JP3582166B2 - Soft X-ray tomography - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工業材料中の不純物,欠陥,密度などの空間分布を非破壊的に調べるための断層撮影(CT:コンピュータ・トモグラフィ)法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
主に0.1Åから1Åまでの範囲内の波長を有するX線を用いた従来の断層撮影法として、X線管球からのX線を用いるものや、SR科学技術情報Vol.4,No.12(1994)pp.11−17に紹介されているように放射光から得られた単色X線を用いるものがある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
従来は、前述のように、X線断層写真法として0.1Å〜1Åの範囲内の比較的短い波長を有するX線を用いているので、プラスチックやゴムなどの軽元素材料中の欠陥などを高いコントラストで撮影することができなかった。
【0004】
このような先行技術における課題に鑑み、本発明は、ゴムやプラスチックなどの軽元素材料中においても不純物,欠陥,密度などの空間分布を非破壊的に調べることができるX線断層撮影法を提供することを目的としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明による軟X線断層撮影法においては、蓄積電子エネルギが1GeV以下の小型のシンクロトロン放射装置から放射されたシンクロトロン放射光に対してシリコンの(111)面を用いることによって1Åを越えて10Åまでの範囲内にある波長を有する軟X線に単色化し、その単色化された軟X線を用いて物体の断層像を撮影することを特徴としている。
【0008】
発明による軟X線断層写真法においては、1Åを超えて10Åまでの範囲内にある波長を有する軟X線を用いて断層撮影されるので、プラスチックやゴムなどの軽元素材料内における不純物、欠陥、密度などの空間分布を高いコントラストで非破壊的に検知することができる。
【0009】
シリコンの(111)面を用いることによって、所望の波長を有する軟X線を抽出することができる。
【0010】
シンクロトロン放射光は種々の波長を有するX線を含む白色X線であるので、シリコンの(111)面を用いることによって所望の波長を有する軟X線を得ることができる。
【0011】
1GeV以下の蓄積電子エネルギを有する小型のシンクロトロン放射光装置からの放射光は短い波長のX線を含まないので、シリコンの(111)面を用いて単色化された軟X線を得る場合に、その単色X線の波長の整数分の1の波長を有する高次の回折X線が混入することを防止することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
図1は、X線の波長がX線の物質透過率に及ぼす影響を示すグラフである。図1のグラフにおいて、横軸は物質の密度または原子番号を表わし、縦軸はその物質を透過するX線についての単位長さあたりの透過率(%)を表わしている。また、曲線1Aは、0.1Å〜1Åの範囲内の波長λを有するX線の透過率の典型例を表わし、曲線1Bは1Å〜10Åの範囲内の波長λを有するX線の透過率の典型例を表わしている。
【0014】
X線断層写真は、透過物体の断面におけるX線透過率の分布を表わすものである。すなわち、X線透過率の違いが、断面像の濃淡として読取られる。
【0015】
今、図1に示されているように、互いに密度が少し異なる同じ元素からなる2つの物質AとBがあるとすれば、0.1Å〜1Åの範囲内の波長を有する硬X線を用いた場合には、符号Tで示されているように単位長さあたりのX線透過率にほとんど差がないので、物質AとBの判別は極めて困難である。しかし、1Å〜10Åの範囲内の波長を有する軟X線を用いれば、符号Tで示されているように両物質AとBとの間においてX線透過率の差が大きくなるので、それらの物質の判別を容易にすることができる。
【0016】
このとき、シリコン単結晶などを用いた回折現象を利用して単色化された軟X線を用いることによって、密度や原子番号の差に基づくコントラスト分解能を高めることができる。
【0017】
また、シンクロトロン放射光は強度の高い白色X線を含んでいるので、シンクロトロン放射光から単色化されたX線を用いることによって短い時間で断層写真を撮影することができる。
【0018】
ところで、シンクロトロン放射光は、それを射出するシンクロトロン放射光装置における蓄積電子エネルギによって異なる放射光スペクトル分布を有している。
【0019】
図2は、シンクロトロン放射光装置の蓄積電子エネルギとシンクロトロン放射光に含まれるX線の特性との関係を示すグラフである。図2のグラフにおいて、横軸はシンクロトロン放射光に含まれるX線の波長(Å)を表わし、縦軸はそれぞれの波長のX線強度(相対値)を表わしている。また、曲線2Aは1GeVを越える蓄積電子エネルギを有する中型または大型のシンクロトロン放射光装置からの放射光を表わし、曲線2Bは1GeV以下の蓄積電子エネルギを有する小型のシンクロトロン放射光装置からの放射光を表わしている。一方、結晶を用いた回折現象によって図2に示されているような白色X線の単色化を行なう場合、所望の単色波長の1/2,1/3などの高次の波長を有するX線が高次反射によって必ず含まれることになる。
【0020】
たとえば、図2において4Åの波長を有する単色X線を得ようとする場合、小型のシンクロトロン放射光装置からの放射光内には4Åの1/2または1/3などの波長を有するX線は少ししか含まれていないので、4Åの波長を有する軟X線のみを主に抽出することができるが、中型または大型のシンクロトロン放射光装置からの放射光内には高次反射を生じ得る高い強度の短波長X線が含まれているので、単色化のための結晶を通過した後においても、従来用いられていた0.1Å〜1Åの範囲内の短い波長を有する硬X線が含まれることを避けることができない。
【0021】
したがって、軟X線断層撮影法には、1GeV以下の蓄積電子エネルギを有する小型のシンクロトロン放射光装置を利用することが望ましい。
【0022】
なお、X線管球からの白色X線を単色化して軟X線断層撮影法に用いることもできる。この場合、X線管球からは白色X線の強度はシンクロトロン放射光装置からの白色X線に比べて強度が低いが、X線発生装置がコンパクトであるので、軟X線断層撮影を簡易に行なうことが可能になる。
【0023】
図3は、本発明による軟X線断層撮影法の実施例を示している。図3において、シンクロトロン1の電子軌道上に設けられた偏向電磁石2の作用によって、ビームライン3内にシンクロトロン放射光が射出される。シンクロトロン1としては、住友電気工業播磨研究所に設置されている超電導小型SR装置NIJI−3を用いることができる。ビームライン3内には、あらゆる波長のX線を含む白色X線が導入され、2結晶分光器4によって単色化される。単色化された軟X線は試料回転装置5内へ導入される。試料回転装置5内には、X線によって透過されて断層写真を撮影されるべき試料が試料回転機構上に設置されている。試料回転装置5内の試料を透過したX線は、軟X線撮像装置6内へ導かれ、断層写真が撮影される。
【0024】
図3に示されているような軟X線断層撮影システムを用いて3Åの波長を有する軟X線によってポリエチレンの断層像を撮影して再生したところ、10μmの直径を有する球状の空孔を観測することができた。なお、従来の硬X線断層写真法においては、同様の撮影条件において200μm程度の直径を有する大きな空孔しか観測することができない。
【0025】
【発明の効果】
以上のように、本発明による軟X線断層撮影法を用いれば、1Åを越えて10Åまでの範囲内にある比較的長い波長を有する軟X線を用いて断層撮影されるので、コントラスト分解能が向上する。したがって、本発明による軟X線断層撮影法によって、ポリエチレンなどの軽元素材料中の空孔や繊維またはセラミックスやゴム製品中の微小な欠陥や密度の不均一を高い精度で観測することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】異なる密度または原子番号を有する物質を透過するX線の単位長さあたりの透過率に及ぼすX線の波長の影響を表わしたグラフである。
【図2】シンクロトロン放射光装置の蓄積電子エネルギの相違が放射光に含まれるX線の波長と強度に及ぼす影響を示すグラフである。
【図3】本発明による軟X線断層撮影法を実施するための軟X線断層撮影システムを概略的に示すブロック図である。
【符号の説明】
1 シンクロトロン
2 偏向電磁石
3 ビームライン
4 2結晶分光器
5 試料回転装置
6 軟X線撮像装置
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a tomography (CT: computer tomography) method for nondestructively examining a spatial distribution of impurities, defects, density and the like in industrial materials.
[0002]
[Prior art]
Conventional tomographic methods using X-rays having wavelengths mainly in the range of 0.1 ° to 1 ° include methods using X-rays from an X-ray tube, and SR Science and Technology Information Vol. 4, No. 12 (1994) pp. Some use monochromatic X-rays obtained from synchrotron radiation as introduced in 11-17.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Conventionally, as described above, as X-ray tomography, X-rays having a relatively short wavelength in the range of 0.1 to 1 mm are used, so that defects in light element materials such as plastic and rubber can be eliminated. I could not shoot with high contrast.
[0004]
In view of such problems in the prior art, the present invention provides an X-ray tomography method capable of non-destructively examining the spatial distribution of impurities, defects, and densities even in light element materials such as rubber and plastic. It is intended to be.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In soft X-ray tomography according to the present invention, beyond 1Å by using (111) plane of the silicon with respect to stored electrons energy emitted from the synchrotron radiation apparatus the following small 1GeV synchrotron radiation It is characterized in that it is monochromaticized into soft X-rays having a wavelength within a range of up to 10 °, and a tomographic image of an object is photographed using the softened X-rays .
[0008]
In the soft X-ray tomography according to the present invention, since tomography is performed using soft X-rays having a wavelength in the range of more than 1 ° to 10 °, impurities in light element materials such as plastics and rubbers, Spatial distribution such as defects and density can be detected non-destructively with high contrast.
[0009]
By using the (111) plane of silicon, soft X-rays having a desired wavelength can be extracted.
[0010]
Since synchrotron radiation is white X-rays including X-rays having various wavelengths, soft X-rays having a desired wavelength can be obtained by using the (111) plane of silicon.
[0011]
Since the radiation from a small synchrotron radiation device having a stored electron energy of 1 GeV or less does not include short-wavelength X-rays, it is necessary to obtain monochromatic soft X-rays using the (111) plane of silicon. In addition, it is possible to prevent higher-order diffracted X-rays having a wavelength that is a fraction of the wavelength of the monochromatic X-ray from being mixed.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a graph showing the influence of the wavelength of X-rays on the material transmittance of X-rays. In the graph of FIG. 1, the horizontal axis represents the density or atomic number of a substance, and the vertical axis represents the transmittance (%) per unit length of X-rays passing through the substance. Curve 1A represents a typical example of the transmittance of X-rays having a wavelength λ in the range of 0.1 ° to 1 °, and curve 1B represents the transmittance of X-rays having a wavelength λ in the range of 1 ° to 10 °. This shows a typical example.
[0014]
The X-ray tomographic image shows the distribution of the X-ray transmittance in the cross section of the transmitting object. That is, the difference in the X-ray transmittance is read as the density of the cross-sectional image.
[0015]
Now, as shown in FIG. 1, if there are two substances A and B made of the same element having slightly different densities, a hard X-ray having a wavelength in the range of 0.1 ° to 1 ° is used. If you were, since almost no difference in the X-ray transmittance per unit length as indicated at T 1, determination of substances a and B it is very difficult. However, the use of soft X-rays having a wavelength in the range of 1A~10A, the difference in X-ray transmittance increases between the two substances A and B as indicated by reference numeral T 2, they Can be easily identified.
[0016]
At this time, by using a soft X-ray monochromatized by utilizing a diffraction phenomenon using a silicon single crystal or the like, a contrast resolution based on a difference in density or atomic number can be increased.
[0017]
In addition, since the synchrotron radiation includes high-intensity white X-rays, a tomographic photograph can be taken in a short time by using monochromatic X-rays from the synchrotron radiation.
[0018]
Incidentally, the synchrotron radiation light has a radiation light spectrum distribution that differs depending on the stored electron energy in the synchrotron radiation device that emits the synchrotron radiation light.
[0019]
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the stored electron energy of the synchrotron radiation device and the characteristics of X-rays contained in the synchrotron radiation. In the graph of FIG. 2, the horizontal axis represents the wavelength (Å) of X-rays contained in the synchrotron radiation, and the vertical axis represents the X-ray intensity (relative value) of each wavelength. Curve 2A represents radiation from a medium or large synchrotron radiation device having a stored electron energy exceeding 1 GeV, and curve 2B represents radiation from a small synchrotron radiation device having a stored electron energy of 1 GeV or less. Represents light. On the other hand, when a monochromatic white X-ray as shown in FIG. 2 is performed by a diffraction phenomenon using a crystal, an X-ray having a higher order wavelength such as 1/2, 1/3 of a desired monochromatic wavelength is used. Is necessarily included by higher-order reflection.
[0020]
For example, in the case of obtaining monochromatic X-rays having a wavelength of 4 ° in FIG. 2, X-rays having a wavelength such as Å or Å of 4 ° are included in the radiation from a small synchrotron radiation device. , Which can mainly extract only soft X-rays having a wavelength of 4 °, but may cause higher-order reflections in the radiation from medium- or large-sized synchrotron radiation devices. Since high-intensity short-wave X-rays are included, even after passing through a crystal for monochromatization, hard X-rays having a short wavelength within the range of 0.1 to 1 ° conventionally used are included. Cannot be avoided.
[0021]
Therefore, it is desirable to use a small synchrotron radiation device having a stored electron energy of 1 GeV or less for soft X-ray tomography.
[0022]
In addition, white X-rays from an X-ray tube can be monochromatic and used for soft X-ray tomography. In this case, the intensity of white X-rays from the X-ray tube is lower than the intensity of white X-rays from the synchrotron radiation device, but the X-ray generator is compact, so soft X-ray tomography can be simplified. Can be performed.
[0023]
FIG. 3 shows an embodiment of the soft X-ray tomography according to the present invention. In FIG. 3, synchrotron radiation light is emitted into a beam line 3 by the action of a bending electromagnet 2 provided on an electron orbit of a synchrotron 1. As the synchrotron 1, a superconducting small SR device NIJI-3 installed at the Harima Research Institute, Sumitomo Electric Industries, Ltd. can be used. White X-rays including X-rays of all wavelengths are introduced into the beam line 3 and are made monochromatic by the two-crystal spectroscope 4. The monochromatic soft X-ray is introduced into the sample rotating device 5. In the sample rotation device 5, a sample to be transmitted through X-rays and to be photographed tomographically is installed on a sample rotation mechanism. The X-ray transmitted through the sample in the sample rotating device 5 is guided into the soft X-ray imaging device 6, and a tomographic photograph is taken.
[0024]
Using a soft X-ray tomography system as shown in FIG. 3, a tomographic image of polyethylene was taken and reproduced by soft X-rays having a wavelength of 3 °, and spherical voids having a diameter of 10 μm were observed. We were able to. In the conventional hard X-ray tomography, only large holes having a diameter of about 200 μm can be observed under the same imaging conditions.
[0025]
【The invention's effect】
As described above, when the soft X-ray tomography according to the present invention is used, tomography is performed using soft X-rays having a relatively long wavelength in the range of more than 1 ° to 10 °, so that the contrast resolution is improved. improves. Therefore, by the soft X-ray tomography according to the present invention, it is possible to observe minute defects and non-uniformity in density in pores and fibers in light element materials such as polyethylene or ceramics and rubber products with high accuracy. Become.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing the influence of the wavelength of X-rays on the transmittance per unit length of X-rays penetrating materials having different densities or atomic numbers.
FIG. 2 is a graph showing the effect of a difference in stored electron energy of a synchrotron radiation device on the wavelength and intensity of X-rays contained in radiation.
FIG. 3 is a block diagram schematically showing a soft X-ray tomography system for performing a soft X-ray tomography method according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Synchrotron 2 Bending electromagnet 3 Beam line 4 2 Crystal spectroscope 5 Sample rotation device 6 Soft X-ray imaging device

Claims (1)

蓄積電子エネルギが1GeV以下の小型のシンクロトロン放射装置から放射されたシンクロトロン放射光に対してシリコンの(111)面を用いることによって1Åを超えて10Åまでの範囲内にある波長を有する軟X線に単色化し、その単色化された軟X線を用い物体の断層像を撮影することを特徴とする軟X線断層撮影法。 By using a silicon (111) plane for synchrotron radiation emitted from a small synchrotron radiation device having a stored electron energy of 1 GeV or less , a soft X having a wavelength in the range of more than 1 ° to 10 ° is used. A soft X-ray tomography method characterized by monochromaticizing a line and taking a tomographic image of an object using the monochromatic soft X-ray.
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