JP3950866B2 - Ｘ線分析装置及びその分析方法 - Google Patents

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Description

この発明は、励起された分析試料から放出されるＸ線を放射線検出器で検出し、分析試料の元素分析及び解析を行なうＸ線分析技術に係り、特に、放射線検出器周囲のバックグラウンド放射線及び分析試料自体から放出されるバックグラウンド放射線の影響を低減するＸ線分析装置及びその分析方法に関する。
Ｘ線分析装置としてのエネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置（以下、「ＥＤ−ＸＲＦ」という。）は、試料にＸ線を照射するＸ線源と、試料中の元素から放出される蛍光Ｘ線を検出する放射線検出器、例えば半導体検出器と、この半導体検出器からの出力信号を整形する波形整形回路と、この波形整形回路を介してＸ線検出信号のエネルギースペクトルを得るマルチチャンネルアナライザ（以下、「ＭＣＡ」という。）と、このＭＣＡの波高分布データに基づき、分析試料の元素分析及び解析を行なう元素分析器とを有している（例えば、特許文献１参照。）。
ＥＤ−ＸＲＦでは、試料中に含まれる元素にＸ線を照射した場合、励起された元素から特有の蛍光Ｘ線が放出される。よって、予め、元素既知である標準試料にＸ線を照射して、標準試料のエネルギー分布を測定する。そして、元素未知である分析試料にＸ線を照射して、分析試料中の元素から放出される蛍光Ｘ線を半導体検出器にて検出する。この半導体検出器の出力パルスを、アナログ回路にて波高値がエネルギーに比例するような電圧パルスに整形する。パルス波高値をＡ／Ｄ変換し、高さ分布を求めることでＸ線のエネルギー分布を測定する。標準試料によって予め測定されたエネルギー分布と、分析試料によって測定されたエネルギー分布とを比較することで、分析試料の元素分析及び解析を可能とする。
ＥＤ−ＸＲＦによると、分析試料を構成する多数の元素を同時に分析することができる。例えば短時間での定性分析を行なうＥＤ−ＸＲＦは、電気・電子製品中の鉛フリーはんだと鉛含有はんだ基板を弁別する際に用いられる（例えば、特許文献２参照。）。ＥＤ−ＸＲＦは、ベルトコンベアによって分析試料を運搬し、運搬される分析試料を順次に分析する構成となっている。
図１４は、従来のエネルギー分散型Ｘ線分析装置であって、Ｓｉ半導体検出器７１と蛍光Ｘ線ｂの反応を示す概略図である。
図１４は、半導体検出器としての薄型のＳｉ半導体検出器７１を示し、このＳｉ半導体検出器７１には、陽極７２及び陰極７３によって狭持された薄膜のＳｉ単結晶７４と、このＳｉ単結晶７４を支持するための支持基板７５とが備えられる。
Ｓｉ単結晶７４の厚さは、分析試料の元素（図示しない）から放出された蛍光Ｘ線ｂがＳｉ単結晶７４内部にて反応して消滅するように選定される。通常、分析試料の元素分析に用いる蛍光Ｘ線ｂは約３０ｋｅＶ以下のエネルギーをもつため、Ｓｉ単結晶７４の厚さを、例えば約３００μｍとすることで、約３０ｋｅＶ以上の高エネルギーをもつ、分析装置周囲の放射線（以下、「ＢＧ（バックグラウンド）放射線」という。）ｄが検出しにくい構造となっている。
また、図１４に示された蛍光Ｘ線分析装置の他に、Ｘ線のエネルギーを測定し分析する手法として、Ｘ線の吸収特性から内部の構造を解析するＸ線吸収分光法（ＸＡＦＳ）、Ｘ線の反射，散乱成分の強度分布より構造解析を行なうＸ線回析又はＸ線応力解析等がある。
特開平１０−３１８９４６号公報（第４頁−第５頁、図１） 特開２００２−３１０９５２号公報（第１１頁−第１６頁、図１）
図１４に示された従来の薄型のＳｉ半導体検出器７１を用い、約３０ｋｅＶ以上をもつＢＧ放射線ｄのうち、約１００ｋｅＶ以下のＢＧ放射線ｄ１がＳｉ半導体検出器７１に入射されたとする。ＢＧ放射線ｄ１は、Ｓｉ単結晶７４内部で反応してＳｉ単結晶７４から放出されるが、ＢＧ放射線ｄ１のエネルギーの一部、例えば２０ｋｅＶがＳｉ単結晶７４に付与される。そして、ＢＧ放射線ｄ１の一部のエネルギー約２０ｋｅＶに相当する誘導電荷量が出力されて誤パルスとなる。
加えて、ＢＧ放射線ｄのうち、約１００ｋｅＶ以下のＢＧ放射線ｄ２は、支持基板７５にて散乱し、その散乱成分がＳｉ単結晶７４に入射する。ＢＧ放射線ｄ２の散乱成分は、Ｓｉ単結晶７４内部にて反応し、ＢＧ放射線ｄ２のエネルギーの一部がＳｉ単結晶７４に付与される。そして、ＢＧ放射線ｄ２の一部のエネルギーに相当する誘導電荷量が出力されて誤パルスとなる。
よって、Ｓｉ半導体検出器７１にＢＧ放射線ｄ１，ｄ２が入射された場合、Ｓｉ単結晶７４内部におけるＢＧ放射線ｄ１，ｄ２の反応によって、ＢＧ放射線ｄ１，ｄ２のもつエネルギーの一部がＳｉ単結晶７４に付与される。したがって、Ｓｉ半導体検出器７１から出力されるパルスには、蛍光Ｘ線ｂの反応に起因するパルスと、ＢＧ放射線ｄ１，ｄ２の反応に起因する誤パルスとが混在しており、ＢＧ放射線が存在する環境にて動作するには低いＳ／Ｎ比であった。
また、従来のＥＤ−ＸＲＦは、分析試料である電子基板を順次交換し、なるべく早く分析対象となる元素の含有量を算出し、又は、ある基準値以上であることを検出する必要がある。よって、強力なＸ線源で分析試料を照射することが望まれるが、一方で、照射Ｘ線に伴う散乱線を低減して検出下限を改善する必要がある。
検出下限の改善のために、Ｓｉ半導体検出器７１の周囲からのＢＧ放射線ｄを遮蔽して、Ｓｉ半導体検出器７１に入射するＢＧ放射線ｄを低減することが考えられる。ところが実際には、分析試料を順次交換するため、ベルトコンベア等の分析試料の運搬設備をもつので、分析試料とＥＤ−ＸＲＦとを一体として周囲から完全に遮蔽することは実用性に乏しい。よって、Ｘ線分析装置からＢＧ放射線ｄを完全に遮蔽することはできないので、一般的な蛍光Ｘ線分析よりもＢＧ放射線の影響が増加するという課題があった。
また、特に、原子炉の構造材の応力を測定する場合、構造材が放射化しているので、蛍光Ｘ線ｂの放出と共に、構造材自体から高エネルギーγ線が放出される。このため、構造材自体からの高エネルギーγ線の検出による誤パルスが生じる。
さらに、分析試料から放出される蛍光Ｘ線ｂは、原子が励起状態から基底状態に戻る際に、電子のエネルギー順位に差により生じる。ここで、原子のＫ殻、Ｌ殻のエネルギー順位に戻る際に発生するＸ線を、それぞれＫ−Ｘ線、Ｌ−Ｘ線と呼ぶ。
Ｋ−Ｘ線を発生した場合、Ｌ殻の電子が空位となる場合があり、その際、空位を埋めるために同時にＬ−Ｘ線が放出される。従来、約３０ｋｅＶ以下の蛍光Ｘ線ｂによって元素演算を行なっているため、重元素ではエネルギー約３０ｋｅＶ以上となるＫ−Ｘ線は測定できず、Ｌ−Ｘ線を用いて元素分析を実施していた。Ｌ−Ｘ線を用いた場合、異なる元素のＫ−Ｘ線とＬ−Ｘ線とがエネルギースペクトル上で重なることを防止するために、エネルギー分解能の高い測定系、例えば、分光器を用いた測定が必要とされていた。
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、分析装置周囲のＢＧ放射線の入射を遮蔽する必要がなく、ＢＧ放射線が存在する環境でも、高いＳ／Ｎ比で分析試料の元素分析及び解析を実施することができるＸ線分析装置及びその分析方法を提供することを目的とする。
また、本発明の第２の目的は、予め濃度既知の標準試料を用いて、複数元素に関する感度を測定する必要がなく、元素濃度の元素分析及び解析の煩雑さを低減できるＸ線分析装置及びその分析方法を提供することにある。
さらに、本発明の第３の目的は、水中に設置される放射化物試料の応力解析を実施することができるＸ線分析装置及びその分析方法を提供することにある。
本発明に係るＸ線分析装置は、上述した課題を解決するために、バックグラウンド放射線が存在する環境にて、Ｘ線源からＸ線を照射することによって分析試料から放出されるＸ線を放射線検出器で検出し、この放射線検出器から出力されるパルスを利用して前記分析試料の元素分析及び解析を行なうＸ線分析装置において、前記バックグラウンド放射線を検出できる厚さの検出素子を有する放射線検出器と、前記放射線検出器から出力されたパルスの波形によって前記検出素子における陰極から反応点までの距離である反応深さを演算し、この反応深さによって、前記パルスから誤パルスを除去する反応深さ演算手段とを備えた。
加えて、本発明に係るＸ線分析方法は、バックグラウンド放射線が存在する環境にて、励起された分析試料から放出されるＸ線を検出することによって出力されるパルスから前記分析試料の元素分析及び解析を行なうＸ線分析方法において、前記Ｘ線及びバックグラウンド放射線を検出してパルスを出力する第１の工程と、前記パルスの波形によって前記Ｘ線及びバックグラウンド放射線の検出素子における陰極から反応点までの距離である反応深さを演算し、この反応深さによって、前記パルスから前記バックグラウンド放射線の反応に起因する誤パルスを除去する第２の工程とを有する。
本発明に係るＸ線分析装置及びその分析方法によれば、分析装置周囲のＢＧ放射線の入射を遮蔽する必要がなく、ＢＧ放射線が存在する環境でも、高いＳ／Ｎ比で分析試料の元素分析及び解析を実施することができる。
また、本発明に係るＸ線分析装置及びその分析方法によれば、予め濃度既知の標準試料を用いて、複数元素に関する感度を測定する必要がなく、元素濃度の元素分析及び解析の煩雑さを低減できる。
さらに、本発明に係るＸ線分析装置及びその分析方法によれば、水中に設置される放射化物試料の応力解析を実施することができる。
本発明に係るＸ線分析装置及びその分析方法の実施形態について添付図面を参照して説明する。
なお、添付図面中、同一の構成要素には同一符号を付して重複した説明を省略する。
図１は、本発明に係るＸ線分析装置の第１の実施形態を示す概略図である。
図１は、ＢＧ（バックグラウンド）放射線が存在する環境に置かれ、分析試料１０の元素分析及び解析するためのＸ線分析装置１１を示す。ＢＧ放射線には、宇宙線、地中や建材中の放射性物質のような外部線源からの放射線、又は空気や食物中に放射性物質が存在することによる内部線源からの放射線がある。
Ｘ線分析装置１１には、照射Ｘ線ａを発生させるＸ線源１４と、分析試料１０から放出される蛍光Ｘ線ｂを含む放射線を検出する放射線検出器、例えばＣｄＴｅ半導体検出器１６とが備えられる。
Ｘ線源１４は、照射Ｘ線ａの発生方向を十分に絞ることが可能なものが用いられる。また、照射Ｘ線ａを集光するために、Ｘ線源１４の出射側に、例えば図示しないコリメータ、スリット、マイクロキャピラリーレンズ又はゾーンプレート等が設置される。また、照射Ｘ線ａのエネルギーを単色化するために、Ｘ線源１４の出射側に回析格子等が設置されてもよい。さらに、Ｘ線源１４からの特性Ｘ線を強調する場合若しくは除去する場合又はエネルギー分布を平坦にする場合、特定のエネルギーのＸ線を吸収するような適用なフィルタを設置することもある。
ＣｄＴｅ半導体検出器１６は、Ｘ線源１４から直接放射される照射Ｘ線ａと、分析試料１０から放出される散乱Ｘ線ｃとによる影響が少ない位置に設置される。分析試料１０におけるコンプトン散乱（トムソン散乱を含む）は、照射Ｘ線ａの入射方向に対して、放出角の方向依存性がある。一方、分析試料１０から放出される蛍光Ｘ線ｂはほぼ等方に放出される。例えば、エネルギーが約１００ｋｅＶの照射Ｘ線ａがＸ線源１４から照射される場合、照射Ｘ線ａの入射方向に対して、約９０度〜１２０度の位置にＣｄＴｅ半導体検出器１６が設置される。一方、例えば、エネルギーが約１００ｋｅＶより低い照射Ｘ線ａがＸ線源１４から照射される場合、約９０度以下の位置にＣｄＴｅ半導体検出器１６が設置される。
なお、放射線検出器として常温半導体検出器であるＣｄＴｅ半導体検出器１６を用いたが、ＣｄＴｅ半導体検出器１６に限定されるものではない。放射線検出器は、例えば液体窒素冷却型のＧｅ検出器、シリコンドリフト検出器又はＣＺＴ等のエネルギー分析可能なＸ線検出用の検出器でもよい。また、エネルギー分解能を改善するために放射線検出器に冷却装置を具備させ、液体窒素又はペルチェ素子等で冷却できるようにしてもよい。
また、分析試料１０とＣｄＴｅ半導体検出器１６の間に、コリメータ、スリット、マイクロキャピラリーレンズ又はゾーンプレート等が挿入される場合もある。
図２は、Ｘ線分析装置１１に備えられるＣｄＴｅ半導体検出器１６を示す拡大図である。
図２に示されたＣｄＴｅ半導体検出器１６は、図１に示されたＸ線分析装置１１に備えられるＣｄＴｅ半導体検出器１６を示す。このＣｄＴｅ半導体検出器１６には、支持基板２５と、陽極２７及び陰極２８によって狭持されるＣｄＴｅ単結晶２９とが設けられる。このＣｄＴｅ単結晶２９は、支持基板２５によって支持される。
また、ＣｄＴｅ単結晶２９は、陰極２８側の入射側エリア２９ｐと、陽極２７側の支持基板側エリア２９ｑからなる。入射側エリア２９ｐは、約３０ｋｅＶ以下の低エネルギーである蛍光Ｘ線ｂを吸収して消滅させるのに十分な厚さ、例えば約３００μｍ厚を有している。そして、入射側エリア２９ｐと支持基板側エリア２９ｑとが一体となったＣｄＴｅ単結晶２９は、約３０ｋｅＶ以上の高エネルギーであって約１００ｋｅＶ以下のエネルギーをもつＢＧ放射線ｄ、例えばＢＧ放射線ｄ１，ｄ２を消滅させるのに十分な厚さ、例えば約１ｍｍ厚を有している。なお、約１００ｋｅＶ以上の高エネルギーのＢＧ放射線ｄ、例えばＢＧ放射線ｄ３，ｄ４をＣｄＴｅ単結晶２９にて消滅させるためには、ＣｄＴｅ単結晶２９の厚さを約１ｍｍ厚以上とするものとする。
分析試料（図示しない）から放出される蛍光Ｘ線ｂと、種々の入射エネルギー及び入射角度をもつＢＧ放射線ｄは、電圧印加されたＣｄＴｅ単結晶２９の入射側エリア２９ｐ側から入射されるようになっている。
さらに、図１に示されたＸ線分析装置１１には、ＣｄＴｅ半導体検出器１６から出力される出力パルス１０１をパルス量に比例する電圧パルス１０２に変換・増幅する電荷有感型の増幅器、例えばプリアンプ１８と、電圧パルス１０２をデジタルデータに変換して未処理パルス１０３を得るＡ／Ｄ変換器１９と、未処理パルス１０３からＣｄＴｅ単結晶２９における反応深さを演算してこの反応深さの違いによって未処理パルス１０３から誤パルスを除去して一次処理パルス１０４を得る反応深さ演算手段２０と、パルス波高の違いによって一次処理パルス１０４から誤パルスを除去して二次処理パルス１０５を得る波高弁別器２１と、二次処理パルス１０５からエネルギー毎の計数を行ない、波高分布データ１０６を得るマルチチャンネルアナライザ（以下、「ＭＣＡ」という。）２２と、波高分布データ１０６から分析試料１０の元素分析、応力解析及び構造解析等を行なう元素分析器２３とが備えられる。
次いで、Ｘ線分析装置１１の処理動作について説明する。
図１に示されたＸ線分析装置１１に備えられるＸ線源１４にて発生したＸ線は、任意に集光された後、照射Ｘ線ａとして分析試料１０に照射される。分析試料１０に照射Ｘ線ａが照射されると、分析試料１０から蛍光Ｘ線ｂと、コンプトン散乱（トムソン散乱を含む）した散乱Ｘ線ｃとが放出される。蛍光Ｘ線ｂは、ＣｄＴｅ半導体検出器１６に入射し、ＣｄＴｅ半導体検出器１６によって検出される。
そして、図２に示されたＣｄＴｅ半導体検出器１６のように、陽極２７及び陰極２８によって電圧印加されたＣｄＴｅ単結晶２９に、分析試料１０から放出された蛍光Ｘ線ｂと、蛍光Ｘ線ｂより高いエネルギーをもつＢＧ放射線ｄとが入射する。
分析試料１０から放出された蛍光Ｘ線ｂは、エネルギーが低くＣｄＴｅ単結晶２９内部の入射側エリア２９ｐにて反応して消滅する。よって、ＣｄＴｅ半導体検出器１６に蛍光Ｘ線ｂが入射すると、蛍光Ｘ線ｂの反応によって蛍光Ｘ線ｂの全てのエネルギーがＣｄＴｅ単結晶２９に付与される。
一方、約１００ｋｅＶ以下のエネルギーをもつＢＧ放射線ｄ、例えばＢＧ放射線ｄ１，ｄ２は、ＣｄＴｅ単結晶２９内部にて多重散乱し、ＣｄＴｅ単結晶２９に全てのエネルギーを付与して消滅する。また、約１００ｋｅＶ以上のエネルギーをもつＢＧ放射線ｄ、例えばＢＧ放射線ｄ３，ｄ４は、ＣｄＴｅ単結晶２９内部にてエネルギーの一部を付与してＣｄＴｅ単結晶２９の外部に放出される。なお、ＢＧ放射線ｄ１，ｄ２は、図１４に示された薄型のＳｉ半導体検出器７１を用いた場合、エネルギーの一部をＳｉ半導体検出器７１に付与することになる。また、ＢＧ放射線ｄ３，ｄ４は、図１４に示された薄型のＳｉ半導体検出器７１を用いた場合、Ｓｉ半導体検出器７１にエネルギーを全く付与しないことになる。
蛍光Ｘ線ｂ及びＢＧ放射線ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４が付与したエネルギーに相当する波高を有する出力パルス１０１は、ＣｄＴｅ半導体検出器１６の電極から出力される。
図１に示されたＣｄＴｅ半導体検出器１６の電極にて検出された出力パルス１０１は、プリアンプ１８にて、パルス量に比例する電圧パルス１０２に変換・増幅される。変換・増幅された電圧パルス１０２は、Ａ／Ｄ変換器１９にてデジタルデータである未処理パルス１０３に変換される。この未処理パルス１０３は、反応深さ演算手段２０に入力される。
ここで、未処理パルス１０３には、ＢＧ放射線ｄ３，ｄ４の反応に起因する誤パルスが含まれるが、この誤パルスは、ＢＧ放射線ｄ３，ｄ４のもつエネルギーの一部に相当する波高を有する。よって、未処理パルス１０３のうち、蛍光Ｘ線ｂの反応に起因するパルスと、ＢＧ放射線ｄ３，ｄ４の反応に起因する誤パルスとを波高弁別器２１によって弁別することは困難である。
例えば１００ｋｅＶ以上のエネルギーをもつＢＧ放射線ｄ３，ｄ４は、ＣｄＴｅ半導体検出器１６に入射してＣｄＴｅ単結晶２９内部にて１次散乱し、ＣｄＴｅ単結晶２９内部にエネルギーの一部、例えば２０ｋｅＶを付与してＣｄＴｅ単結晶２９から放出される。ＢＧ放射線ｄ３，ｄ４の反応に起因する誤パルスの波高は２０ｋｅＶのエネルギーに相当する高さとなるので、誤パルスの波高と、約２０ｋｅＶ以下のエネルギーである蛍光Ｘ線ｂの反応に起因する波高とからパルスを弁別することは困難である。
よって、反応深さ演算手段２０によって、ＣｄＴｅ単結晶２９における反応深さ（陰極２８から反応点までの距離）の演算を行ない、蛍光Ｘ線ｂの反応に起因するパルスと、ＢＧ放射線ｄ３，ｄ４の反応に起因する誤パルスとの弁別を行なう。
反応深さ演算手段２０の反応深さ演算について説明する。
まず、図３に、ＣｄＴｅ半導体検出器１６のＣｄＴｅ単結晶２９内部にて、蛍光Ｘ線ｂが反応した場合のキャリアの移動を示す概略図を示す。
図３に示されたＣｄＴｅ半導体検出器１６では、ＣｄＴｅ単結晶２９の入射側エリア２９ｐにて、蛍光Ｘ線ｂが反応して消滅する。蛍光Ｘ線ｂが入射側エリア２９ｐにて反応して消滅すると、その反応点Ｏにてキャリア（電子・正孔）が発生する。発生した電子は反応点Ｏから陽極２７へ、正孔は陰極２８へそれぞれ移動（ドリフト）して電極にそれぞれ収集される。収集過程では、誘導電流が流れパルスとして出力される。
反応点Ｏから等しい電荷が移動した場合、積算電荷量は、電子及び正孔の収集時の移動距離に比例する。低エネルギーである蛍光Ｘ線ｂは、陰極２８側の入射側エリア２９ｐで反応し、電子の移動距離が長くなるので、積算電荷量は、電子の移動による誘導電荷が主成分となる（厳密には、ＣｄＴｅ単結晶２９内部に発生した正孔は移動に従って消滅するが、この消滅については説明を省くものとする。）。
ＣｄＴｅ半導体検出器１６のＣｄＴｅ単結晶２９内部にて、蛍光Ｘ線ｂが反応して消滅した場合のパルスの波形（積算電荷量Ｉ１の時系列変化）を示すグラフを図４に示す。
図４に示されたグラフは、図３に示されたＣｄＴｅ単結晶２９の入射側エリア２９ｐにて、約３０ｋｅＶ以下の低エネルギーをもつ蛍光Ｘ線ｂが反応した時を時間０として、電子成分（−）に係る誘導電荷量、正孔成分（＋）に係る誘導電荷量及び積算電荷量Ｉ１の時系列変化をそれぞれ示す。一般に、電荷積分型のプリアンプ１８を増幅器として用いた場合、プリアンプ１８は、電子成分に係る誘導電荷量及び正孔成分に係る誘導電荷量の積分値を出力する。積算電荷量Ｉ１は、電子成分に係る誘導電荷量と正孔成分に係る誘導電荷量との積算の誘導電荷量となる。
ＣｄＴｅ単結晶２９内部における反応直後の積算電荷量Ｉ１は、移動距離が長く移動速度の速い電子成分に係る誘導電荷量の増加に従って波高Ｌ１まで急激に増加する。一方、電子の移動が尽きると、積算電荷量Ｉ１は、移動距離が短く移動速度の遅い正孔成分に係る誘導電荷量の増加に従って波高Ｍ１まで緩やかに増加する。特に、電子の移動速度に比べ正孔の移動速度が遅いＣｄＴｅ半導体検出器１６を用いた場合、全ての電荷を収集するのに必要な時間は電子に比べ正孔が長くなる。電子に比べ正孔の移動速度は約１／１０以下である。
蛍光Ｘ線ｂの反応深さが浅く（陰極２８に近く）なる程、電子の移動距離が長くなり、積算電荷量Ｉ１が増加し、波高Ｌ１が高くなる。一方、蛍光Ｘ線ｂの反応深さが深く（支持基板側エリア２９ｑに近く）なる程、正孔の移動距離が長くなり、積算電荷量Ｉ１が増加し、波高Ｌ１が低くなる。
続いて、図５に、ＣｄＴｅ半導体検出器１６のＣｄＴｅ単結晶２９内部にて、ＢＧ放射線ｄ３が反応してＣｄＴｅ単結晶２９から放出された場合のパルスの波形（積算電荷量Ｉ２の時系列変化）を示すグラフを示す。
図５に示されたグラフは、図２に示されたＣｄＴｅ単結晶２９の支持基板側エリア２９ｑにて、高エネルギーであるＢＧ放射線ｄのうち約１００ｋｅＶ以上のエネルギーをもつＢＧ放射線ｄ３が１次散乱した時を時間０として、電子成分に係る誘導電荷量、正孔成分に係る誘導電荷量及び積算電荷量Ｉ２の時系列変化をそれぞれ示す。
積算電荷量Ｉ２は、移動距離の短い電子成分に係る誘導電荷量の増加に従って波高Ｌ２まで急激に増加する。一方、電子成分の移動が尽きると、積算電荷量Ｉ２は、移動距離の長い正孔成分に係る誘導電荷量の増加に従って波高Ｍ２まで緩やかに増加する。電子の移動速度は正孔の移動速度の約１０倍であるから、積算電荷量Ｉ２は波高Ｌ２まですぐに到達し、波高Ｌ２到達後、正孔成分に係る誘導電荷量の増加に従って緩やかに増加する。
よって、蛍光Ｘ線ｂの反応に起因するパルスと、ＢＧ放射線ｄ３の反応に起因する誤パルスとを、波高によって弁別することが困難な場合であっても、図４に示されたグラフの波形と、図５に示されたグラフの波形との違いによって、蛍光Ｘ線ｂの反応に起因するパルスと、ＢＧ放射線ｄ３の反応に起因する誤パルスとを弁別できる。
続いて、図６に、ＣｄＴｅ半導体検出器１６のＣｄＴｅ単結晶２９内部にて、ＢＧ放射線ｄ４が数回、例えば２回反応してＣｄＴｅ単結晶２９から放出された場合のパルスの波形（積算電荷量Ｉ３の時系列変化）を示すグラフを示す。
図６に示されたグラフは、図２に示されたＣｄＴｅ単結晶２９の入射側エリア２９ｐと支持基板側エリア２９ｑにて、高エネルギーであるＢＧ放射線ｄのうち約１００ｋｅＶ以上のエネルギーをもつＢＧ放射線ｄ４が１回目に反応した時を時間０として、誘導電荷量Ｉ３の時系列変化を示す。
ＢＧ放射線ｄ４が２回反応してＣｄＴｅ単結晶２９から放出された場合の積算電荷量Ｉ３の時系列変化は、積算電荷量Ｉ１と、積算電荷量Ｉ２との時系列変化を合成したものとなる。そして、電子と正孔の移動距離が等しい位置、つまり、ＢＧ放射線ｄ４が２回反応してＣｄＴｅ単結晶２９から放出された場合の時系列変化は、ＣｄＴｅ単結晶２９の重心位置で反応して消滅したときの時系列変化とほぼ同じ変化となる。
また、図１に示された反応深さ演算手段２０による反応深さの演算は、分解能を改善するために、２次微分により立ちあがりの変極点を求める手法も適用できる。また、立ち上がりの早い成分つまり電子成分を微分回路で選別し、第１の波高弁別回路で弁別すると共に、正孔成分も含めた信号の波高を第２の波高弁別回路で弁別し、両者の波高を用いて、反応深さを演算することも可能である。
図１に示された反応深さ演算手段２０にて、パルスの波形の違いによって、未処理パルス１０３からＢＧ放射線ｄ３，ｄ４の反応に起因する誤パルスを除去し、除去して得られた一次処理パルス１０４が波高弁別器２１に出力される。一次処理パルス１０４には、高エネルギーであり約１００ｋｅＶ以下のＢＧ放射線ｄ１，ｄ２に起因する誤パルスが含まれるが、この誤パルスは、ＢＧ放射線ｄ１，ｄ２のもつ全てのエネルギーに相当する波高を有する。よって、波高弁別器２１では、蛍光Ｘ線ｂの反応に起因するパルスと、ＢＧ放射線ｄ１，ｄ２の反応に起因する誤パルスとをパルス波高の違いから弁別できる。
例えば１００ｋｅＶのエネルギーをもつＢＧ放射線ｄのうちＢＧ放射線ｄ１がＣｄＴｅ単結晶２９の支持基板エリア２９ｑ内部にて１回散乱して２０ｋｅＶのエネルギーを支持基板エリア２９ｑに付与したとすると、入射側エリア２９ｐにて残りの８０ｋｅＶのエネルギーを付与して消滅する。また、ＢＧ放射線ｄのうちＢＧ放射線ｄ２が入射側エリア２９ｐ内部にて１回散乱して２０ｋｅＶのエネルギーを入射側エリア２９ｐに付与したとすると、支持基板エリア２９ｑにて残りの８０ｋｅＶのエネルギーを付与して消滅する。よって、厚膜のＣｄＴｅ単結晶２９を有する厚型のＣｄＴｅ半導体検出器１６にＢＧ放射線ｄ１，ｄ２が入射すると、ＢＧ放射線ｄ１，ｄ２の反応によって合計１００ｋｅＶのエネルギーがＣｄＴｅ単結晶２９に付与される。
ＢＧ放射線ｄ１，ｄ２の反応によってＢＧ放射線ｄ１，ｄ２のもつ全てのエネルギーを積極的に検出することで、蛍光Ｘ線ｂの反応に起因するパルスの波高と、ＢＧ放射線ｄ１，ｄ２の反応に起因する誤パルスの波高との違いから、蛍光Ｘ線ｂの反応に起因するパルスと、ＢＧ放射線ｄ１，ｄ２の反応に起因する誤パルスとを弁別できる。また、波高弁別器２１では、一次処理パルス１０４から、所要の波高値（閾値）に満たない波高をもつ回路ノイズを除去することもできる。
図１に示された波高弁別器２１にて弁別され、ＢＧ放射線ｄ１，ｄ２の反応に起因する誤パルスが除去されることで二次処理パルス１０５となり、この二次処理パルス１０５がＭＣＡ２２に出力される。
ＭＣＡ２２では、二次処理パルス１０５からエネルギー毎の計数が行なわれ、波高分布データ１０６が取得される。ＭＣＡ２２では、ＢＧ放射線ｄの反応に起因する誤パルスの影響を除外でき、測定対象である蛍光Ｘ線ｂのみの波高分布データ１０６を取得できる。
ＭＣＡ２２から元素分析器２３に、所要の時間幅の波高分布データ１０６が出力される。元素分析器２３では、分析試料１０を構成する元素の含有量比を時系列に連続的に表示する。つまり、各元素に相当するエネルギー幅での計数値を時系列にフィルタ処理を行ない、元素の連続的な含有率の変化を表示する。このフィルタの時定数は、必要精度に応じて可変とする。
Ｘ線分析装置１１のように、厚型のＣｄＴｅ半導体検出器１６を用いると、蛍光Ｘ線ｂの反応に起因するパルスと共に、ＢＧ放射線ｄ１〜ｄ４の反応に起因する誤パルスを取得することができる。さらに、蛍光Ｘ線ｂの反応に起因するパルスと、ＢＧ放射線ｄ３，ｄ４の反応に起因する誤パルスとは、パルスの波形の違いによって弁別することができる。また、蛍光Ｘ線ｂの反応に起因するパルスと、ＢＧ放射線ｄ１，ｄ２の反応に起因する誤パルスとは、パルスの波高の違いによって弁別できる。したがって、パルス信号処理によって誤パルスを除去できるので、分析装置周囲のＢＧ放射線ｄの入射を遮蔽する必要がなく、ＢＧ放射線ｄが存在する環境でも、高いＳ／Ｎ比で分析試料１０の元素分析及び解析を実施することができる。
なお、Ｘ線源１４からＣｄＴｅ半導体検出器１６にＸ線が直接照射されると、ＣｄＴｅ半導体検出器１６の構成材から特性Ｘ線が放出される。この特性Ｘ線の影響を補正するために、予め分析試料１０を設置していない条件にてブランク測定を実施する。そして、分析試料１０を設置して元素分析する際に、ブランク測定で得られたブランク成分を差し引きながら分析試料１０の分析を実施する。
例えば、ＣｄＴｅ半導体検出器１６を用いる場合、ＣｄＴｅ単結晶２９のＣｄから放出される特性Ｘ線のエネルギーは、Ｋα１：２３．２ｋｅＶ、Ｋβ１：２６．１ｋｅＶ、Ｌα１：３．１ｋｅＶ、Ｌβ１：３．３ｋｅＶである。また、Ｔｅ自体から放出される蛍光Ｘ線ｂは、Ｋα１：２７．４ｋｅＶ、Ｋβ１：３１．０ｋｅＶ、Ｌα１：３．８ｋｅＶ、Ｌβ１：４．０ｋｅＶである。
よって、測定対象範囲である約３０ｋｅＶ以下のエネルギーに、ＣｄＴｅ単結晶２９から放出される特性Ｘ線が重なることになる。よって、Ｘ線源１４からＸ線が直接にＣｄＴｅ半導体検出器１６に到達しないように、Ｘ線源１４の放出角の選定と、遮蔽を実施するとよい。
また、分析試料１０が原子炉の構造材であり構造材の応力を測定する場合、分析試料１０の構造材が放射化している。よって、構造材から約３０ｋｅＶ以上のエネルギーをもつγ線が放出されているので、蛍光Ｘ線ｂの測定には、γ線が測定のＢＧ放射線ｄとなる。ＢＧ放射線ｄの影響を低減するためには、予めＸ線分析装置１１にて、Ｘ線源１４からの照射Ｘ線ａを発生しない条件で測定したデータを取得する。そして、図１に示されたＸ線分析装置１１によって、Ｘ線源１４から照射Ｘ線ａを発生したときのデータを測定し、予め取得したデータ分を補正する。
図７は、本発明に係るＸ線分析装置の第２の実施形態を示す概略図である。
図７は、ＢＧ放射線が存在する環境に置かれ、分析試料１０を分析するためのＸ線分析装置１１Ａを示す。
図７に示されたＸ線分析装置１１Ａには、分析試料１０から放出される約３０ｋｅＶ以上のエネルギーをもつＫ−Ｘ線を含む放射線を検出する第１放射線検出器（図１に示す放射線検出器）、例えばＣｄＴｅ半導体検出器１６と、約３０ｋｅＶ以下のエネルギーをもつＬ−Ｘ線を含む放射線を検出する第２放射線検出器、例えばＣｄＴｅ半導体検出器１６ａとが備えられる。なお、第２放射線検出器は、Ｌ−Ｘ線を検出するものなので、図１４に示された薄型のＳｉ半導体検出器７１でもよい。
また、Ｘ線分析装置１１Ａには、ＣｄＴｅ半導体検出器１６ａから出力される出力パルス１０１ａをパルス量に比例する電圧パルス１０２ａに変換・増幅する電荷有感型の増幅器、例えばプリアンプ１８ａと、電圧パルス１０２ａをデジタルデータに変換して未処理パルス１０３ａを得るＡ／Ｄ変換器１９ａと、未処理パルス１０３ａの波形によって反応深さを演算しこの反応深さの違いによって未処理パルス１０３ａから誤パルスを除去して一次処理パルス１０４ａを得る反応深さ演算手段２０ａと、パルス波高の違いによって一次処理パルス１０４ａから誤パルスを除去して二次処理パルス１０５ａを得る波高弁別器２１ａと、二次処理パルス１０５ａからエネルギー毎の計数を行ない、波高分布データ１０６ａを得るＭＣＡ２２ａとが備えられる。このＭＣＡ２２ａの波高分布データ１０６ａは、分析試料１０の元素分析、応力解析及び構造解析等を行なう元素分析器２３に出力できるようになっている。
また、Ｘ線源１４から分析試料１０に照射される照射Ｘ線ａのうち低エネルギー成分のＸ線をカットする遮蔽フィルタ５１が設置される。特に、蛍光Ｘ線ｂが約３０ｋｅＶ以上のエネルギーをもつ場合、Ｘ線源１４からの直接のＸ線がＢＧ放射線ｄの主成分となるため、遮蔽フィルタ５１によるＸ線の遮蔽を行なう。
図８は、Ｋ−Ｘ線及びＬ−Ｘ線のエネルギースペクトルを示すグラフである。
図８に示されたグラフは、分析試料１０、例えば鉛（Ｐｂ）を分析処理したときのエネルギースペクトルである。Ｋ−Ｘ線として７５，８５ｋｅＶにエネルギーピークが観測される一方、Ｌ−Ｘ線として１０−１２ｋｅＶにエネルギーピークが観測される。Ｋ−Ｘ線及びＬ−Ｘ線のエネルギーピークを共に測定することで、分析試料１０の元素分析精度、ＢＧ放射線ｄの低減を図る。
続いて、Ｘ線分析装置１１Ａの処理動作について説明する。
Ｘ線源１４から分析試料１０に照射Ｘ線ａを照射する。分析試料１０から放出される蛍光Ｘ線ｂは、原子が励起状態から基底状態に戻る際に、電子のエネルギー順位に差によって発生する。ここで、電子が原子のＫ殻及びＬ殻のエネルギー順位に戻る際、Ｋ−Ｘ線及びＬ−Ｘ線がそれぞれ発生する。
Ｋ−Ｘ線を含む放射線はＣｄＴｅ半導体検出器１６にて検出され、このＣｄＴｅ半導体検出器１６から出力される。出力パルス１０１はプリアンプ１８にて変換・増幅され、Ａ／Ｄ変換器１９にてデジタルデータに変換される。デジタル変換された未処理パルス１０３は反応深さ演算手段２０に入力され、この反応深さ演算手段２０にて、反応深さの違いによって未処理パルス１０３からＢＧ放射線ｄの反応に起因する誤パルスを除去して一次処理パルス１０４を得る。
一次処理パルス１０４は、波高弁別器２１に入力され、パルス波高の違いによって一次処理パルス１０４からＬ−Ｘ線の反応に起因する誤パルスを除去してＫ−Ｘ線の反応に起因する二次処理パルス１０５を得る。この二次処理パルス１０５はＭＣＡ２２に入力され、ＭＣＡ２２では、二次処理パルス１０５からエネルギー毎の計数が行なわれ、波高分布データ１０６が取得される。元素分析器２３では、波高分布データ１０６から、約３０ｋｅＶ以上であり約１００ｋｅＶ以下のＫ−Ｘ線のＫ−Ｘ線計数値ＤＫが求められる。
一方、Ｌ−Ｘ線を含む放射線はＣｄＴｅ半導体検出器１６ａにて検出され、このＣｄＴｅ半導体検出器１６ａから出力される。出力パルス１０１ａはプリアンプ１８ａにて変換・増幅され、Ａ／Ｄ変換器１９ａにてデジタルデータに変換される。デジタル変換された未処理パルス１０３ａは、反応深さ演算手段２０ａに入力され、この反応深さ演算手段２０ａにて、反応深さの違いによって未処理パルス１０３ａからＢＧ放射線ｄに起因する誤パルスを除去して一次処理パルス１０４ａを得る。
一次処理パルス１０４ａは、波高弁別器２１ａに入力され、パルス波高の違いによって一次処理パルス１０４ａからＫ−Ｘの反応に起因する誤パルスを除去してＬ−Ｘ線の反応に起因する二次処理パルス１０５ａを得る。この二次処理パルス１０５ａはＭＣＡ２２に入力され、ＭＣＡ２２では、二次処理パルス１０５ａからエネルギー毎の計数が行なわれ、波高分布データ１０６ａが取得される。元素分析器２３では、波高分布データ１０６ａから、約３０ｋｅＶ以下のエネルギーをもつＬ−Ｘ線のＬ−Ｘ線計数値ＤＬが求められる。
また、元素分析器２３では、波高分布データ１０６，１０６ａから、Ｋ−Ｘ線及びＬ−Ｘ線のＫＬ同時計数値ＤＫＬが求められる。
ここで、分析試料１０の元素濃度をＮとすると、Ｘ線分析装置１１ＡにてＢＤ放射線ｄが十分に低減された条件では、
［数２］
ＤＫ＝ＳＫ・Ｎ …（１）
ＤＬ＝ＳＬ・Ｎ …（２）
ＤＫＬ＝ＳＫ・ＳＬ・Ｎ …（３）
と表すことができる。さらに、式（１）、（２）、（３）から、分析試料１０の元素濃度Ｎが、
［数３］
Ｎ＝ＤＫ・ＤＬ／ＤＫＬ …（４）
によって演算できる。
Ｘ線分析装置１１Ａのように、厚型のＣｄＴｅ半導体検出器１６，１６ａを用いると、Ｋ−Ｘ線の反応に起因するパルスと、Ｌ−Ｘ線の反応に起因するパルスとをそれぞれ取得できる。さらに、蛍光Ｘ線ｂの反応に起因するパルスと、ＢＧ放射線ｄ３，ｄ４の反応に起因する誤パルスとは、パルスの波形の違いによって弁別することができる。また、蛍光Ｘ線ｂの反応に起因するパルスと、ＢＧ放射線ｄ１，ｄ２の反応に起因する誤パルスとは、パルスの波高の違いによって弁別できる。したがって、パルス信号処理によって誤パルスを除去できるので、周囲のＢＧ放射線ｄの入射を遮蔽する必要がなく、ＢＧ放射線ｄが存在する環境でも、高いＳ／Ｎ比で分析試料１０の元素分析及び解析を実施することができる。
また、Ｘ線分析装置１１Ａを用いると、予め濃度既知の標準試料を用いて、複数元素に関する感度を測定する必要がなく、元素濃度Ｎの元素分析及び解析の煩雑さを低減できる。
なお、予め、濃度既知の標準試料にて、Ｘ線源１４又は遮蔽フィルタ５１毎にＫ−Ｘ線を計数するＫ−Ｘ線検出感度ＳＫと、Ｌ−Ｘ線を計数するＬ−Ｘ線検出感度ＳＬと、Ｋ−Ｘ線及びＬ−Ｘ線を同時計数するＫＬ同時検出感度ＳＫＬをそれぞれ測定して、分析試料１０の元素濃度Ｎを推定もよい。
図９は、本発明に係るＸ線分析装置の第３の実施形態を示す概略図である。
図９は、ＢＧ放射線が存在する環境に置かれ、分析試料１０を分析するためのＸ線分析装置１１Ｂを示し、図１に示されたＸ線分析装置１１に備えられるＣｄＴｅ半導体検出器１６周辺から入射するＢＧ放射線ｄを低減させるものである。
Ｘ線分析装置１１には、ＣｄＴｅ半導体検出器１６への蛍光Ｘ線ｂの入射側であって蛍光Ｘ線ｂの入射を遮らない位置に、ＢＧ放射線を検出するタイミング検出器としてのＢＧ放射線検出器、例えばシンチレーション検出器３６が備えられる。
ＢＧ放射線検出器は、シンチレーション検出器３６の他に、図１に示された放射線検出器と同じものを用いても構わない。また、ＢＧ放射線検出器はエネルギー情報の検出を必要としないため、比例計数管又はＧＭ計数管等の一般的な放射線検出器が使用できる。
図１０は、Ｘ線分析装置１１Ｂに備えられるＣｄＴｅ半導体検出器１６とシンチレーション検出器３６の位置関係を示す拡大図である。
図１０に示されたＣｄＴｅ半導体検出器１６は、図９に示されたＣｄＴｅ半導体検出器１６を示し、このＣｄＴｅ半導体検出器１６の周囲から、約３０ｋｅＶ以上の高エネルギーをもつＢＧ放射線ｄ、例えば図２に示されたＢＤ放射線ｄ１〜ｄ４が直接入射するのを低減するように、２個のシンチレーション検出器３６が備えられる。よって、ＣｄＴｅ半導体検出器１６には、蛍光Ｘ線ｂと、ＣｄＴｅ半導体検出器１６に直接入射する微小量のＢＧ放射線ｄ１〜ｄ４と、シンチレーション検出器３６にて散乱したＢＧ放射線ｄ、例えばＢＧ放射線ｄ５とがそれぞれ入射する。なお、シンチレーション検出器３６は２個に限定されない。
さらに、図９に示されたＸ線分析装置１１Ｂには、シンチレーション検出器３６からの出力パルス１１１をパルス量に比例する電圧パルス１１２に変換・増幅する電荷有感型の増幅器、例えばプリアンプ３８と、電圧パルス１１２の波形をデジタルデータに変換して未処理パルス１１３を得るＡ／Ｄ変換器３９と、未処理パルス１１３から所要の波高値に満たない波高をもつ回路ノイズを除去して計数禁止信号１１８を発する波高弁別器４１とが備えられる。計数禁止信号１１８は、ＭＣＡ２２に出力できるようになっている。
次いで、Ｘ線分析装置１１Ｂの処理動作について説明する。
図９に示されたＸ線分析装置１１Ｂに備えられるＸ線源１４から分析試料１０に照射Ｘ線ａが入射される。分析試料１０からは、蛍光Ｘ線ｂとコンプトン散乱した散乱Ｘ線ｃとが放出される。
そして、図１０に示されたＣｄＴｅ半導体検出器１６のように、電圧印加されたＣｄＴｅ半導体検出器１６に、分析試料１０からの蛍光Ｘ線ｂと、ＢＧ放射線ｄ１〜ｄ４と、ＢＧ放射線ｄ５とがそれぞれ入射する。蛍光Ｘ線ｂ、ＢＧ放射線ｄ１〜ｄ４及びＢＧ放射線ｄ５は、ＣｄＴｅ半導体検出器１６に入射し、ＣｄＴｅ半導体検出器１６によってそれぞれ検出される。
つまり、ＣｄＴｅ半導体検出器１６から出力される出力パルス１０１には、蛍光Ｘ線ｂの反応に起因するパルスと、ＢＧ放射線ｄ１〜ｄ４の反応に起因する誤パルスと、シンチレーション検出器３６にて散乱したＢＧ放射線ｄ５の反応に起因する誤パルスとが含まれている。
出力パルス１０１は、反応深さ演算手段２０にてＢＧ放射線ｄ３，ｄ４が除去され一次処理パルス１０４に変換され、この一次処理パルス１０４は、波高弁別器２１にてＢＧ放射線ｄ１，ｄ２が除去され二次処理パルス１０５に変換される。
一方、シンチレーション検出器３６は、ＢＧ放射線ｄ５を検出する。シンチレーション検出器３６の電極（図示しない）にて検出された出力パルス１１１は、プリアンプ３８にて、パルス量に比例する電圧パルス１１２に変換・増幅される。変換・増幅された電圧パルス１１２の波形は、Ａ／Ｄ変換器３９にて未処理パルス１１３に波形変換される。未処理パルス１１３は、波高弁別器４１に入力される。この波高弁別器４１にて、所要の波高値に満たない波高をもつ回路ノイズが除去される。回路ノイズが除去されたパルス波高によって、計数禁止信号１１８がＭＣＡ２２に出力される。
ここで、二次処理パルス１０５には、ＢＧ放射線ｄ５の反応に起因する誤パルスが含まれている。ＢＧ放射線ｄ５は、ＣｄＴｅ半導体検出器１６にて検出されるとほぼ同時にシンチレーション検出器３６にて検出されている。よって、波高弁別器４１から計数禁止信号１１８が出力されていない時に、波高弁別器２１から入力される二次処理パルス１０５は、蛍光Ｘ線ｂに起因するパルス信号であると判断され、ＭＣＡ２２に出力される。
ＭＣＡ２２では、二次処理パルス１０５からエネルギー毎の計数が行なわれ、波高分布データ１０６が取得される。ＭＣＡ２２では、ＢＧ放射線ｄの反応に起因する誤パルスの影響を除外でき、測定対象である蛍光Ｘ線ｂのみの波高分布データ１０６を取得できる。
ＭＣＡ２２から元素分析器２３に、所要の時間幅の波高分布データ１０６が出力される。元素分析器２３では、分析試料１０を構成する元素の含有量比を時系列に連続的に表示する。つまり、各元素に相当するエネルギー幅での計数値を時系列にフィルタ処理を行ない、元素の連続的な含有率の変化を表示する。このフィルタの時定数は、必要精度に応じて可変とする。
Ｘ線分析装置１１Ｂのように、厚型のＣｄＴｅ半導体検出器１６を用いると、蛍光Ｘ線ｂの反応に起因するパルスと共に、ＢＧ放射線ｄ１〜ｄ４の反応に起因する誤パルスを取得することができる。さらに、蛍光Ｘ線ｂの反応に起因するパルスと、ＢＧ放射線ｄ３，ｄ４の反応に起因する誤パルスとは、パルスの波形の違いによって弁別することができる。また、蛍光Ｘ線ｂの反応に起因するパルスと、ＢＧ放射線ｄ１，ｄ２の反応に起因する誤パルスとは、パルスの波高の違いによって弁別できる。したがって、パルス信号処理によって誤パルスを除去できるので、分析装置周囲のＢＧ放射線ｄの入射を遮蔽する必要がなく、ＢＧ放射線ｄが存在する環境でも、高いＳ／Ｎ比で分析試料１０の元素分析及び解析を実施することができる。
また、Ｘ線分析装置１１Ｂのように、シンチレーション検出器３６を用いると、ＢＧ放射線ｄ１〜ｄ４の反応に起因する誤パルスを低減できる。さらに、ＢＧ放射線ｄ５の反応に起因する未処理パルス１１３に基づいて計数禁止信号１１８を発することで、ＢＧ放射線ｄが存在する環境でも、高いＳ／Ｎ比で分析試料１０の元素分析及び解析を実施することができる。
さらに、図９に示されたＸ線分析装置１１Ｂでは、ＢＧ放射線検出器としてシンチレーション検出器３６を用いたが、ＢＧ放射線検出器として、例えば図１４に示された薄膜のＳｉ半導体検出器７１を用いる。Ｓｉ半導体検出器７１を用いると、Ｓｉ半導体検出器７１にて散乱してＣｄＴｅ半導体検出器１６に入射するＢＧ放射線ｄ５を低減できるので、計数禁止信号１１８を低減できる。
図１１は、本発明に係るＸ線分析装置の第４の実施形態を示す概略図である。
図１１は、ＢＧ放射線として自然放射線が存在する放射線環境にて、分析試料１０を分析するＸ線分析装置１１Ｃを示す。
Ｘ線分析装置１１Ｃには、ＣｄＴｅ半導体検出器１６の蛍光Ｘ線ｂの入射側に、蛍光Ｘ線ｂを有効に集光できる蛍光Ｘ線集光手段、例えばマルチキャピラリーレンズ４５と、このマルチキャピラリーレンズ４５にて発光するシンチレーション光ｅを検出するタイミング検出器としての光検出器４６とが備えられる。なお、マルチキャピラリーレンズ４５の蛍光Ｘ線ｂの出口側端面を監視する場合と、シリカガラス等の透明なマルチキャピラリーレンズ４５を使用する場合とは、マルチキャピラリーレンズ４５の外部に光検出器４６を備えるが、外部光を光検出器４６にて検出することを防止するために、外部光を遮光する手段を設けてもよい。
また、Ｘ線分析装置１１ＣのＣｄＴｅ半導体検出器１６から出力される出力パルス１０１は、図９に示されたＸ線分析装置１１Ｂのプリアンプ１８に入力される。また、Ｘ線分析装置１１Ｃの光検出器４６から出力される出力パルス１１１は、図９に示されたＸ線分析装置１１Ｂのプリアンプ３８に入力される。
続いて、Ｘ線分析装置１１Ｃの処理動作について説明する。
マルチキャピラリーレンズ４５内部に蛍光Ｘ線ｂが入射すると、蛍光Ｘ線ｂは、マルチキャピラリーレンズ４５内壁面にて全反射を繰り返しＣｄＴｅ半導体検出器１６に導かれる。
また、ＢＧ放射線ｄは、マルチキャピラリーレンズ４５内部に進入し、マルチキャピラリーレンズ４５内部でコンプトン散乱又は光電吸収する。そして、所定の角度でマルチキャピラリーレンズ４５内面に入射したＢＧ放射線ｄは、マルチキャピラリーレンズ４５内壁面にて全反射を繰り返しＣｄＴｅ半導体検出器１６にて検出される。
ここで、ＢＧ放射線ｄが、マルチキャピラリーレンズ４５内壁面にてコンプトン散乱又は光電吸収すると、コンプトン散乱又は光電吸収が生じた地点にて、コンプトン散乱又は光電吸収が生じると同時に光、例えばシンチレーション光ｅを発光する。このシンチレーション光ｅは光検出器４６にて検出される。
ここで、二次処理パルス１０５には、ＢＧ放射線ｄの反応に起因する誤パルスが含まれている。ＢＧ放射線ｄは、ＣｄＴｅ半導体検出器１６にて検出されるとほぼ同時に光検出器４６にて光が検出されている。よって、図９に示された波高弁別器４１から計数禁止信号１１８が出力されていない時に、波高弁別器２１から入力される二次処理パルス１０５は、蛍光Ｘ線ｂに起因するパルス信号であると判断され、ＭＣＡ２２に出力される。
ＭＣＡ２２では、二次処理パルス１０５からエネルギー毎の計数が行なわれ、波高分布データ１０６が取得される。ＭＣＡ２２では、ＢＧ放射線ｄの反応に起因する誤パルスの影響を除外でき、測定対象である蛍光Ｘ線ｂのみの波高分布データ１０６を取得できる。
ＭＣＡ２２から元素分析器２３に、所要の時間幅の波高分布データ１０６が出力される。元素分析器２３では、分析試料１０を構成する元素の含有量比を時系列に連続的に表示する。つまり、各元素に相当するエネルギー幅での計数値を時系列にフィルタ処理を行ない、元素の連続的な含有率の変化を表示する。このフィルタの時定数は、必要精度に応じて可変とする。
Ｘ線分析装置１１Ｃのように、厚型のＣｄＴｅ半導体検出器１６を用いると、蛍光Ｘ線ｂの反応に起因するパルスと共に、ＢＧ放射線ｄの反応に起因する誤パルスを取得することができる。さらに、蛍光Ｘ線ｂの反応に起因するパルスと、ＢＧ放射線ｄを弁別できる。したがって、パルス信号処理によって誤パルスを除去できるので、分析装置周囲のＢＧ放射線ｄの入射を遮蔽する必要がなく、ＢＧ放射線ｄが存在する環境でも、高いＳ／Ｎ比で分析試料１０の元素分析及び解析を実施することができる。
また、Ｘ線分析装置１１Ｃのように、光検出器４６を用いると、ＢＧ放射線ｄの反応に起因する未処理パルス１１３に基づいて計数禁止信号１１８を発することで、ＢＧ放射線ｄが存在する環境でも、高いＳ／Ｎ比で分析試料１０の元素分析及び解析を実施することができる。
図１２は、本発明に係るＸ線分析装置の第５の実施形態を示す概略図である。
図１２は、ＢＧ放射線として自然放射線が存在する放射線環境にて、分析試料１０を分析するＸ線分析装置１１Ｄを示す。
Ｘ線分析装置１１Ｄには、複数の分析試料１０を運搬する分析試料運搬手段、例えばベルトコンベア５５と、複数の分析試料１０から放出される蛍光Ｘ線ｂを集光及び増幅して増強する蛍光Ｘ線増強手段、例えばコリメータ５６と、複数の検出素子を有する放射線検出器、例えばＣｄＴｅ半導体群検出器５７とが備えられる。
ＣｄＴｅ半導体群検出器５７は、支持基板２５と、支持基板２５上に設けられるＣｄＴｅ単結晶群５８とから構成される。ＣｄＴｅ単結晶群５８は、アレイ化された複数のＣｄＴｅ単結晶、例えば８個のＣｄＴｅ単結晶２９ａ〜２９ｈを有する。なお、ＣｄＴｅ単結晶２９ａ〜２９ｈは一対の電極（図示しない）に挟持されているものとする。
また、Ｘ線分析装置１１Ｄには、ＣｄＴｅ半導体群検出器５７からの出力パルス１０１をパルス量に比例する電圧パルス１０２に変換・増幅するプリアンプ群５９と、電圧パルス１０２の波形をデジタルデータに変換して未処理パルス１０３を得るＡ／Ｄ変換器群６０とが備えられる。Ａ／Ｄ変換器群６０群からの信号である未処理パルス１０３は、反応深さ演算手段２０に入力できるようになっている。
プリアンプ群５９には、ＣｄＴｅ単結晶２９ａ〜２９ｈに対応するように、プリアンプ１８ａ〜１８ｈがそれぞれ設けられ、さらに、Ａ／Ｄ変換器群６０には、プリアンプ１８ａ〜１８ｈに対応するように、Ａ／Ｄ変換器１９ａ〜１９ｈがそれぞれ設けられる。
元素分析器２３は、一定の判定基準との比較を順次実施し、ある規定値濃度以上の元素が検出された場合、検出位置と濃度を出力する機能を有する。
続いて、Ｘ線分析装置１１Ｄの処理動作について説明する。
図１２に示されたＸ線分析装置１１Ｄに備えられるＸ線源１４から分析試料１０に照射Ｘ線ａが入射される。分析試料１０からは、蛍光Ｘ線ｂとコンプトン散乱した散乱Ｘ線ｃとが放出される。
そして、電圧印加されたＣｄＴｅ半導体群検出器５７に、分析試料１０からの蛍光Ｘ線ｂ及びＢＧ放射線ｄがそれぞれ入射する。蛍光Ｘ線ｂ及びＢＧ放射線ｄは、ＣｄＴｅ半導体群検出器５７に入射し、ＣｄＴｅ単結晶２９ａ〜２９ｈによってそれぞれ検出される。
つまり、ＣｄＴｅ半導体群検出器５７から出力される出力パルス１０１には、蛍光Ｘ線ｂの反応に起因するパルスと、ＢＧ放射線ｄの反応に起因する誤パルスとが含まれている。
出力パルス１０１は、反応深さ演算手段２０及び波高弁別器２１にてＢＧ放射線ｄが除去され二次処理パルス１０５に変換される。
ここで、ＣｄＴｅ単結晶２９ａ〜２９ｈにて蛍光Ｘ線ｂ及びＢＧ放射線ｄを検出する際、例えばＣｄＴｅ単結晶２９ａは、蛍光Ｘ線ｂの検出を行なうと共に、隣り合うＣｄＴｅ単結晶２９ｂのＢＧ放射線検出器としての役割をもたせることもできる。すなわち、図９に示されたＸ線分析装置１１Ｂにて説明したように、ＣｄＴｅ単結晶２９ａにて検出して得られる未処理パルス１０３は、隣り合うＣｄＴｅ単結晶２９ｂの計数禁止信号１１８としての役割も果たす。よって、Ａ／Ｄ変換器１９ａから計数禁止信号１１８が出力されていない時に、Ａ／Ｄ変換器１９ｂから入力される未処理パルス１０３は、蛍光Ｘ線ｂに起因するパルス信号であると判断され、反応深さ演算手段２０に出力される。なお、ＣｄＴｅ単結晶２９ａにて検出して得られる未処理パルス１０３は、一定の距離の範囲内にあるＣｄＴｅ単結晶２９ｃ〜２９ｈの計数禁止信号１１８としての役割も果たす。
さらに、元素分析器２３において、順次運搬される分析試料１０の元素濃度と所要の判定基準値との比較を実施する。分析試料１０において基準値以上の濃度の元素が検出された場合、分析試料１０のうち、基準値以上の濃度の元素の位置を認識・表示し、分析試料１０中に含まれる管理すべき元素と位置とを迅速に弁別することができる。
Ｘ線分析装置１１Ｄのように、複数のＣｄＴｅ単結晶２９を有するＣｄＴｅ半導体群検出器５７を用いると、蛍光Ｘ線ｂの反応に起因するパルスと共に、ＢＧ放射線ｄの反応に起因する誤パルスを取得することができる。さらに、蛍光Ｘ線ｂの反応に起因するパルスと、ＢＧ放射線ｄとを弁別できる。したがって、パルス信号処理によって誤パルスを除去できるので、分析装置周囲のＢＧ放射線ｄの入射を遮蔽する必要がなく、ＢＧ放射線ｄが存在する環境でも、高いＳ／Ｎ比で分析試料１０の元素分析及び解析を実施することができる。
また、Ｘ線分析装置１１Ｄのように、隣り合うＣｄＴｅ単結晶をＢＧ放射線検出器として用いると、ＢＧ放射線ｄの反応に起因する未処理パルス１１３に基づいて計数禁止信号１１８を発することで、ＢＧ放射線ｄが存在する環境でも、高いＳ／Ｎ比で分析試料１０の元素分析及び解析を実施することができる。
図１３は、本発明に係るＸ線分析装置の第６の実施形態を示す概略図である。
図１３は、ＢＧ放射線として自然放射線が存在する放射線環境にて、分析試料１０、例えば放射化物試料１０ａを分析するＸ線分析装置１１Ｅを示す。Ｘ線分析装置１１Ｅは、水中において放射化物試料１０ａの応力を解析する装置である。
Ｘ線分析装置１１Ｅには、Ｘ線出射信号１２０を出力するタイミング調整装置６０と、Ｘ線出射信号１２０を受けて単色のＸ線を照射するＸ線源１４と、このＸ線源１４から出射された照射Ｘ線ａを案内するＸ線案内管６１ａと、放射化物試料１０ａからコンプトン散乱された散乱Ｘ線ｃを案内するＸ線案内管６１ｂと、散乱Ｘ線ｃを検出するＣｄＴｅ半導体検出器１６と、ＣｄＴｅ半導体検出器１６からの出力パルス１０１によって強度分析を行ない出力パルス１０１からエネルギー及びＢＧ放射線ｄの除去を行なう強度分析装置６２と、この強度分析装置６２からのＸ線強度情報１２２によって応力値を算出する応力評価装置６３とが備えられる。
また、Ｘ線出射信号１２０を受けてガスを供給できるガス注入器６５と、このガス注入器６５からガスを案内するガス案内手段６６とが設けられ、このガス案内手段６６のガス供給側からＸ線案内管６１ａ，６１ｂの内部にそれぞれガスが供給できるようになっている。Ｘ線案内管６１ａ，６１ｂの内部に照射Ｘ線ａが照射されるときのみＸ線案内管６１ａ，６１ｂの内部にガスを注入し、照射Ｘ線ａ，散乱Ｘ線ｃの透過ラインを設けるものである。ガスの種類としては、例えば、空気を用いるが、ヘリウム等の不活性・軽元素のガスを用いた方が、低エネルギーＸ線の減衰を低減できるため有効である。
また、Ｘ線分析装置１１Ｅには、照射Ｘ線ａの照射角と散乱Ｘ線ｃの入射角とを調整するために、Ｘ線源１４とＣｄＴｅ半導体検出器１６との位置を誘導する位置調整装置６８が備えられる。
さらに、タイミング調整装置６０からのＸ線出射信号１２０は、応力評価装置６３に出力できるようになっている。
続いて、Ｘ線分析装置１１Ｅの処理動作について説明する。
位置調整装置６８によって、Ｘ線源１４とＣｄＴｅ半導体検出器１６との位置を所要の位置に設定する。
タイミング調整装置６０からＸ線出射信号１２０をＸ線源１４、ガス注入器６５及び応力評価装置６３に出力する。Ｘ線出射信号１２０によって、ガス注入器６５からガス案内手段６６を介してＸ線案内管６１ａ，６１ｂの内部にガスが注入され、Ｘ線源１４から放射化物試料１０ａにＸ線案内管６１ａを介して照射Ｘ線ａが照射される。そして、放射化物試料１０ａからコンプトン散乱される散乱Ｘ線ｃがＸ線案内管６１ｂを介してＣｄＴｅ半導体検出器１６にて検出される。
ＣｄＴｅ半導体検出器１６から出力される出力パルス１０１は、強度分析装置６２によって、エネルギー及びＢＧ放射線ｄの除去が行われる。また、ＣｄＴｅ半導体検出器１６は、図１２に示されたＣｄＴｅ半導体群検出器５７であってもよい。その際、例えばＣｄＴｅ半導体群検出器５７のＣｄＴｅ単結晶２９ａは、散乱Ｘ線ｃの検出を行なうと共に、隣り合ったＣｄＴｅ単結晶２９ｂのＢＧ放射線検出器としての役割も果たす。
そして、強度分析装置６２にて、出力パルス１０１を波形処理することによってＢＧ放射線ｄを低減して、Ｘ線強度分布を算出する。
強度分析装置６２からのＸ線強度情報１２２が応力評価装置６３に入力される。この応力評価装置６３では、Ｘ線出射信号１２０を受けて、Ｘ線源１４及びＣｄＴｅ半導体検出器１６の位置関係と、強度情報１２２とから放射化物試料１０ａの応力を評価する。
Ｘ線分析装置１１Ｅのように、厚型ＣｄＴｅ半導体検出器１６を用いると、散乱Ｘ線ｃの反応に起因するパルスと共に、ＢＧ放射線ｄの反応に起因する誤パルスを取得することができる。さらに、散乱Ｘ線ｃの反応に起因するパルスと、ＢＧ放射線ｄの反応に起因する誤パルスとを弁別できる。したがって、パルス信号処理によって誤パルスを除去できるので、ＢＧ放射線ｄの環境に影響されることなく高いＳ／Ｎ比で放射化物試料１０ａの応力解析を実施することができる。
また、水中に設置される放射化物試料１０ａの応力解析を実施することができる。
本発明に係るＸ線分析装置の第１の実施形態を示す概略図。 Ｘ線分析装置に備えられるＣｄＴｅ半導体検出器を示す拡大図。 蛍光Ｘ線が反応した場合のキャリアの移動を示す概略図。 蛍光Ｘ線が反応して消滅した場合のパルスの波形を示すグラフ。 ＢＧ放射線が反応して外部に放出された場合のパルスの波形を示すグラフ。 ＢＧ放射線が数回反応して消滅した場合のパルスの波形を示すグラフ。 本発明に係るＸ線分析装置の第２の実施形態を示す概略図。 Ｋ−Ｘ線及びＬ−Ｘ線のエネルギースペクトルを示すグラフ。 本発明に係るＸ線分析装置の第３の実施形態を示す概略図。 Ｘ線分析装置に備えられるＣｄＴｅ半導体検出器とシンチレーション検出器の位置関係を示す拡大図。 本発明に係るＸ線分析装置の第４の実施形態を示す概略図。 本発明に係るＸ線分析装置の第５の実施形態を示す概略図。 本発明に係るＸ線分析装置の第６の実施形態を示す概略図。 従来のＸ線分析装置であって、Ｓｉ半導体検出器と蛍光Ｘ線の反応を示す概略図。
符号の説明
１０ 分析試料
１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅ Ｘ線分析装置
１４ Ｘ線源
２０，２０ａ 反応深さ演算手段
２１，２１ａ，４１ 波高分析器
２９ ＣｄＴｅ単結晶
３６ シンチレーション検出器
４５ マルチキャピラリーレンズ
４６ 光検出器
５１ 遮蔽フィルタ
５５ ベルトコンベア
５６ コリメータ
５７ ＣｄＴｅ半導体群検出器
６１ａ，６１ｂ Ｘ線案内管
６５ ガス注入器

Claims (14)

  1. バックグラウンド放射線が存在する環境にて、Ｘ線源からＸ線を照射することによって分析試料から放出されるＸ線を放射線検出器で検出し、この放射線検出器から出力されるパルスを利用して前記分析試料の元素分析及び解析を行なうＸ線分析装置において、
    前記バックグラウンド放射線を検出できる厚さの検出素子を有する放射線検出器と、
    前記放射線検出器から出力されたパルスの波形によって前記検出素子における陰極から反応点までの距離である反応深さを演算し、この反応深さによって、前記パルスから誤パルスを除去する反応深さ演算手段とを備えたことを特徴とするＸ線分析装置。
  2. 前記パルスの波高によって、前記パルスから誤パルスを除去する波高弁別器を備えたことを特徴とする請求項１に記載のＸ線分析装置。
  3. 前記分析試料から放出されるＫ−Ｘ線のエネルギー領域を測定できる厚さを有する前記放射線検出器としての第１放射線検出器と、その第１放射線検出器から出力された第１パルスの波形によって前記第１放射線検出器における陰極から反応点までの距離である反応深さを演算して前記第１パルスから誤パルスを除去する前記反応深さ演算手段としての第１反応深さ演算手段と、Ｌ−Ｘ線のエネルギー領域を測定できる厚さを有する前記放射線検出器としての第２放射線検出器と、その第２放射線検出器から出力された第２パルスの波形によって前記第２放射線検出器における陰極から反応点までの距離である反応深さを演算して前記第２パルスから誤パルスを除去する前記反応深さ演算手段としての第２反応深さ演算手段とを備え、前記Ｘ線源から前記分析試料に照射されるＸ線のうち所要のエネルギー成分のＸ線をカットする遮蔽フィルタを設置したことを特徴とする請求項１に記載のＸ線分析装置。
  4. 前記放射線検出器への蛍光Ｘ線の入射側であって前記分析試料から放出される蛍光Ｘ線の入射を遮らない位置に、前記バックグラウンド放射線を検出するバックグラウンド放射線検出用の放射線検出器を設け、前記バックグラウンド放射線検出用の放射線検出器からパルスが出力されていない時に前記放射線検出器から出力されるパルスが、前記蛍光Ｘ線に起因するパルスであると判断することを特徴とする請求項１に記載のＸ線分析装置。
  5. 前記分析試料から放出される蛍光Ｘ線を集光する蛍光Ｘ線集光手段と、この蛍光Ｘ線集光手段にて発光した光を検出する光検出器とを備えたことを特徴とする請求項１に記載のＸ線分析装置。
  6. 複数の分析試料を順次運搬する分析試料運搬手段と、前記複数の分析試料から放出される蛍光Ｘ線を集光及び増幅して増強する蛍光Ｘ線増強手段と、アレイ化された複数の検出素子を有する半導体群検出器とを備えたことを特徴とする請求項１に記載のＸ線分析装置。
  7. 前記Ｘ線源から照射されるＸ線、及び、前記分析試料から放出されるＸ線のうち放出角の方向依存性をもつコンプトン散乱された散乱Ｘ線をそれぞれ案内するＸ線案内管と、このＸ線案内管の内部にガスを注入するガス注入器とを備えたことを特徴とする請求項１に記載のＸ線分析装置。
  8. バックグラウンド放射線が存在する環境にて、励起された分析試料から放出されるＸ線を検出することによって出力されるパルスから前記分析試料の元素分析及び解析を行なうＸ線分析方法において、
    前記分析試料から放出されたＸ線及びバックグラウンド放射線を検出してパルスを出力する第１の工程と、
    前記パルスの波形によって前記Ｘ線及びバックグラウンド放射線の検出素子における陰極から反応点までの距離である反応深さを演算し、この反応深さによって、前記パルスから前記バックグラウンド放射線の反応に起因する誤パルスを除去する第２の工程とを有することを特徴とするＸ線分析方法。
  9. 前記パルスの波高によって、前記パルスから前記バックグラウンド放射線の反応に起因する誤パルスを除去することを特徴とする請求項８に記載のＸ線分析方法。
  10. 元素濃度Ｎの分析試料にてＫ−Ｘ線及びＬ−Ｘ線をそれぞれ検出し、Ｋ−Ｘ線計数値ＤＫと、Ｌ−Ｘ線計数値ＤＬと、Ｋ−Ｘ線及びＬ−Ｘ線が同時計数された場合のＫＬ同時計数値ＤＫＬと、から、
    ［数１］
    Ｎ＝ＤＫ・ＤＬ／ＤＫＬ
    によって、前記分析試料の元素濃度Ｎを演算することを特徴とする請求項８に記載のＸ線分析方法。
  11. 前記蛍光Ｘ線の入射側であって前記分析試料から放出される蛍光Ｘ線の入射を遮らない位置にて前記バックグラウンド放射線を検出し、このバックグラウンド放射線の反応に起因する誤パルスに基づく計数禁止信号とほぼ同時に検出された前記パルスが除去されることを特徴とする請求項８に記載のＸ線分析方法。
  12. 前記蛍光Ｘ線の入射側に備えた蛍光Ｘ線集光手段の内壁面にてコンプトン散乱又は光電吸収することによって発光する光を前記バックグラウンド放射線として検出し、このバックグラウンド放射線の反応に起因する誤パルスに基づく計数禁止信号とほぼ同時に検出された前記パルスが除去されることを特徴とする請求項８に記載のＸ線分析方法。
  13. 順次運搬される複数の分析試料の元素濃度と、予め設定された判定基準値との比較を実施して、基準値以上の元素濃度が検出された場合、基準値以上の元素濃度の位置を認識・表示することを特徴とする請求項８に記載のＸ線分析方法。
  14. 前記Ｘ線の発生タイミングと、ガス注入タイミングと、前記Ｘ線の照射角度と、前記分析試料から放出されるＸ線のうち放出角の方向依存性をもつコンプトン散乱された散乱Ｘ線のＸ線強度分布情報とによって前記分析試料の応力値を算出することを特徴とする請求項８に記載のＸ線分析方法。
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