JP4839050B2 - 多色ｘ線測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、波長の異なる複数の単色Ｘ線を含む多色Ｘ線を同時に受信して測定する装置に関する。

Ｘ線は波長が約０．０１〜１００Å（１０-^１２〜１０-^８ｍ）程度の電磁波であり、このうち波長の短いＸ線（λ＝０．０１〜１Å）を硬Ｘ線、波長の長いＸ線（λ＝１〜１００Å）を軟Ｘ線という。また、本出願において、「単色Ｘ線」とは波長がほぼ一定のＸ線をいう。

Ｘ線の発生源としては、Ｘ線管とシンクロトロン放射光が広く知られている。
Ｘ線管は、真空中でフィラメントを加熱して得られる熱電子を高電圧で加速して金属陽極（ターゲット）に衝突させて、Ｘ線を発生させる装置である。
Ｘ線管から発生するＸ線は、電子の制動放射による連続Ｘ線と、輝線スペクトルである特性Ｘ線とからなる。特性Ｘ線は、単色Ｘ線であり、特定の波長のＸ線を必要とする用途に用いられる。

シンクロトロン放射光（ＳＲ光）は、環状加速器（シンクロトロン）において、光速に近い速度まで加速した電子ビームの軌道を強力な磁石で変化させ、その軌道変化の際に発生するＸ線である。
ＳＲ光は、Ｘ線管に比べて桁違い（１０^３倍以上）に強力なＸ線源であり、高いＸ線強度を必要とする分野で用いられる。
また、小型の線形加速器を用いた小型Ｘ線発生装置も既に提案されている（例えば非特許文献１）。

一方、単色Ｘ線を用いる装置として、Ｘ線ＣＴ装置が広く知られている。Ｘ線ＣＴ装置は、測定する物体に異なる方向からＸ線を照射してその吸収を測定し、コンピュータによって画像を再構築して物体の二次元断面画像を得る装置である。
Ｘ線ＣＴ装置では、放射光から単色Ｘ線を得る手段として通常、２枚の結晶板からなるモノクロメータを用いている。

また、電子密度の測定精度を高めるために、主波と高調波の混合比が異なる２種類の単色Ｘ線を用いる混合２色Ｘ線ＣＴ装置が提案されている（例えば非特許文献２）。

一方、Ｘ線の強度や画像を検出するＸ線検出器は、気体の電離作用を利用した比例計数管、固体の蛍光作用を利用したシンチレーション計数管、固体半導体のイオン化作用を利用した半導体検出器、等が従来から知られている。
また、その他にもＸ線検出器として、非特許文献３、４や特許文献１、２が既に開示されている。

非特許文献１の「小型Ｘ線発生装置」は、図７に示すように、小型の加速器５１（Ｘバンド加速管）で加速された電子ビーム５２をレーザー５３と衝突させてＸ線５４を発生させるものである。ＲＦ電子銃５５（熱ＲＦガン）で生成されたマルチバンチ電子ビーム５２はＸバンド加速管５１で加速され、パルスレーザー光５３と衝突し、コンプトン散乱により、時間幅１０ｎｓの硬Ｘ線５４が生成される。
この装置は、一般に線形加速器で用いられるＳバンド（２．８５６ＧＨｚ）の４倍の周波数にあたるＸバンド（１１．４２４ＧＨｚ）をＲＦとして用いることにより小型化を図っており、例えばＸ線強度（光子数）：約１×１０^９ｐｈｏｔｏｎｓ／ｓ、パルス幅：約１０ｐｓの強力な硬Ｘ線の発生が予測されている。

非特許文献２の「混合２色Ｘ線ＣＴ装置」は、図８に示すように、回転フィルター６１、モノクロメータ６２、コリメータ６３、透過型イオンチェンバー６４、散乱体６５、スライド・回転テーブル６６、ＮａＩ検出器６７、及びプラスチックシンチレーションカウンター６８を備え、シンクロトロン放射光６９ａからモノクロメータ６２により４０ｋｅＶの主波Ｘ線と８０ｋｅＶの２倍高調波Ｘ線を抽出し、回転フィルター６１により４０ｋｅＶＸ線と８０ｋｅＶＸ線の混合比を調整し、散乱体６５からの散乱Ｘ線スペクトルをＮａＩ検出器６７で観察して混合比を測定し、コリメータ６３で混合２色Ｘ線６９ｂのサイズを整形し、透過型イオンチェンバー６４および被写体６０を透過させ、プラスチックシンチレーションカウンター６８で強度を測定するものである。
この装置により、電子密度の測定精度を高めるとともに、電子密度および実効原子番号のイメージ像の作成に成功している。

非特許文献３のフラットパネルディテクタは、ノートＰＣなどのフラットパネルと同様な構造のものであり、薄いＣｓＩの膜でＸ線を光の強弱に変え、これをフォトダイオードで電気信号の強弱に変えるものである。このフラットパネルディテクタは検出器の有効領域が例えば４３ｃｍ×４３ｃｍ程度の大型のものが可能であり、かつ全体が非常に薄くＸ線を透過させやすい特徴がある。

非特許文献４のＸ線イメージングデバイスは、吸収波長の違いを利用し、異なる金属材料の材料強調カラー撮像や厚みのある物体の微小段差をクリアに描き出すことができ、このダバイスをＸ線ＣＴのＸ線検出器に適用し、クリアなＣＴ再構成画像の構築を可能にするものである。

特許文献１の放射線検出器は、シンチレータとシンチレータの発光を検出するための光検出器とを備えた放射線検出器において、シンチレータが、発光中心イオンがＣｅで、Ｇｄ，Ａｌ，Ｇａ，Ｏを主要元素としたガーネット構造の酸化物蛍光体であるものである。

特許文献２のＸ線検出器交換システムは、遠隔操作により複数のＸ線検出器を切り替えることを目的とし、複数台の感度の異なるＸ線検出器が取り外し自在に配置されたＸ線検出器用交換機、交換機を回転させるモータドライバ、測定されるＸ線の強度に応じて交換機のモータを回転させてＸ線検出器を取り替えるモータコントローラ、及び無人でＸ線検出器を交換可能にするプログラミングを実行する制御コンピュータから構成されるものである。

土橋克広、他、「Ｘバンドリニアックを用いた小型硬Ｘ線源の開発」、２００２ 佐々木誠、他、「混合２色Ｘ線ＣＴシステムの開発」、医学物理 Ｖｏｌ．２３ Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ Ｎｏ．２ Ａｐｒｉｌ ２００３ ＰＨＩＬＩＰＳ フラットパネルディテクタ、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｅｄｉｃａｌ．ｐｈｉｌｉｐｓ．ｃｏｍ／ｊｐ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｘｒａｙ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｒａｄｉｏｇｒａｐｈｙ／ｆｌａｔ＿ｐａｎｅｌ／＞ 青木徹、他、「Ｅ−４０ 波長識別機能を持つ室温動作ＣｄＴｅ Ｘ線イメージングデバイス」、第１１回画像センシングシンポジウム、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｓｉｉ．ｊｐ／ＳＳＩＩ０５＿ｒｅｃｏｍｍｅｎｄ．ｐｄｆ＞

特開２００５−０９５５１４号公報、「放射線検出器及びそれを用いたＸ線ＣＴ装置」 特開２００５−１４０６１１号公報、「Ｘ線検出器交換システム」

従来の差分法による血管造影や２色Ｘ線ＣＴでは、例えば波長の異なる２種の単色Ｘ線を用い、これを短時間に切り換えて使用していた。
この場合、例えば、動的血管造影においては血管が動いていないとみなせる程度の短い時間に単色Ｘ線を切換えて像を得る必要があった。また、２色Ｘ線ＣＴの場合でも、被写体の状態が変化して再構成画像の画質が落ちるのを防ぐために、できるかぎり短時間に２種の単色Ｘ線を切り換える必要があった。

しかし、複数の単色Ｘ線を高速で切換えることは非常に困難であり、実質的には、画像のズレを回避することは不可能に近かった。
そこで、波長の異なる複数の単色Ｘ線を含む多色Ｘ線を同時に用いることが検討されている。この場合、複数の単色Ｘ線で被写体の画像を同時に取得できるため、画像のズレが全くなく鮮明な画像が得られる利点がある。

この場合、被写体の各部分を透過したＸ線の強度から被写体部分の透過係数や電子密度および実効原子番号のイメージ像を作成するには、透過した多色Ｘ線に含まれる複数の単色Ｘ線の各強度又はその比率が必要となる。
しかし、一般にＸ線検出器は、Ｘ線が検出器に落とした全エネルギーを電荷量として測定するものであり、入射光子が単独である場合に限り、そのエネルギーを測定できる。複数の光子が時間的に同時に入射した場合、入射したＸ線光子の全エネルギーは検知できるが、波長毎のエネルギーは、原理的に検知できない問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、複数の光子が時間的に同時に入射する状況において、多色Ｘ線に含まれる波長の異なる複数の単色Ｘ線を同時に検出し、かつ検出した多色Ｘ線に含まれる複数の単色Ｘ線の各強度又はその比率を求めることができる多色Ｘ線測定装置を提供することにある。

本発明によれば、互いに異なる波長λ_ｉ（ｉ＝１，２，…ｎ；ｎは２以上の整数）の複数の単色Ｘ線を含む多色Ｘ線を測定して、複数の単色Ｘ線を同時に検出する多色Ｘ線測定装置であって、
前記多色Ｘ線が順次同時に通過するように積層され、通過する多色Ｘ線の強度Ｖ_ｊ（ｊ＝１，２，…ｍ；ｍは２以上の整数）をそれぞれ検出する複数のＸ線検出器と、
前記各Ｘ線検出器の検出強度Ｖ_ｊから最上流側のＸ線検出器に入射する複数の単色Ｘ線の各強度又はその比率を演算する演算装置と、
前記積層された複数のＸ線検出器の間に、前記各波長λｉの単色Ｘ線に対する透過効率が異なり、かつ差分イメージングの対象となる特定元素を含有する吸収体と、を備える、ことを特徴とする多色Ｘ線測定装置が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記演算装置は、
前記各波長λ_ｉに対する前記複数のＸ線検出器の検出効率Ｇ_ｉｊと、
前記各波長λ_ｉの単色Ｘ線が前記複数のＸ線検出器に入射するまでの透過効率Ａ_ｉｊと、
各Ｘ線検出器の検出強度Ｖ_ｊとから、最上流側のＸ線検出器に入射する複数の単色Ｘ線の各強度Ｉ_ｉ（ｉ＝１，２，…ｎ）又はその比率を演算する。

また、本発明の好ましい実施形態によれば、前記多色Ｘ線は、互いに異なる波長λ_１，λ_２を有する２種の単色Ｘ線を含み、
前記複数のＸ線検出器は、互いに積層された上流側の第１Ｘ線検出器と下流側の第２Ｘ線検出器からなり、
前記演算装置は、
前記各波長λ_１，λ_２に対する、第１Ｘ線検出器の検出効率Ｇ_１１，Ｇ_２１と、第２Ｘ線検出器の検出効率Ｇ_１２，Ｇ_２２と、
前記各波長λ_１，λ_２の単色Ｘ線が第２Ｘ線検出器に入射するまでの透過効率Ａ_１２，Ａ_２２と、
第１Ｘ線検出器と第２Ｘ線検出器の検出強度Ｖ_１，Ｖ_２とから、下記の式（１）（２）により、第１Ｘ線検出器に入射する２種の単色Ｘ線の各強度Ｉ_１，Ｉ_２を演算する。
Ｖ_１＝Ｉ_１×Ｇ_１１＋Ｉ_２×Ｇ_２１・・・（１）
Ｖ_２＝Ｉ_１×Ａ_１２×Ｇ_１２＋Ｉ_２×Ａ_２２×Ｇ_２２・・・（２）

また、本発明の好ましい別の実施形態によれば、前記多色Ｘ線は、互いに異なる波長λ_１，λ_２，λ_３を有する３種の単色Ｘ線を含み、
前記複数のＸ線検出器は、互いに積層された上流側の第１Ｘ線検出器、中間の第２Ｘ線検出器、及び下流側の第３Ｘ線検出器からなり、
前記演算装置は、
前記各波長λ_１，λ_２，λ_３に対する、第１Ｘ線検出器の検出効率Ｇ_１１，Ｇ_２１，Ｇ_３１と、第２Ｘ線検出器の検出効率Ｇ_１２，Ｇ_２２，Ｇ_３２と、第３Ｘ線検出器の検出効率Ｇ_１３， Ｇ_２３，Ｇ_３３と、
前記各波長λ_１，λ_２，λ_３の単色Ｘ線が、第２Ｘ線検出器に入射するまでの透過効率Ａ_１２，Ａ_２２，Ａ_３２と、第３Ｘ線検出器に入射するまでの透過効率Ａ_１３，Ａ_２３，Ａ_３３と、
第１Ｘ線検出器、第２Ｘ線検出器および第３Ｘ線検出器の検出強度Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３とから、下記の式（３）（４）（５）により、第１Ｘ線検出器に入射する３種の単色Ｘ線の各強度Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３を演算する。
Ｖ_１＝Ｉ_１×Ｇ_１１＋Ｉ_２×Ｇ_２１＋Ｉ_３×Ｇ_３１・・・（３）
Ｖ_２＝Ｉ_１×Ａ_１２×Ｇ_１２＋Ｉ_２×Ａ_２２×Ｇ_２２＋Ｉ_３×Ａ_３２×Ｇ_３２・・・（４）
Ｖ_３＝Ｉ_１×Ａ_１３×Ｇ_１３＋Ｉ_２×Ａ_２３×Ｇ_２３＋Ｉ_３×Ａ_３３×Ｇ_３３・・・（５）

上記本発明の装置及び方法によれば、多色Ｘ線が順次同時に通過するように積層された複数のＸ線検出器と、各Ｘ線検出器の検出強度Ｖ_ｊから最上流側のＸ線検出器に入射する前記複数の単色Ｘ線の各強度又はその比率を演算する演算装置とを備えるので、複数の光子が時間的に同時に入射する状況において、各Ｘ線検出器を通過する多色Ｘ線の各強度Ｖ_ｊ（ｊ＝１，２，…ｎ）をそれぞれ検出し、これから複数の単色Ｘ線の各強度又はその比率を演算することができる。

すなわち、複数の光子が時間的に同時に入射する状況において、各波長λ_ｉの単色Ｘ線に対する複数のＸ線検出器の検出効率Ｇ_ｉｊと、各波長λ_ｉの単色Ｘ線が複数のＸ線検出器に入射するまでの透過効率Ａ_ｉｊはそれぞれ相違しており、これらは予め検定等で求めることができるので、これらの値を用いて各Ｘ線検出器の検出強度Ｖ_ｊは上述した式（１）（２）、又は式（３）〜（５）、等で表すことができる。
従って、演算装置を用いてこれらの式から、複数の単色Ｘ線の各強度又はその比率を演算することができる。

従って、本発明の装置及び方法を放射光施設のアンジュレーターやコンプトン散乱Ｘ線源などの混合（多波長）単色Ｘ線源と組み合わせ、２色（多色）Ｘ線ＣＴや動的差分イメージング等に利用することにより、２色Ｘ線ＣＴ等での画像取得が高速化されるだけでなく、完全なる動的差分イメージングを実現可能となる。
また、その他の多色Ｘ線の応用においてもＸ線波長の切り替えや検出器の波長切り替えなどを考慮する必要がなくなり、利便性が向上する。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

はじめに本発明の原理について説明する。
上述したように、Ｘ線は波長が約０．０１〜１００Å（１０-^１２〜１０-^８ｍ）程度の電磁波であり、波長がほぼ一定の単色Ｘ線の場合、波長λ［Å］と光量子エネルギーＥ［ｋｅＶ］との間には、式（６）の関係がある。
Ｅ＝１２．４／λ・・・（６）
従って、単色Ｘ線では、波長λ［Å］と光量子エネルギーＥ［ｋｅＶ］は１対１で対応しており、例えば、後述する実施例において、光量子エネルギーが１５ｋｅＶ，３０ｋｅＶの単色Ｘ線の波長λはそれぞれ０．８３Å、０．４１Åである。

またＸ線がある物質中をｘの距離透過する際の、Ｘ線強度Ｉは、式（７）で表される。
Ｉ＝Ｉ_０ｅｘｐ（-μｘ）・・・（７）
ここで、Ｉ_０は物質に入射する前のＸ線強度、μは線吸収係数である。
線吸収係数は、一般的に物質と波長により異なることが知られている。例えば、同一の物質の場合、波長が長くなるほど線吸収係数は増大するため透過しにくくなり、逆に波長が短くなるほど線吸収係数は減少し透過しやすくなる。

密度をρとすると、式（７）は式（８）のように書き換えることができる。
Ｉ＝Ｉ_０ｅｘｐ（-μ／ρ）（ρｘ）・・・（８）
このμ／ρは、質量吸収係数と呼ばれ、物質固有の値をもつことが知られている。この質量吸収係数は、Ｘ線の波長が短いと小さく、Ｘ線の波長が長いと大きい値となるが、連続した変化ではなく途中で不連続な吸収端を一般に有する。

しかし、各吸収端の中間では近似的に式（９）が成り立つ。
μ／ρ＝ｋ×λ^３×Ｚ^３・・・（９）
ここでｋは定数、Ｚは実効原子番号である。この式から一定の波長に対しては吸収端を無視すれば一般に重元素になるほど吸収係数は増加し、Ｘ線は通りにくくなることがわかる。

図１は、本発明の多色Ｘ線測定装置を適用する装置（例えばＸ線ＣＴ装置）の原理図である。この図において、ある被写体に異なる波長λ_１，λ_２の２種の単色Ｘ線を透過させ、通過後の各Ｘ線強度Ｉ_１，Ｉ_２を計測する場合を想定する。
この場合、入射Ｘ線強度Ｉ_１０，Ｉ_２０が既知であれば、式（７）からμ_１、μ_２が決まり、上記（９）を満たす次式（９ａ）（９ｂ）が得られる。
μ_１／ρ＝ｋ×λ_１ ^３×Ｚ^３・・・（９ａ）
μ_２／ρ＝ｋ×λ_２ ^３×Ｚ^３・・・（９ｂ）
式（９ａ）（９ｂ）における未知数は物質のρとＺのみであり、この２式を解くことにより物質のρとＺを求めることができる。
なお、上述した式（９）は近似式であり、実際には更に精度の高い式が用いられる。

上述した図１の例において、各単色Ｘ線の物質通過後の各Ｘ線強度Ｉ_１，Ｉ_２は別々に計測できることが前提となる。しかし、複数の光子が時間的に同時に入射する状況において、通常のＸ線検出器で波長の異なる複数の単色Ｘ線を同時に検出すると複数の単色Ｘ線の強度の合計（すなわち全エネルギー）を計測してしまい、これを区別して計測することは原理的にできない。
本発明はこの問題を解決し、複数の単色Ｘ線を同時に検出し、かつ複数の単色Ｘ線の各強度又はその比率を求めることを可能にするものである。

図２は、本発明に関連する多色Ｘ線測定装置の第１実施形態を示す全体構成図である。この図において、本発明に関連する多色Ｘ線測定装置１０は、互いに異なる波長λ_１，λ_２を有する２種の単色Ｘ線１ａ、２ａを含む多色Ｘ線を測定する装置である。

この多色Ｘ線測定装置１０は、上流側の第１Ｘ線検出器１２、下流側の第２Ｘ線検出器１４、および演算装置２０を備える。上流側の第１Ｘ線検出器１２と下流側の第２Ｘ線検出器１４は、多色Ｘ線（２種の単色Ｘ線１ａ、２ａ）が順次同時に通過するように互いに積層されている。また、演算装置２０は、第１Ｘ線検出器１２と第２Ｘ線検出器１４の検出強度Ｖ_１，Ｖ_２から第１Ｘ線検出器１２に入射する２種の単色Ｘ線１ａ、２ａの各強度Ｉ_１，Ｉ_２又はその比率を演算する機能を有する。

図２において、波長λ_１，λ_２の単色Ｘ線に対する第１Ｘ線検出器１２の検出効率をＧ_１１，Ｇ_２１とすると、第１Ｘ線検出器１２の検出強度Ｖ_１は、式（１）で表される。
Ｖ_１＝Ｉ_１×Ｇ_１１＋Ｉ_２×Ｇ_２１・・・（１）
また、波長λ_１，λ_２の単色Ｘ線が第２Ｘ線検出器１４に入射するまでの透過効率をＡ_１２，Ａ_２２とすると、第２Ｘ線検出器１４に入射する２種の単色Ｘ線１ｂ、２ｂの各強度Ｉ_１ｂ，Ｉ_２ｂは、式（１０ａ）（１０ｂ）で表される。
Ｉ_１ｂ＝Ｉ_１×Ａ_１２・・・（１０ａ）
Ｉ_２ｂ＝Ｉ_２×Ａ_２２・・・（１０ｂ）
従って、波長λ_１，λ_２の単色Ｘ線に対する第２Ｘ線検出器１４の検出効率をＧ_１２，Ｇ_２２とすると、第２Ｘ線検出器１４の検出強度Ｖ_２は、式（２）で表される。
Ｖ_２＝Ｉ_１×Ａ_１２×Ｇ_１２＋Ｉ_２×Ａ_２２×Ｇ_２２・・・（２）

演算装置２０は、例えばＰＣ（パーソナルコンピュータ）であり、各波長λ_１，λ_２の単色Ｘ線に対する、第１Ｘ線検出器１２の検出効率Ｇ_１１，Ｇ_２１と、第２Ｘ線検出器１４の検出効率Ｇ_１２，Ｇ_２２と、各波長λ_１，λ_２の単色Ｘ線が第２Ｘ線検出器１４に入射するまでの透過効率Ａ_１２，Ａ_２２と、第１Ｘ線検出器１２と第２Ｘ線検出器１４の検出強度Ｖ_１，Ｖ_２とから、上述した式（１）（２）により、第１Ｘ線検出器１２に入射する２種の単色Ｘ線の各強度Ｉ_１，Ｉ_２を演算するようになっている。

すなわち、上述した各波長λ_１，λ_２の単色Ｘ線に対する、第１Ｘ線検出器１２と第２Ｘ線検出器１４の検出効率Ｇ_１１，Ｇ_２１と、第２Ｘ線検出器１２に入射するまでの透過効率Ａ_１２，Ａ_２２はそれぞれ相違しており、これらは予め検定等で求めることができるので、これらの値を用いて上述した式から、２種の単色Ｘ線の各強度Ｉ_１，Ｉ_２又はその比率を演算することができる。

図３は、本発明の多色Ｘ線測定装置の実施形態を示す全体構成図である。この図において、本発明の多色Ｘ線測定装置１０は、第１Ｘ線検出器１２と第２Ｘ線検出器１４の間に各波長λ_１，λ_２の単色Ｘ線に対する透過効率の異なる吸収体１８を備える。この吸収体１８は、例えば差分イメージングの対象となる特定元素を含有するのが好ましい。その他の構成は、図２と同様である。

図３において、吸収体１８の各波長λ_１，λ_２の単色Ｘ線に対する透過効率をＢ_１，Ｂ_２とすると、各波長λ_１，λ_２の単色Ｘ線が下流側の第２Ｘ線検出器１４に入射するまでの透過効率Ａ_１２，Ａ_２２は、透過効率Ｂ_１，Ｂ_２倍に変化する。
しかし、透過効率をＢ_１，Ｂ_２も、予め検定等で求めることができるので、これらの値を用いて吸収体の影響を含めた透過効率Ａ_１２，Ａ_２２を予め求めることができる。
従って、この場合でも、第１Ｘ線検出器１２と第２Ｘ線検出器１４の検出強度Ｖ_１，Ｖ_２から、上述した式（１）（２）により、第１Ｘ線検出器に入射する２種の単色Ｘ線の各強度Ｉ_１，Ｉ_２を演算することができる。

すなわち、吸収体を用いる場合でも、「吸収体の透過効率を含めてＸ線検出器に入射するまでの透過効率」を用いることで、常に式（１）（２）により、第１Ｘ線検出器１２に入射する２種の単色Ｘ線の各強度Ｉ_１，Ｉ_２を演算することができる。
後述する他の例の場合も同様である。

図４は、本発明に関連する多色Ｘ線測定装置の第２実施形態を示す全体構成図である。この図において、本発明に関連する多色Ｘ線測定装置１０は、互いに異なる波長λ_１，λ_２，λ_３を有する３種の単色Ｘ線１ａ、２ａ、３ａを含む多色Ｘ線を測定する装置である。

この多色Ｘ線測定装置１０は、上流側の第１Ｘ線検出器１２、中間の第２Ｘ線検出器１４、下流側の第３Ｘ線検出器１６、及び演算装置２０を備える。３台のＸ線検出器１２、１４、１６は、多色Ｘ線（３種の単色Ｘ線１ａ、２ａ、３ａ）が順次同時に通過するように互いに積層されている。また、演算装置２０は、第１Ｘ線検出器１２、第２Ｘ線検出器１４および第３Ｘ線検出器１６の検出強度Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３から第１Ｘ線検出器１２に入射する３種の単色Ｘ線１ａ、２ａ、３ａの各強度Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３又はその比率を演算する機能を有する。

図４において、各波長λ_１，λ_２，λ_３に対する、第１Ｘ線検出器１２の検出効率Ｇ_１１，Ｇ_２１，Ｇ_３１と、第２Ｘ線検出器１４の検出効率Ｇ_１２，Ｇ_２２，Ｇ_３２と、第３Ｘ線検出器１６の検出効率Ｇ_１３， Ｇ_２３，Ｇ_３３と、各波長λ_１，λ_２，λ_３の単色Ｘ線が、第２Ｘ線検出器１４に入射するまでの透過効率Ａ_１２，Ａ_２２，Ａ_３２と、第３Ｘ線検出器１６に入射するまでの透過効率Ａ_１３，Ａ_２３，Ａ_３３とは、予め検定等で得られているものとする。
この場合、各Ｘ線検出器１２、１４、１６の検出強度Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３は、下記の式（３）（４）（５）で表され、これから、第１Ｘ線検出器に入射する３種の単色Ｘ線の各強度Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３を演算することができる。
Ｖ_１＝Ｉ_１×Ｇ_１１＋Ｉ_２×Ｇ_２１＋Ｉ_３×Ｇ_３１・・・（３）
Ｖ_２＝Ｉ_１×Ａ_１２×Ｇ_１２＋Ｉ_２×Ａ_２２×Ｇ_２２＋Ｉ_３×Ａ_３２×Ｇ_３２・・・（４）
Ｖ_３＝Ｉ_１×Ａ_１３×Ｇ_１３＋Ｉ_２×Ａ_２３×Ｇ_２３＋Ｉ_３×Ａ_３３×Ｇ_３３・・・（５）

また、この例においても、３台のＸ線検出器１２、１４、１６の間に各波長λ_１，λ_２，λ_３の単色Ｘ線に対する透過効率の異なる吸収体（図示せず）を備えることが好ましい。またこの吸収体は、例えば差分イメージングの対象となる特定元素を含有するのが好ましい。

次に図１において、波長（エネルギー）が判明している２波長λ_１，λ_２の単色Ｘ線を被写体に照射し、透過したＸ線を本発明の多色Ｘ線測定装置１０で検出する場合について説明する。
この場合、使用する多色Ｘ線測定装置１０は、例えば図２に示したものであり、被写体の下流に設置される第１Ｘ線検出器１２とそのさらに下流に設置される第２Ｘ線検出器１４を備える。
なお、さらに第３、第４のＸ線検出器を設置してもよい。また隣接するＸ線検出器同士の間には、図３のようにＸ線吸収体１８を設置するのが好ましいが、必須ではなく自由空間でもよい。

各Ｘ線検出器におけるＸ線の検出効率はＸ線エネルギーによって一般に異なる。ここでは、第１Ｘ線検出器１２における第１波長λ_１に対する検出効率をＧ_１１，第２波長λ_２（ここでは第１波長λ_１よりも短いものとする）に対する検出効率をＧ_２１とする。また、各波長λ_１，λ_２に対する第２Ｘ線検出器１４の検出効率Ｇ_１２，Ｇ_２２とする。
第１Ｘ線検出器１２に入射するそれぞれの波長の各強度をＩ_１，Ｉ_２とし、各波長λ_１，λ_２の単色Ｘ線が第２Ｘ線検出器１４に入射するまでの透過効率をＡ_１２，Ａ_２２（第２Ｘ線検出器１４に入射するＸ線は、第１Ｘ線検出器１２に入射するＸ線のＡ_１２倍あるいはＡ_２２倍）とする。このとき、各Ｘ線検出器１２、１４での検出強度Ｖ_１，Ｖ_２は、上述した式（１）（２）のように表すことができる。

これより、第１Ｘ線検出器１２に入射するＸ線の各強度は、式（１１ａ）（１１ｂ）と表せる。
Ｉ_２＝（Ｖ_２×Ａ_２２×Ｇ_１２-Ｖ_１×Ｇ_１１）
／（Ａ_１２×Ｇ_１２×Ｇ_２１-Ａ_２２×Ｇ_１１×Ｇ_２２）・・・（１１ａ）
Ｉ_１＝（Ｖ_１×Ａ_２２×Ｇ_２２-Ｖ_２×Ｇ_２１）
／（Ａ_２２×Ｇ_１１×Ｇ_２２-Ａ_１２×Ｇ_１２×Ｇ_２１）・・・（１１ｂ）

一般に、Ａ_１２，Ａ_２２は異なり（それぞれの波長とＸ線吸収体の物質に依る）、Ｖ_１，Ｖ_２を測定することにより式（１１ａ）（１１ｂ）から、第１Ｘ線検出器１２に入射するＸ線の各強度、すなわちＸ線の混合比を知ることができる。

Ｘ線が３波長の場合は、Ａ_１３，Ａ_２３，Ａ_３３を第３Ｘ線検出器１６の手前に存在する全ての検出器及びＸ線吸収体での各波長に対するＸ線透過率とすると、それぞれのＸ線検出器の信号強度は、上述した式（３）（４）（５）のように表される。
従って、この式を最上流側のＸ線検出器の入射Ｘ線強度Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３について解けば、各波長の混合比が判明する。
また、検出器の数が波長の数より多い場合、上記の式に最小自乗法を適用することにより、波長混合比の推定値の誤差を見積もることができる。

また、例として、特定元素のＫエッジを用いた差分イメージング等に適用する場合においては、差分イメージングの対象となる特定元素をＸ線吸収体１８とすることにより、各波長におけるＸ線減衰の割合を大きく（つまりＡ_１２，Ａ_２２の比を大きく）とることができ、高精度でのイメージングを実現できる。

Ｘ線が３波長以上の場合も同様であり、Ｘ線検出器を波長の数だけ設置することにより、各波長の混合比がもとめられる。
この場合、互いに異なる波長λ_ｉ（ｉ＝１，２，…ｎ；ｎは２以上の整数）の複数の単色Ｘ線に対し、波長の数と同数以上の複数（ｍ；ｍは２以上の整数）のＸ線検出器を用いる。
複数のＸ線検出器は、前記多色Ｘ線が順次同時に通過するように積層され、通過する多色Ｘ線の強度Ｖ_ｊ（ｊ＝１，２，…ｍ；ｍは２以上の整数）をそれぞれ検出する。
演算装置２０は、各波長λ_ｉに対する前記複数のＸ線検出器の検出効率Ｇ_ｉｊと、各波長λ_ｉの単色Ｘ線が前記複数のＸ線検出器に入射するまでの透過効率Ａ_ｉｊと、各Ｘ線検出器の検出強度Ｖ_ｊとから、最上流側のＸ線検出器に入射する複数の単色Ｘ線の各強度Ｉ_ｉ（ｉ＝１，２，…ｎ）又はその比率を演算する。

また、本発明の方法によれば、上述した複数のＸ線検出器と演算装置を用い、
多色Ｘ線が順次同時に通過するように複数のＸ線検出器を積層して配置し、
各Ｘ線検出器を通過する多色Ｘ線の強度Ｖ_ｊ（ｊ＝１，２，…ｍ；ｍは２以上の整数）をそれぞれ検出し、
検出された各検出強度Ｖｊから最上流側のＸ線検出器に入射する複数の単色Ｘ線の各強度又はその比率を演算する。

なお、上述した各実施形態において、各Ｘ線検出器の間隔は、必須ではなく、例えば、互いに密着して一体に形成してもよい。
また、本発明を構成する各Ｘ線検出器は、多数の検出器が２次元的に配列され２次元画像が同時に撮像できるものが好ましい。この構成により、複数の単色Ｘ線の各強度又はその比率を演算すると同時に、被写体を透過したＸ線画像を撮像することができる。

以下、本発明の実施例を説明する。
最も簡単な実施例は図２に示したように２個のＸ線検出器１２、１４を並べたものである。Ｘ線検出器には、透過効率や検出効率ができるだけ均一のものが好ましく、例えば非特許文献３に示した平面型Ｘ線検出器や、固体半導体のイオン化作用を利用した半導体検出器、或いは薄いＣｓＩ膜とＣＣＤの組み合わせ等を用いるのがよい。
特にＣｓＩ（ヨウ化セリウム）はＸ線吸収率が高いため効率の高い検出が可能である。
また上流側の第２Ｘ線検出器１２内でのＸ線の散乱等による下流側の第２Ｘ線検出器１４での像の滲みをさけるため、各Ｘ線検出器は極端に近づけるか、或いは適当な距離だけ離すことが望ましい。

ここで、図２の多色Ｘ線測定装置において、１５ｋｅＶと３０ｋｅＶの２色Ｘ線をこの装置で検出する場合を考える。この場合、光量子エネルギーが１５ｋｅｖ，３０ｋｅＶの単色Ｘ線の波長λはそれぞれ０．８３Å、０．４１Åである。

図５は第１Ｘ線検出器１２のＣｓＩ層を１００μｍとした場合の、第１Ｘ線検出器１２でのＸ線透過率であり、ＣｓＩ以外の層については無視している。算出は、米国ローレンスバークレー国立研究所の計算プログラム、（
1127277424890_0.html
）に拠った。
１５ｋｅＶでは７．６％のＸ線が、また３０ｋｅＶ付近では６８％のＸ線が透過する。透過していないＸ線は吸収され信号として検出されると考えられる。第１Ｘ線検出器１２を透過したＸ線は第２Ｘ線検出器１４で検出される。このとき、第２Ｘ線検出器１４のＣｓＩ層は特別な問題がある場合を除き出来るだけ厚いほうがよい。しかしあまり厚くすると、ＣｓＩ層内でのＸ線の散乱や、蛍光の散乱及び減衰により取得像が滲む可能性がある。

第２Ｘ線検出器１４のＣｓＩ層を３００μｍとした場合の、第２Ｘ線検出器１４のＸ線透過率は図６のようになる。１５ｋｅＶでは０．４５％、３０ｋｅＶでは３２％が透過する。Ｘ線が検出器のＣｓＩ以外の部分で減衰しないとし、ＣｓＩ部分で吸収されたものは全て検出されるとした場合、本装置全体でのＸ線検出効率は１５ｋｅＶでは９９．９％、３０ｋｅＶ付近では９７．８％となる。

前述の通り、入射するＸ線の各強度は、Ｘ線の透過率と検出効率より、式（１１ａ）（１１ｂ）で算出されるが、本実施例では、Ａ_１２＝０．０７６、Ａ_２２＝０．６８、Ｇ_１１＝１-０．０７６＝０．９２４、Ｇ_２１＝１-０．６８＝０．３２、Ｇ_１２＝１-０．００４５＝０．９９５５、Ｇ_２２＝１-０．３２＝０．６８である。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

本発明の多色Ｘ線測定装置を適用する装置の原理図である。 本発明に関連する多色Ｘ線測定装置の第１実施形態を示す全体構成図である。 本発明の多色Ｘ線測定装置の実施形態を示す全体構成図である。 本発明に関連する多色Ｘ線測定装置の第２実施形態を示す全体構成図である。 第１Ｘ線検出器のＣｓＩ層を１００μｍとした場合のＸ線透過率である。 第２Ｘ線検出器のＣｓＩ層を３００μｍとした場合のＸ線透過率である。 非特許文献１の「小型Ｘ線発生装置」の模式図である。 非特許文献２の「混合２色Ｘ線ＣＴ装置」の模式図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ 波長λ_１の単色Ｘ線、
２ａ、２ｂ 波長λ_２の単色Ｘ線、
３ａ、３ｂ 波長λ_３の単色Ｘ線、
１０ 多色Ｘ線測定装置、
１２ 第２Ｘ線検出器、
１４ 第２Ｘ線検出器、
１６ 第３Ｘ線検出器、
１８ 吸収体、２０ 演算装置

Claims (4)

1. 互いに異なる波長λ_ｉ（ｉ＝１，２，…ｎ；ｎは２以上の整数）の複数の単色Ｘ線を含む多色Ｘ線を測定して、複数の単色Ｘ線を同時に検出する多色Ｘ線測定装置であって、
   前記多色Ｘ線が順次同時に通過するように積層され、通過する多色Ｘ線の強度Ｖ_ｊ（ｊ＝１，２，…ｍ；ｍは２以上の整数）をそれぞれ検出する複数のＸ線検出器と、
   前記各Ｘ線検出器の検出強度Ｖ_ｊから最上流側のＸ線検出器に入射する複数の単色Ｘ線の各強度又はその比率を演算する演算装置と、
   前記積層された複数のＸ線検出器の間に、前記各波長λｉの単色Ｘ線に対する透過効率が異なり、かつ差分イメージングの対象となる特定元素を含有する吸収体と、を備える、ことを特徴とする多色Ｘ線測定装置。
2. 前記演算装置は、
   前記各波長λ_ｉに対する前記複数のＸ線検出器の検出効率Ｇ_ｉｊと、
   前記各波長λ_ｉの単色Ｘ線が前記複数のＸ線検出器に入射するまでの透過効率Ａ_ｉｊと、
   各Ｘ線検出器の検出強度Ｖ_ｊとから、最上流側のＸ線検出器に入射する複数の単色Ｘ線の各強度Ｉ_ｉ（ｉ＝１，２，…ｎ）又はその比率を演算する、ことを特徴とする請求項１に記載の多色Ｘ線測定装置。
3. 前記多色Ｘ線は、互いに異なる波長λ_１，λ_２を有する２種の単色Ｘ線を含み、
   前記複数のＸ線検出器は、互いに積層された上流側の第１Ｘ線検出器と下流側の第２Ｘ線検出器からなり、
   前記演算装置は、
   前記各波長λ_１，λ_２に対する、第１Ｘ線検出器の検出効率Ｇ_１１，Ｇ_２１と、第２Ｘ線検出器の検出効率Ｇ_１２，Ｇ_２２と、
   前記各波長λ_１，λ_２の単色Ｘ線が第２Ｘ線検出器に入射するまでの透過効率Ａ_１２，Ａ_２２と、
   第１Ｘ線検出器と第２Ｘ線検出器の検出強度Ｖ_１，Ｖ_２とから、下記の式（１）（２）により、第１Ｘ線検出器に入射する２種の単色Ｘ線の各強度Ｉ_１，Ｉ_２を演算する、
   
   Ｖ_１＝Ｉ_１×Ｇ_１１＋Ｉ_２×Ｇ_２１・・・（１）
   Ｖ_２＝Ｉ_１×Ａ_１２×Ｇ_１２＋Ｉ_２×Ａ_２２×Ｇ_２２・・・（２）
   
   ことを特徴とする請求項１に記載の多色Ｘ線測定装置。
4. 前記多色Ｘ線は、互いに異なる波長λ_１，λ_２，λ_３を有する３種の単色Ｘ線を含み、
   前記複数のＸ線検出器は、互いに積層された上流側の第１Ｘ線検出器、中間の第２Ｘ線検出器、及び下流側の第３Ｘ線検出器からなり、
   前記演算装置は、
   前記各波長λ_１，λ_２，λ_３に対する、第１Ｘ線検出器の検出効率Ｇ_１１，Ｇ_２１，Ｇ_３１と、第２Ｘ線検出器の検出効率Ｇ_１２，Ｇ_２２，Ｇ_３２と、第３Ｘ線検出器の検出効率Ｇ_１３，Ｇ_２３，Ｇ_３３と、
   前記各波長λ_１，λ_２，λ_３の単色Ｘ線が、第２Ｘ線検出器に入射するまでの透過効率Ａ_１２，Ａ_２２，Ａ_３２と、第３Ｘ線検出器に入射するまでの透過効率Ａ_１３，Ａ_２３，Ａ_３３と、
   第１Ｘ線検出器、第２Ｘ線検出器および第３Ｘ線検出器の検出強度Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３とから、下記の式（３）（４）（５）により、第１Ｘ線検出器に入射する３種の単色Ｘ線の各強度Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３を演算する、
   
   Ｖ_１＝Ｉ_１×Ｇ_１１＋Ｉ_２×Ｇ_２１＋Ｉ_３×Ｇ_３１・・・（３）
   Ｖ_２＝Ｉ_１×Ａ_１２×Ｇ_１２＋Ｉ_２×Ａ_２２×Ｇ_２２＋Ｉ_３×Ａ_３２×Ｇ_３２・・・（４）
   Ｖ_３＝Ｉ_１×Ａ_１３×Ｇ_１３＋Ｉ_２×Ａ_２３×Ｇ_２３＋Ｉ_３×Ａ_３３×Ｇ_３３・・・（５）
   
   ことを特徴とする請求項１に記載の多色Ｘ線測定装置。
   

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