分波に対応する台形波の波高値が１００であるのに対して、後ろ側の微分波に対応する台形波の波高値が１００＋ａにシフトしている。なお、図１３の例ではシフト量ａが正の値となっているが、シフト量ａが負の値であって、波高値が１００よりも小さい側にシフトする場合もある。

これによると、微分波の密度が高いとき、すなわちデッドタイム率が大きいときには、微分波の密度が低いとき、すなわちデッドタイム率が小さいときに比べて、台形波の波高値がシフト量ａだけシフトする。そのため、波高値の計数値に基づいて波高分布図を作成した場合、シフト量ａに対応して、ピークの出現位置もシフトしているように見えてしまう。このように、同じ蛍光Ｘ線エネルギＥであるにもかかわらず、微分波の密度（デッドタイム率）によってピークの出現位置がシフトしてしまうことで、エネルギ分解能が低下することが懸念される。

そこで、本実施の形態では、微分波の密度（デッドタイム率）によらず、同じ蛍光Ｘ線エネルギであれば台形波の波高値が同じになるように、信号処理装置の内部において、波形変換デジタルフィルタ４６に入力される微分波に加工を施す構成とする。

［本実施の形態に係るエネルギ分散型蛍光Ｘ線分析装置］
図１は、本実施の形態に係るエネルギ分散型蛍光Ｘ線分析装置の概略構成図である。

図１を参照して、本実施の形態に係るエネルギ分散型蛍光Ｘ線分析装置は、図１１に示す従来のエネルギ分散型蛍光Ｘ線分析装置と比較して、信号処理装置４０Ａが信号処理装置４０に置き換えられている点が異なる。

信号処理装置４０は、信号処理装置４０Ａと比較して、擬似微分波挿入部４２をさらに有する。なお、信号処理装置４０は、信号処理装置４０Ａと同様、ＦＰＧＡをはじめとするロジックデバイスで実現することができる。

擬似微分波挿入部４２は、ＡＤＣ２０と波形変換デジタルフィルタ４６との間に設けられ、ＡＤＣ２０から与えられる微分波に対して、擬似微分波を挿入するように構成される。本願明細書において、擬似微分波とは、ＡＤＣ２０から与えられる真正の微分波に擬似させて生成した微分波であって、真正の微分波と同じ時定数を有している。擬似微分波挿入部４２は、ＡＤＣ２０から与えられる真正の微分波に擬似微分波を挿入することで、微分波の密度が高い状態（デッドタイム率が高い状態）を擬似的に作り出すことができる。これにより、真正の微分波の密度に依存せず、常に密度が高い状態で微分波を波形変換デジタルフィルタ４６に入力することができる。

図２は、図１に示した擬似微分波挿入部４２の構成例を示す図である。
図２を参照して、擬似微分波挿入部４２は、８サンプル遅延部６０と、２５６サンプル遅延部６２と、立上り検出部６４と、（２５６−Ｎ）サンプル遅延部６６と、微分波無期間計測部６８と、論理積回路７０と、微分波コア部７２と、加算器７４とを含む。

８サンプル遅延部６０には、ＡＤＣ２０から微分波が入力されるとともに、ピーク検出器５２のリセットタイミングを指定するためのリセット信号が入力される。８サンプル遅延部６０は、ＡＤＣ２０から与えられる微分波およびリセット信号を８サンプリング時間分遅延させる。この８サンプリング時間は、微分波の立上り時間に相当する。８サンプル遅延部６０の遅延時間は、８サンプリング時間に限定されるものではなく、微分波の立上り時間に応じて任意に設定することができる。８サンプル遅延部６０は、遅延させた微分がおよびリセット信号を２５６サンプル遅延部６２へ出力する。８サンプル遅延部６０は、さらに、遅延させた微分波を立上り検出部６４へ出力する。

２５６サンプル遅延部６２は、８サンプル遅延部６０から与えられる微分波およびリセット信号を、さらに、２５６サンプリング時間分遅延させる。２５６サンプル遅延部６２は、ＲＡＭまたはフリップフロップを用いて構成することができる。２５６遅延部６２は、単に微分波を遅延させるだけなので、ＦＰＧＡのロジックセル領域のルックアップテーブルで実現することができ、小面積で効率的に実装することができる。

２５６サンプリング時間は、後述するように、台形波立上り時間の２倍と台形波トップ時間との和に相当する時間以上となるように設定される。なお、２５６サンプル遅延部６２の遅延時間は、１つの台形波が形成される時間を含むものであればよく、２５６サンプリング時間に限定されるものではない。２５６サンプル遅延部６２は「第１の遅延部」の一実施例に対応し、２５６サンプリング時間は「第１の時間」の一実施例に対応する。

立上り検出部６４は、ＡＤＣ２０から遅延前の微分波が入力されるとともに、８サンプル遅延部６０から遅延後の微分波が入力される。立上り検出部６４は、入力された２つの微分波の大小を比較することにより、遅延前の微分波の立上りを検出する。すなわち、立上り検出部６４は、微分波の到来を検出する。

具体的には、遅延前の微分波が立上がると、遅延前の微分波が遅延後の微分波よりも大きくなる。そして、この時点から８サンプリング時間遅れて遅延後の微分波が立上がると、遅延後の微分波が遅延前の微分波よりも大きくなる。立上り検出部６４は、この２つの微分波の大小関係の変化を捉えることで、微分波の立上り（すなわち、微分波の到来）を検出することができる。立上り検出部６４は、微分波の立上りを検出すると、所定のパルス幅を有するワンショットのパルス信号（以下、立上り検出信号とも称する）を生成し、生成した立上り検出信号を（２５６−Ｎ）サンプル遅延部６６へ出力する。

（２５６−Ｎ）サンプル遅延部６６は、立上り検出部６４から与えられる立上り検出信号を（２５６−Ｎ）サンプリング時間分遅延させる。なお、Ｎは２５６より小さい正の整数であり、台形波立上り時間と台形波トップ時間との和に相当する時間から、台形波立上り時間の２倍と台形波トップ時間との和に相当する時間までの間に収まるように設定される。（２５６−Ｎ）サンプル遅延部６６は、２５６サンプル遅延部６２と同様に、ＲＡＭまたはフリップフロップを用いて構成することができる。（２５６−Ｎ）遅延部６６は、ＦＰＧＡのロジックセル領域のルックアップテーブルで実現することができ、小面積で効率的に実装することができる。（２５６−Ｎ）サンプル遅延部６６は、遅延させた立上り検出信号を論理積回路７０の第１の入力端子に入力するとともに、微分波無期間計測部６８に入力する。（２５６−Ｎ）サンプル遅延部６６は「第２の遅延部」の一実施例に対応し、（２５６−Ｎ）サンプリング時間は「第２の時間」の一実施例に対応する。

微分波無期間計測部６８は、（２５６−Ｎ）サンプル遅延部６６から入力される立上り検出信号に基づいて、微分波の時間波形において微分波が存在しない期間を計測する。具体的には、微分波無期間計測部６８は、立上り検出信号が入力された時点から遡って（２５６−Ｎ）サンプリング時間内に別の立上り検出信号が入力されたか否かを判定する。（２５６−Ｎ）サンプリング時間内に別の立上り検出信号が入力されていれば、１つの微分波の立上りが検出された時点から（２５６−Ｎ）サンプリング時間が経過する時点までの時間に、次の微分波の立上りが検出されたことになる。一方、（２５６−Ｎ）サンプリング時間内に別の立上り検出信号が入力されなければ、１つの微分波の立上りが検出された時点から（２５６−Ｎ）サンプリング時間が経過する時点までの時間に、次の微分波の立上りが検出されないことになる。

例えば、１つの微分波の立上り（微分波の到来）が検出された時点から（２５６−Ｎ）サンプリング時間が経過するまでの期間に次の微分波の立上り（次の微分波の到来）が検出された場合、微分波無期間計測部６８は、１つの微分波が存在している間に、次の微分波が到来したものと判定し、判定結果としてＬ（論理ロー）レベルの信号を出力する。

これに対して、１つの微分波の立上り（微分波の到来）が検出された時点から（２５６−Ｎ）サンプリング時間が経過するまでの時間に次の微分波の立上り（次の微分波の到来）が検出されない場合、微分波無期間計測部６８は、１つの微分波が存在している間に、次の微分波が到来していないものと判定し、判定結果としてワンショットのパルス信号を出力する。微分波無期間計測部６８の出力信号は、論理積回路７０の第２の入力端子に入力される。

論理積回路７０は、（２５６−Ｎ）サンプル遅延部６６の出力信号と微分波無期間計測部６８の出力信号との論理積を演算することにより、信号ＤＭＹ＿ＰＬＳを生成する。（２５６−Ｎ）サンプル遅延部６６から立上り検出信号が出力され、かつ、微分波無期間計測部６８からパルス信号が出力されている場合、論理積回路７０は、ワンショットのパルス信号ＤＭＹ＿ＰＬＳを出力する。すなわち、微分波の立上り（微分波の到来）が検出されてからこの微分波が存在している間に次の微分波が到来していない場合、論理積回路７０は、パルス信号ＤＭＹ＿ＰＬＳを出力する。

これに対して、（２５６−Ｎ）サンプル遅延部６６から立上り検出信号が出力されているが、微分波無期間計測部６８からパルス信号が出力されていない場合、あるいは、（２５６−Ｎ）サンプル遅延部６６から立上り検出信号が出力されていない場合、論理積回路７０は、パルス信号ＤＭＹ＿ＰＬＳを出力しない。すなわち、微分波の立上り（微分波の到来）が検出されてからこの微分波が存在している間に次の微分波が到来した場合、または、微分波の立上りが検出されていない場合、論理積回路７０は、パルス信号ＤＭＹ＿ＰＬＳを出力しない。

論理積回路７０にて生成されたパルス信号ＤＭＹ＿ＰＬＳは、微分波コア部７２に与えられるとともに、ピーク検出器５２およびヒストグラムメモリ５４（図１参照）に与えられる。

微分波コア部７２は、擬似微分波を生成するための部位である。微分波コア部７２は、論理積回路７０からパルス信号ＤＭＹ＿ＰＬＳを受けると、生成した擬似微分波を加算器７４に出力する。

図３は、図２に示した微分波コア部７２の構成例を示す図である。
図３を参照して、微分波コア部７２は、複数の微分波コア７２０を有する。図３の例では微分波コア７２０の個数を８個とするが、微分波コア７２０の個数は複数であれば、特に限定されない。複数の微分波コア７２０は、加算器７４に対して互いに並列に接続されている。微分波コア７２０は、擬似微分波生成ＲＯＭテーブルを有する。擬似微分波生成ＲＯＭテーブルは、真正の微分波と同じ時定数を有する理想波を生成するために、予め作成されたものである。なお、擬似微分波生成ＲＯＭテーブルは、真正の微分波の時定数ごとに作成されている。微分波コア部７２では、基本的に、パルス信号ＤＭＹ＿ＰＬＳを受けると、複数の微分波コア７２０のうちの１つが擬似微分波を加算器７４に出力する。ただし、この１つの微分波コア７２０が擬似微分波を出力している期間に、次のパルス信号ＤＭＹ＿ＰＬＳを受けた場合には、残りの微分波コア７２０のうちの１つが次のパルス信号ＤＭＹ＿ＰＬＳに応答して擬似微分波を出力する。複数の微分波コア７２０を備えておくことで、パルス信号ＤＭＹ＿ＰＬＳに応答して、漏れなく擬似微分波を出力することができる。

図２に戻って、加算器７４は、２５６サンプル遅延部６２から与えられる微分波に、微分波コア部７２によって生成された擬似微分波を加算する。加算器７４は、微分波と擬似微分波との合成波をオフセット補正部４４（図１参照）へ出力する。

図４は、擬似微分波挿入部４２の動作を説明するための波形図である。図４には、ＡＤＣ２０から擬似微分波挿入部４２に与えられる真正の微分波の時間波形と、この真正の微分波に基づいて擬似微分波挿入部４２の内部で生成される信号、擬似微分波および合成波の時間波形とが示されている。

詳細には、ＡＤＣ２０から与えられる真正の微分波と、この微分波を８サンプリング時間分遅延させた微分波とを比較することによって、真正の微分波の立上りが検出される。微分波の立上りが検出されると、ワンショットのパルス信号である立上り検出信号が立上り検出部６４から出力される。

この立上り検出信号は、（２５６−Ｎ）サンプル遅延部６６によって（２５６−Ｎ）サンプリング時間分遅延される。この（２５６−Ｎ）サンプリング時間内に、次の微分波の立上りが検出されない場合には、論理積回路７０によってパルス信号ＤＭＹ＿ＰＬＳが生成される。

微分波コア部７２は、論理積回路７０により生成されたパルス信号ＤＭＹ＿ＰＬＳを受けると、擬似微分波を加算器７４へ出力する。図７に示すように、パルス信号ＤＭＹ＿ＰＬＳは、真正の微分波から８サンプリング時間および（２５６−Ｎ）サンプリング時間の和だけ遅延したタイミングで生成されるため、擬似微分波もこのタイミングで加算器７４に入力される。

加算器７４には、さらに、真正の微分波を２５６サンプリング時間分遅延させた微分波が入力される。すなわち、擬似微分波からＮサンプリング時間分遅延したタイミングで真正の微分波が加算器７４に入力される。加算器７４は、遅延後の真正の微分波と擬似微分波とを加算することにより、真正の微分波と擬似微分波との合成波を生成する。

ここで、擬似微分波挿入部４２において、（２５６−Ｎ）サンプル遅延部６２における「Ｎ」は、図４に示すように、合成波において、擬似微分波と真正の微分波とが部分的に重なり合うように設定される。これによると、真正の微分波の時間波形において微分波の密度が低い状態（デッドタイム率が小さい状態）のときに、微分波の直前に擬似微分波を挿入することができるため、微分波の密度が高い状態（デッドタイム率が大きい状態）を擬似的に作り出すことができる。したがって、真正の微分波の密度（デッドタイム率）に依存することなく、波形変換デジタルフィルタ４６に入力される微分波を、常に密度が高い状態（デッドタイム率が大きい状態）に加工することができる。

図５は、擬似微分波挿入部４２から出力される真正の微分波および擬似微分波の合成波と、この合成波を波形変換して生成される台形波とを模式的に示す波形図である。図５の上段に示す微分波の時間波形において、実線は真正の微分波の時間波形を示し、破線は擬似微分波の時間波形を示す。図５の下段に示す台形波の時間波形において、実線は真正の微分波に対応する台形波の時間波形を示し、破線は擬似微分波に対応する台形波の時間波形を示す。

図５と図１３とを比較すると、図５においては、微分波の密度が高い状態（デッドタイム率が大きい状態）を擬似的に作り出すことで、真正の微分波を変換した台形波の波高値が１００＋ａにシフトしている。その結果、図５では、真正の微分波に対応する台形波の波高値がすべて１００＋ａに揃っている。これによると、真正の微分波の密度に依存して台形波の波高値がばらつくことを抑制することができる。

ただし、台形波の波高値がシフトした状態で波高分布図を作成すると、波高値のシフト量に起因してピークの出現位置が本来の出現位置からずれてしまう。そこで、信号処理装置４０では、波形変換デジタルフィルタ４６よりも後段のゲイン／オフセット調整部５０において、シフト量ａを相殺するための校正を行なうことで、波高分布図におけるピークの出現位置のずれの発生を抑制する。

また、擬似微分波に対応する台形波のピークを含めた状態で波高分布図を作成すると、Ｘ線エネルギＥの計数値が本来の計数値よりも大きくなってしまう。そこで、信号処理装置４０では、擬似微分波が挿入されるタイミングに対応してパルス信号ＤＭＹ＿ＰＬＳを発生させ、このパルス信号ＤＭＹ＿ＰＬＳをピーク検出器５２に出力する。ピーク検出器５２は、パルス信号ＤＭＹ＿ＰＬＳが入力されるタイミングでは、台形波におけるピークを検出しないこととする。これにより、擬似微分波の挿入による計数値のずれを解消することができる。

また、ヒストグラムメモリ５４では、デッドタイムを計測するが、パルス信号ＤＭＹ＿ＰＬＳが入力されるタイミングでは、デッドタイムを計数しないこととする。

図６は、真正の微分波と擬似微分波との合成波および台形波の波形図および、擬似微分波挿入部で生成されるパルス信号ＤＭＹ＿ＰＬＳの波形図である。

図６において、真正の微分波に対応する台形波は実線で囲まれ、擬似微分波に対応する台形波は破線で囲まれている。擬似微分波が挿入されるタイミングに対応して、パルス信号ＤＭＹ＿ＰＬＳが発生している。なお、図中の信号／Ｕ＿ＴＯＰ／ＶＡＬＩＤは、真正の微分波のタイミングに対応して発生する信号である。信号／Ｕ＿ＴＯＰ／ＢＵＳＹは、デッドタイムを示す信号である。いずれの信号も擬似微分波が挿入されるタイミングでは発生していない。

次に、上述した擬似微分波挿入部４２の有効性について検証を行なった結果について説明する。

擬似微分波挿入部４２の有効性がよく分かるように、波形変換デジタルフィルタ４６の前段のオフセット補正部４４におけるオフセット補正値を過剰に設定した。ＡＤＣ２０から出力される微分波のベースラインがセンター値となっているが、オフセット補正部４４は、０値がベースラインとなるように、微分波を減算するように構成される。波形変換デジタルフィルタ４６は、初期値が０値であることを前提としているため、０値付近をベースラインとしないと、正しく動作しないためである。また、波形変換デジタルフィルタ４６は、符号無値を入力としているため、オフセット補正値を過剰に設定して（余分に減算して）ベースラインをマイナス値とする。なお、マイナス値は０に丸められる。

このようにすると、擬似微分波挿入部４２を持たない従来のエネルギ分散型蛍光Ｘ線分析装置（図１１参照）では、微分波の密度が低い状態（デッドタイム率が小さい状態）のときには、波高分布図において、真正の微分波の正規の波高値と、正規の波高値よりも小さい波高値との２箇所にスペクトルのピークが立つことが予想される。これに対して、擬似微分波挿入部４２を有する本実施の形態に従うエネルギ分散型蛍光Ｘ線分析装置（図１参照）では、波高分布図におけるスペクトルのピークが１箇所となるはずである。

検証は、図示しないテスト波形発生部において、デッドタイム率が６％の微分波と、デッドタイム率が２２％の微分波とを生成した。また、オフセット補正部４４におけるオフセット補正値を適正値（例えば１４ビットでセンター値の２０００ｈ）とする条件と、オフセット補正値を過剰値（例えば１４ビットで２０４０ｈ）とする条件とを設定した。図７に検証条件を示す。検証では、擬似微分波挿入部４２を持たない信号処理装置４０Ａを用いて１０秒間スペクトルを取得するとともに、擬似微分波挿入部４２を有する信号処理装置４０を用いて１０秒間スペクトルを取得した。

図８は、オフセット補正値が適正値（２０００ｈ）であるときの検証結果を示す図である。図８を参照して、デッドタイム率が６％のとき、およびデッドタイム率が２２％のときのいずれにおいても、擬似微分波挿入部４２が無い場合と擬似微分波挿入部４２が有る場合とで、略同じ結果が得られた。これは、擬似微分波挿入部４２が結果に影響を与えていないことを意味する。

図９および図１０は、オフセット補正値が過剰値（２０４０ｈ）であるときの検証結果を示す図である。図９および図１０は、デッドタイム率が６％のときの波高分布図である。図９は波高値が１００ｃｈ付近のスペクトルであり、図９（ａ）は擬似微分波挿入部４２が無い場合のスペクトルを示し、図９（ｂ）は擬似微分波挿入部４２が有る場合のスペクトルを示す。図９は波高値が１９１６ｃｈ付近のスペクトルであり、図１０（ａ）は擬似微分波挿入部４２が無い場合のスペクトルを示し、図１０（ｂ）は擬似微分波挿入部４２が有る場合のスペクトルを示す。なお、各スペクトルは横軸を波高値（蛍光Ｘ線エネルギＥ）とし、縦軸を元素の含有量（強度）とする。

図９（ａ）に示されるように、擬似微分波挿入部４２が無い場合には、波高値が９２ｃｈ付近および１００ｃｈ付近の２箇所にピークが立っている。擬似微分波挿入部４２を設けることで、図９（ｂ）に示されるように、ピークは波高値が１００ｃｈ付近の１箇所に集約される。

図１０（ａ）においても同様に、擬似微分波挿入部４２が無い場合には、波高値が１９０９ｃｈ付近および１９１６ｃｈ付近の２箇所にピークが立っている。擬似微分波挿入部４２を設けることで、図１０（ｂ）に示されるように、ピークは波高値が１９１６ｃｈ付近の１箇所に集約される。

以上説明したように、本発明の実施の形態に従うＸ線分析用信号処理装置によれば、同じ蛍光Ｘ線エネルギであるにもかかわらず、微分波の密度（デッドタイム率）によってピークの出現位置がシフトしてしまうことを抑制することができる。この結果、エネルギ分解能を高めることができる。

なお、上述した実施の形態に従うエネルギ分散型蛍光Ｘ線分析装置では、波形変換デジタルフィルタ４６は、入力された微分波デジタル信号を台形波デジタル信号に変換する構成を例示したが、入力された微分波デジタル信号を三角波デジタル信号に変換するような構成としてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ Ｘ線管球、１２ エネルギ分散型分光器（検出器）、１４ プリアンプ、１６ 微分回路、１８ アンプ、２０ ＡＤＣ、３０ ＣＰＵ、４０，４０Ａ Ｘ線分析用信号処理装置（信号処理装置）、４２ 擬似微分波挿入部、４４ オフセット補正部、４６ 波形変換デジタルフィルタ、４８ ベースライン補正部、５０ ゲイン／オフセット調整部、５２ ピーク検出器、５４ ヒストグラムメモリ、６０ ８サンプル遅延部、６２ ２５６サンプル遅延部、６４ 立上り検出部、６６ （２５６−Ｎ）サンプル遅延部、６８ 微分波無期間計測部、７０ 論理積回路、７２ 微分波コア部、７４ 加算器。

Claims (6)

1. Ｘ線検出器で検出された階段波を微分波に変換する微分回路と、
   前記微分波を台形波または三角波に変換するデジタルフィルタと、
   前記台形波または三角波におけるピークの波高値を計数するピーク検出器と、
   前記微分回路および前記デジタルフィルタの間に配置され、前記微分回路から与えられる真正の微分波に対して擬似微分波を挿入するように構成された擬似微分波挿入部とを備える、Ｘ線分析用信号処理装置。
2. 前記擬似微分波挿入部は、
   前記真正の微分波の立上りを検出して検出信号を出力する立上り検出部と、
   前記真正の微分波を第１の時間遅延させる第１の遅延部と、
   前記検出信号を前記第１の時間よりも短い第２の時間遅延させる第２の遅延部と、
   前記擬似微分波を発生する擬似微分波生成部とを含み、
   前記擬似微分波生成部は、前記第２の時間内に前記立上り検出部にて次の真正の微分波の立上りが検出されない場合には、前記第２の遅延部から出力される前記検出信号をトリガとして前記擬似微分波を発生するように構成され、
   前記擬似微分波挿入部はさらに、前記第１の遅延部にて遅延させた前記真正の微分波に、前記擬似微分波を加算する加算部を含む、請求項１に記載のＸ線分析用信号処理装置。
3. 前記擬似微分波挿入部は、前記第２の遅延部から出力される前記検出信号をトリガとしてワンショットのパルス信号を発生するように構成され、
   前記ピーク検出器は、前記パルス信号が入力されるタイミングでは、前記台形波または三角波におけるピークの波高値を計数しない、請求項２に記載のＸ線分析用信号処理装置。
4. 前記デジタルフィルタおよび前記ピーク検出器の間に配置され、前記デジタルフィルタから与えられる前記台形波または三角波の波高値を校正するための調整部をさらに備える、請求項２または３に記載のＸ線分析用信号処理装置。
5. 前記第１の時間は、１つの前記台形波が形成される時間を含むように設定され、
   前記第２の時間は、前記第１の時間との時間差が、１つの前記台形波が形成される時間よりも短くなるように設定される、請求項２から４のいずれか１項に記載のＸ線分析用信号処理装置。
6. 前記擬似微分波生成部は、前記加算部に対して互いに並列に接続された複数の擬似微分波生成器を有する、請求項２から５のいずれか１項に記載のＸ線分析用信号処理装置。

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