JP5522347B2 - X-ray image inspection device - Google Patents
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Description
本発明は、Ｘ線画像検査装置に関し、特に、特性Ｘ線を用いて検査対象を撮像するＸ線画像検査装置に関する。 The present invention relates to an X-ray image inspection apparatus, and more particularly, to an X-ray image inspection apparatus that images an inspection object using characteristic X-rays.
物質の透過力が高いＸ線を使ったイメージングは、医療診断のほか、工業材料、電子部品等の非破壊検査の分野で幅広く使われている。特に、非破壊検査の分野では、焦点サイズがミクロンオーダーのマイクロフォーカスＸ線発生器の開発が進み、空間分解能が大幅に向上してきた。マイクロフォーカスＸ線発生器は、加速した電子線をターゲット金属上に収束させ、ターゲット金属上のＸ線焦点のサイズをミクロンオーダーとすることによって、Ｘ線透過像の高分解能化を図るものである。 Imaging using X-rays with high substance permeability is widely used in the field of non-destructive inspection of industrial materials, electronic parts, etc. in addition to medical diagnosis. In particular, in the field of non-destructive inspection, the development of microfocus X-ray generators with a focus size of the micron order has progressed, and the spatial resolution has been greatly improved. The microfocus X-ray generator focuses an accelerated electron beam on the target metal and increases the resolution of the X-ray transmission image by setting the size of the X-ray focal point on the target metal to the micron order. .
従来、工業用非破壊検査の分野で広く使われているＸ線検査装置の測定対象は、金属部材や電子部品、半導体基板などで、厚みのある金属やＸ線減衰の大きな金、スズ、鉛など原子番号の大きい材質からなるものが多かった。このようなＸ線検査装置は、透過力の大きな高エネルギーＸ線発生器と、高エネルギーＸ線を効率よく捕集して可視光に変換するシンチレータ付きの検出器で構成されるものが一般的であり、空間分解能の追求が行われてきた。 Conventionally, X-ray inspection devices widely used in the field of industrial nondestructive inspection are metal members, electronic parts, semiconductor substrates, etc., which are thick metal, gold, tin, lead with large X-ray attenuation. Many of them consisted of materials with large atomic numbers. Such an X-ray inspection apparatus is generally composed of a high-energy X-ray generator having a large transmission power and a detector with a scintillator that efficiently collects high-energy X-rays and converts them into visible light. The pursuit of spatial resolution has been carried out.
今日、測定対象が従来の金属部品から錠剤、生体、高分子、繊維、ファインセラミックスなどに移行し、バイオ医薬、化粧品、食品関連での応用が広がっている。これらの柔らかい物質は原子番号の低い元素、すなわちＸ線吸収の少ない材質で構成されることが多い。Ｘ線画像での分解能はＸ線吸収差にも依存するため、空間分解能の評価に加え、Ｘ線吸収のわずかな差異を識別するための、濃度またはコントラスト分解能を同時に向上させることが必要となる。 Today, measurement objects are shifting from conventional metal parts to tablets, living bodies, polymers, fibers, fine ceramics, etc., and applications in biopharmaceuticals, cosmetics, and foods are expanding. These soft substances are often composed of an element with a low atomic number, that is, a material with low X-ray absorption. Since the resolution in an X-ray image also depends on the X-ray absorption difference, it is necessary to simultaneously improve the density or contrast resolution for discriminating slight differences in X-ray absorption in addition to evaluating spatial resolution. .
しかし、現在の高分解能のＸ線画像検査装置では、タングステンをターゲットとした白色スペクトルのＸ線発生器を使用している（下記特許文献１参照）。タングステンは融点も高く（３６６０Ｋ）、温度拡散率も比較的高い（銅の約４６％）ので、電子線収束による局所的な温度上昇に対して損傷することが少ない。したがって、診断用Ｘ線発生器としても、工業用非破壊検査のＸ線発生器のターゲットとしても、広く一般的に用いられている。 However, the current high-resolution X-ray image inspection apparatus uses a white spectrum X-ray generator targeting tungsten (see Patent Document 1 below). Tungsten has a high melting point (3660 K) and a relatively high temperature diffusivity (about 46% of copper), so that it is less likely to be damaged by a local temperature rise due to electron beam convergence. Therefore, it is widely used both as a diagnostic X-ray generator and as a target for industrial non-destructive X-ray generators.
図１は、タングステンターゲットのＸ線管スペクトルを示す図である。図１から分かるように、タングステンターゲットから発生するスペクトルは、加速電子の印加電圧の範囲で広く分布する制動放射による連続Ｘ線と、元素外殻電子の遷移による単一波長の特性Ｘ線（Ｋα１＝５９．３ＫｅＶ、Ｋβ１＝６７．２ＫｅＶ）が合成されたスペクトルとなっている。したがって、通常のＸ線検査装置では、Ｘ線発生器からのＸ線は白色スペクトルのＸ線となり、様々な波長のＸ線成分が交じり合ったＸ線となって被写体を透過し、検出面に透過画像を形成する。 FIG. 1 is a diagram showing an X-ray tube spectrum of a tungsten target. As can be seen from FIG. 1, the spectrum generated from the tungsten target includes continuous X-rays due to bremsstrahlung widely distributed in the range of applied voltages of accelerated electrons, and single-wavelength characteristic X-rays (Kα1) due to transitions of elemental shell electrons. = 59.3 KeV, Kβ1 = 67.2 KeV). Therefore, in a normal X-ray inspection apparatus, the X-ray from the X-ray generator becomes an X-ray of a white spectrum, which is an X-ray in which X-ray components of various wavelengths are mixed and passes through the subject, and enters the detection surface. A transmission image is formed.
一方、ある物質のＸ線吸収率は、Ｘ線フォトンのエネルギーによって異なる。このため、画像の輝度変化すなわちコントラストが、物質の密度ないし成分を反映したものとはならず、同じ物質であってもＸ線エネルギーによって画像の輝度が変化してしまう。Ｘ線スペクトルが通常のＸ線管のように異なるエネルギー成分の総和である場合、結果として検出器に記録される輝度は、これらの透過成分の積分値となる。検出されるＸ線強度はエネルギーに依存するため、異なるエネルギーの積分値で決まる輝度は、被写体の成分や透過距離に一意の輝度値ではなくなり、被写体のコントラスト分解能が低下することとなる。 On the other hand, the X-ray absorption rate of a certain substance varies depending on the energy of X-ray photons. For this reason, the brightness change of the image, that is, the contrast does not reflect the density or component of the substance, and the brightness of the image changes depending on the X-ray energy even if the same substance is used. When the X-ray spectrum is the sum of different energy components as in a normal X-ray tube, the resulting luminance recorded in the detector is an integral value of these transmitted components. Since the detected X-ray intensity depends on energy, the luminance determined by the integral value of different energy is not a luminance value unique to the component or transmission distance of the subject, and the contrast resolution of the subject is reduced.
従来のように測定対象が電子部品や金属部品である場合、構成成分はＸ線減衰の大きな原子番号の大きな元素であることが多く、多少のコントラストの誤差は検査結果に影響を及ぼすことは少なかった。しかし、測定対象が生体材料や高分子、医薬品の場合、構成元素は炭素、酸素、水素、窒素など原子番号の小さい材料からなる場合が多く、高いコントラスト分解能が必要となる。 When the measurement target is an electronic component or a metal component as in the past, the constituent component is often an element having a large atomic number with a large X-ray attenuation, and a slight contrast error does not often affect the inspection result. It was. However, when the measurement target is a biomaterial, a polymer, or a pharmaceutical, the constituent elements are often made of a material having a small atomic number such as carbon, oxygen, hydrogen, nitrogen, and high contrast resolution is required.
コントラストを高める方法として、単色Ｘ線を発生する放射光施設で行われている単色Ｘ線イメージングがある（下記非特許文献１参照）。放射光施設では、連続スペクトルのＸ線からモノクロメーターにより単一波長のＸ線を取り出す事が可能であり、Ｘ線管の１０3〜１０6倍もの高輝度なＸ線が得られる。また、Ｂｒａｇｇ反射角度を適切に設定することで、任意の波長のＸ線を取り出すことができる。しかしながら、実験設備を放射光施設内に持ち込んで設置することや、限られた機会のマシンタイム内にデータを取得する必要性のため、単色Ｘ線によるイメージングには多くの制約が課される。 As a method for increasing the contrast, there is monochromatic X-ray imaging performed in a synchrotron radiation facility that generates monochromatic X-rays (see Non-Patent Document 1 below). In the synchrotron radiation facility, it is possible to extract single-wavelength X-rays from continuous-spectrum X-rays with a monochromator, and X-rays with a brightness as high as 10 3 to 10 6 times that of X-ray tubes can be obtained. In addition, X-rays having an arbitrary wavelength can be extracted by appropriately setting the Bragg reflection angle. However, many limitations are imposed on monochromatic X-ray imaging due to the need to bring experimental equipment into the synchrotron facility and to acquire data within the limited machine time.
実験室での単色Ｘ線を利用したイメージングの試みは、レーザープラズマＸ線源を用いたＸ線顕微鏡の分野で開発が進んでいる（下記非特許文献２参照）。全反射を利用したウォルター型や、多層膜反射鏡を用いたシュバルツシルト型、ゾーンプレート型のＸ線顕微鏡があり、１ｋｅＶ以下の低エネルギーＸ線で、ユスリカの染色体やＨｅＬａ細胞のイメージングが行われている。これらのＸ線顕微鏡の空間分解能は０．１μｍのオーダーで、Ｘ線光学デバイスを用いて拡大撮影することにより、高い空間分解能を実現している。 Attempts for imaging using monochromatic X-rays in the laboratory are being developed in the field of X-ray microscopes using laser plasma X-ray sources (see Non-Patent Document 2 below). There are Walter type using total reflection, Schwarzschild type and zone plate type X-ray microscopes using multilayer reflectors, and chironomid chromosomes and HeLa cells are imaged with low energy X-rays of 1 keV or less. ing. The spatial resolution of these X-ray microscopes is on the order of 0.1 μm, and high spatial resolution is realized by enlarging images using an X-ray optical device.
図２は、質量減衰係数のＸ線エネルギー依存性を示す図で、図３は、空気中のＸ線の透過距離とＸ線強度の減衰との関係を示す図である。図２に示すように、Ｘ線吸収係数は、Ｘ線エネルギーの減少とともに大きく増加するため、１ｋｅＶ以下のＸ線は、単一の細胞が識別できる程度の高いコントラスト分解能となっている。一方、図３に示すように、１ｋｅＶ以下のＸ線は空気中で容易に減衰し、空気中に置かれる体積の大きな被写体の撮影には適していない。また、Ｘ線発生源となる高輝度レーザーや、Ｘ線波長オーダーの高精度の光学デバイスのコストが大きな負担となり、産業的に普及することが難しい。 FIG. 2 is a diagram showing the X-ray energy dependence of the mass attenuation coefficient, and FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the X-ray transmission distance in the air and the attenuation of the X-ray intensity. As shown in FIG. 2, the X-ray absorption coefficient greatly increases as the X-ray energy decreases, so that X-rays of 1 keV or less have a high contrast resolution enough to identify a single cell. On the other hand, as shown in FIG. 3, X-rays of 1 keV or less are easily attenuated in the air, and are not suitable for photographing a large volume subject placed in the air. In addition, the cost of a high-intensity laser serving as an X-ray generation source and a high-accuracy optical device of the X-ray wavelength order is a heavy burden, and it is difficult to spread industrially.
なお、マイクロフォーカスＸ線と直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器の構成が公知であるが、タングステンターゲットのマイクロフォーカスＸ線発生器で空間伝播の位相コントラスト撮影を目的としたものである（下記非特許文献３参照）。 The configuration of the microfocus X-ray and the direct-incidence X-ray CCD detector is known, but is intended for phase contrast imaging of spatial propagation with a tungsten target microfocus X-ray generator (the following non-patent document). Reference 3).
本発明は、上記問題に鑑み、原子番号の低い元素、すなわちＸ線吸収の少ない材質で構成される試料を、高分解能で撮影可能としたＸ線画像検査装置を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide an X-ray image inspection apparatus capable of photographing a sample composed of an element having a low atomic number, that is, a material having low X-ray absorption with high resolution.
本発明のＸ線画像検査装置は、上記目的を達成するために、クロム、ニッケル、チタン、鉄のいずれか１つで形成されたＸ線ターゲットを有する反射型特性Ｘ線発生器と、直接入射型冷却Ｘ線ＣＣＤ検出器と、前記反射型特性Ｘ線発生器と前記直接入射型冷却Ｘ線ＣＣＤ検出器との間に配置された試料支持部材と、備え、前記反射型特性Ｘ線発生器から発生したＸ線により試料を照射し、前記試料を透過したＸ線を前記直接入射型冷却Ｘ線ＣＣＤ検出器により撮像することを特徴とする。 In order to achieve the above object, an X-ray image inspection apparatus according to the present invention includes a reflective characteristic X-ray generator having an X-ray target formed of any one of chromium, nickel, titanium, and iron , and direct incidence. type cooling and X-ray CCD detector, and the sample support member disposed between the direct-illuminated cooled X-ray CCD detector and the reflective characteristic X-ray generator, wherein the reflective characteristic X-ray generator The sample is irradiated with X-rays generated from the X-ray, and the X-ray transmitted through the sample is imaged by the direct incident type cooled X-ray CCD detector .
前記Ｘ線ターゲットのＸ線焦点サイズは、１μｍ以上で５０μｍ以下とすることができる。 The X-ray focal spot size of the X-ray target can be 1 μm or more and 50 μm or less.
前記特性Ｘ線発生器と直接入射型冷却Ｘ線ＣＣＤ検出器との間のＸ線経路中に、両端にＸ線透過膜を備えた、真空の密閉容器またはヘリウムガスを充填した密閉容器を配置することもできる。 In the X-ray path between the characteristic X-ray generator and the direct-incidence cooled X-ray CCD detector, a vacuum sealed container or a sealed container filled with helium gas having X-ray transmission films at both ends is arranged. You can also
１０ｋｅＶ以下の特性Ｘ線を強く発生するターゲット材を有するＸ線発生器と、直接入力ＣＣＤ検出器とを組み合わせることにより、Ｘ線発生器では単色Ｘ線に近い準単色Ｘ線を発生させ、検出器側では特性Ｘ線より高いスペクトル成分を除去して単色性を高めることができ、数ｍｍオーダーの被写体をミクロンオーダーの空間分解能で撮影が可能となる。 By combining an X-ray generator having a target material that strongly generates characteristic X-rays of 10 keV or less and a direct input CCD detector, the X-ray generator generates and detects quasi-monochromatic X-rays close to monochromatic X-rays. On the instrument side, monochromaticity can be enhanced by removing spectral components higher than characteristic X-rays, and an object of the order of several millimeters can be imaged with a spatial resolution of the order of microns.
図４は、本発明の一実施形態であるＸ線画像検査装置を示す図である。Ｘ線画像検査装置１００は、特性Ｘ線を発生するＸ線発生器１０と、試料４０を透過したＸ線を検出するＸ線検出器２０とからなる。 FIG. 4 is a diagram showing an X-ray image inspection apparatus according to an embodiment of the present invention. The X-ray image inspection apparatus 100 includes an X-ray generator 10 that generates characteristic X-rays and an X-ray detector 20 that detects X-rays transmitted through the sample 40.
Ｘ線発生器１０は、内部を真空に排気した後密封して形成された密封管９を有する。密封管９内の一端には、電子線４を発生するカソード１、電子線４を制御するグリッド２、加速された電子線４を収束する静電レンズ３が備えられる。さらに、密封管９内には、収束した電子線４が衝突するアノードとなるターゲット５、ターゲット５を支持するとともに冷却を行うターゲット支持部材６が配置されている。ターゲット支持部材６は、冷却水８が流れる冷却通路７を備える。密封管９は、ターゲット５から発生するＸ線を管外に取り出すためのＸ線窓９１を備える。 The X-ray generator 10 includes a sealed tube 9 formed by sealing the interior after evacuating the inside. At one end of the sealed tube 9, a cathode 1 that generates the electron beam 4, a grid 2 that controls the electron beam 4, and an electrostatic lens 3 that converges the accelerated electron beam 4 are provided. Further, in the sealed tube 9, a target 5 serving as an anode with which the converged electron beam 4 collides, and a target support member 6 for supporting and cooling the target 5 are disposed. The target support member 6 includes a cooling passage 7 through which the cooling water 8 flows. The sealed tube 9 includes an X-ray window 91 for extracting X-rays generated from the target 5 to the outside of the tube.
なお、電子線４を発生するカソード１は、電子を放出するカソードとカソードを加熱するコイルとに代えることもできる。また、グリッドは複数個用いてもよい。さらに、ターゲット支持部材は、図４に示すものに限定されず、無酸素銅ロッドを用い、無酸素銅ロッドの傾斜した端面にターゲット材を埋め込むようなものでもよい。 The cathode 1 that generates the electron beam 4 can be replaced with a cathode that emits electrons and a coil that heats the cathode. A plurality of grids may be used. Furthermore, the target support member is not limited to that shown in FIG. 4, and an oxygen-free copper rod may be used, and a target material may be embedded in the inclined end surface of the oxygen-free copper rod.
電源（図示せず）に接続されて加熱されたカソード１から発生した電子線４は、アノードであるターゲット５に向かって、高圧電界で加速される。加速された電子線４は静電レンズ３により、ターゲット５上の一点に収束する。収束電子線４が衝突するターゲット５上の一点からＸ線が発生し、Ｘ線窓９１から外部へ照射される。 An electron beam 4 generated from a cathode 1 connected to a power source (not shown) and heated is accelerated by a high-voltage electric field toward a target 5 which is an anode. The accelerated electron beam 4 is converged to one point on the target 5 by the electrostatic lens 3. X-rays are generated from one point on the target 5 where the convergent electron beam 4 collides, and are irradiated from the X-ray window 91 to the outside.
Ｘ線発生装置１０から照射されたＸ線は、試料台３０にセットされた試料４０を透過してＸ線検出器２０に入射する。試料台３０は試料４０を回転可能に構成され、試料４０を回転させることにより試料を透過したＸ線のＣＴ画像を得ることができる。本実施形態では、Ｘ線検出器２０は、直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器を使用する。このＸ線ＣＣＤ検出器は、ペルチエ素子２２により冷却される。 X-rays irradiated from the X-ray generator 10 pass through the sample 40 set on the sample stage 30 and enter the X-ray detector 20. The sample stage 30 is configured to be able to rotate the sample 40, and by rotating the sample 40, an X-ray CT image transmitted through the sample can be obtained. In the present embodiment, the X-ray detector 20 uses a direct incident X-ray CCD detector. The X-ray CCD detector is cooled by the Peltier element 22.
従来から使用されているタングステンターゲットのＫα特性Ｘ線は５７ｋｅＶ以上にあるため、５７ｋｅＶ以下では連続Ｘ線の白色スペクトルが発生し、低エネルギー領域でのコントラストの向上は期待できない。本実施形態のターゲット５は、１０ＫｅＶ以下の単一波長の特性Ｘ線を発生させ、被写体となる生体材料や高分子材料の厚さ数ｍｍを透過する強度を有し、かつ高コントラストの画像を得ることができるようなターゲット材料を用いる。 Conventionally used tungsten targets have Kα characteristic X-rays of 57 keV or higher, so that white spectra of continuous X-rays are generated at 57 keV or lower, and improvement in contrast in a low energy region cannot be expected. The target 5 of the present embodiment generates characteristic X-rays having a single wavelength of 10 KeV or less, has an intensity that transmits a thickness of several millimeters of a biological material or a polymer material to be a subject, and displays a high-contrast image. A target material that can be obtained is used.
ところで、Ｘ線発生用ターゲットに衝突する加速電子の運動エネルギーのうち、Ｘ線フォトンに伝えられるのはわずか１％未満であり、残りのエネルギーは熱としてターゲットに蓄積される。タングステンターゲットは、Ｘ線融点が高く、伝熱特性に優れているので、従来の画像形成用のＸ線発生装置用に用いられている。しかし、特性Ｘ線に着目すると、タングステンのような原子番号が大きい元素では、発生する特性Ｘ線のエネルギーも高い（タングステンのＫα１＝５９．３ＫｅＶ、Ｋβ１＝６７．２ＫｅＶ、図１参照）。 By the way, less than 1% of the kinetic energy of accelerated electrons colliding with the target for X-ray generation is transmitted to the X-ray photons, and the remaining energy is accumulated in the target as heat. Since the tungsten target has a high X-ray melting point and excellent heat transfer characteristics, it is used for a conventional X-ray generator for image formation. However, paying attention to the characteristic X-ray, the element having a large atomic number such as tungsten has high characteristic X-ray energy (Kα1 = 59.3 KeV, Kβ1 = 67.2 KeV of tungsten, see FIG. 1).
本実施形態が測定対象とする生体材料や高分子化合物の減衰係数は、Ｘ線のエネルギーが高くなるほど減少する（図２参照）。そのため、タングステンから発生するＸ線でのイメージングでは、Ｘ線エネルギーが高く、コントラストがつきにくい。 The attenuation coefficient of the biomaterial or polymer compound to be measured by the present embodiment decreases as the X-ray energy increases (see FIG. 2). Therefore, in X-ray imaging generated from tungsten, X-ray energy is high and contrast is difficult to be achieved.
図５は、１０ｋｅＶ以下の特性Ｘ線を発生する元素の伝熱特性の評価の表を示す図である。１０ｋｅＶ以下の特性Ｘ線を発生するターゲット材質として原子番号が２０〜３０番の材質が挙げられる。図５では、原子番号が２０〜３０番の元素のうち、チタン（原子番号２２）、クロム（原子番号２４）、鉄（原子番号２６）、ニッケル（原子番号２８）、銅（原子番号２９）、亜鉛（原子番号３０）の伝熱特性が評価されている。表の最下段には、参考のためにタングステン（原子番号７２）の特性が記載されている。 FIG. 5 is a diagram showing a table for evaluating the heat transfer characteristics of elements that generate characteristic X-rays of 10 keV or less. Examples of a target material that generates characteristic X-rays of 10 keV or less include materials having an atomic number of 20 to 30. In FIG. 5, among the elements having atomic numbers 20-30, titanium (atomic number 22), chromium (atomic number 24), iron (atomic number 26), nickel (atomic number 28), copper (atomic number 29) The heat transfer properties of zinc (atomic number 30) have been evaluated. At the bottom of the table, the properties of tungsten (atomic number 72) are listed for reference.
なお、原子番号２０〜３０番の間には、図５に挙げた元素以外に、カルシウム（原子番号２０）、スカンジウム（原子番号２１）、バナジウム（原子番号２３）、マンガン（原子番号２５）、コバルト（原子番号２７）がある。しかしながら、特に加工性に優れ、バルク材として安価に市販されているのは、図５の表に示した金属群である。 Between atomic numbers 20 to 30, in addition to the elements listed in FIG. 5, calcium (atomic number 20), scandium (atomic number 21), vanadium (atomic number 23), manganese (atomic number 25), There is cobalt (atomic number 27). However, the metal group shown in the table of FIG. 5 is particularly excellent in workability and is commercially available as a bulk material at a low price.
ターゲット上に収束する電子線のサイズがＸ線の発生点、すなわちＸ線焦点であるが、これが小さいほど、ピンポイントの光源となり、投影像は鮮鋭になる。ちなみに、今日、タングステンターゲットのマイクロフォーカスＸ線発生器の焦点サイズは、数１０μｍ以下が一般的で、１μｍ以下の装置も市販されている。 The size of the electron beam that converges on the target is the X-ray generation point, that is, the X-ray focal point. The smaller this is, the pinpoint light source becomes, and the projected image becomes sharper. Incidentally, the focus size of a tungsten target microfocus X-ray generator is generally several tens of μm or less, and apparatuses of 1 μm or less are commercially available.
しかしながら、鮮鋭な画像を得る目的で、焦点サイズを小さくしていくと、局所的にターゲット材に蓄積する熱量が増加する。局所的に温度が上昇して融点をこえると、ターゲット材の融解と損傷がおきる。そこで、ターゲット材の伝熱性能を考慮して、実用的な範囲で焦点サイズを決定し、ターゲット材の許容熱容量の範囲内で、管電圧と管電流を決定する必要がある。 However, if the focal spot size is reduced for the purpose of obtaining a sharp image, the amount of heat accumulated locally on the target material increases. When the temperature rises locally and exceeds the melting point, melting and damage of the target material occur. Therefore, it is necessary to determine the focal spot size within a practical range in consideration of the heat transfer performance of the target material, and to determine the tube voltage and tube current within the allowable heat capacity of the target material.
１０ｋｅＶ以下の特性Ｘ線を使ったイメージングの場合、ターゲット材の熱的制限の目安となるのが、図５に示す伝熱係数と融点係数の積である。図５の表では、温度拡散率の最も高い銅との比を基準として伝熱係数を定義し、融点の最も高いタングステン（３６６０Ｋ）との比を基準として融点係数を定義した。これらの積を比較することにより、熱伝導と融点の観点からＸ線ターゲット材として優位な金属の順位付けが可能となる。参考に記載したタングステンを除き、最も熱的な特性に優れているのが銅で、クロム、ニッケル、亜鉛、チタン、鉄の順となる。 In the case of imaging using characteristic X-rays of 10 keV or less, the product of the heat transfer coefficient and the melting point coefficient shown in FIG. In the table of FIG. 5, the heat transfer coefficient is defined based on the ratio with copper having the highest temperature diffusivity, and the melting coefficient is defined based on the ratio with tungsten (3660K) having the highest melting point. By comparing these products, it is possible to rank metals that are superior as X-ray target materials from the viewpoint of heat conduction and melting point. Except for the tungsten described in the reference, copper has the most excellent thermal characteristics, followed by chromium, nickel, zinc, titanium, and iron.
具体的に伝熱係数と融点係数の積をみると、タングステンの場合に比べ、銅では約１／２の出力、クロム、ニッケル、亜鉛では１／８の出力となる。一方、鉄やチタンは１／１６から１／２０の出力に制限される。この場合、主としてＸ線の管電流が制限されることとなり、Ｘ線フラックスが減少し、Ｘ線透過像の画質の低下につながる。 Specifically, when the product of the heat transfer coefficient and the melting point coefficient is seen, the output is about 1/2 for copper and 1/8 for chromium, nickel, and zinc as compared to tungsten. On the other hand, iron and titanium are limited to an output of 1/16 to 1/20. In this case, the X-ray tube current is mainly limited, the X-ray flux is reduced, and the image quality of the X-ray transmission image is lowered.
しかし、銅、クロム、ニッケル、亜鉛などの金属ターゲットからのＸ線を、直接入射型Ｘ線ＣＣＤで検出する場合は、Ｘ線フラックスが低下しても、検出器側で比較的長い露光時間を設定することで画質の低下を防ぎつつ、１０ｋｅＶ以下の特性Ｘ線でのコントラスト分解能の高い透過像を得ることが可能となる。本実施形態においては、Ｘ線焦点のサイズは、５０μｍ以下で、１μｍ以上とするのが好適である。 However, when detecting X-rays from metal targets such as copper, chromium, nickel, and zinc with a direct-incidence X-ray CCD, a relatively long exposure time is required on the detector side even if the X-ray flux decreases. By setting, it is possible to obtain a transmission image with high contrast resolution with characteristic X-rays of 10 keV or less while preventing deterioration in image quality. In the present embodiment, the size of the X-ray focal point is preferably 50 μm or less and 1 μm or more.
クロムおよび銅にはＫα特性Ｘ線よりエネルギーは高いが強度の低いＫβ特性Ｘ線のピークがある。Ｘ線スペクトルの単色化を図るには、これらの成分を除去し、できるだけ単一ピークのＸ線スペクトルを利用することが望ましい。しかし、Ｘ線イメージングの場合はコントラスト造影に寄与するフォトン数が減少するので、フォトン数を確保しつつ、フィルターを最適化していく必要がある。これはＸ線回折に用いられるＸ線発生器の最適化と異なる点である。 Chromium and copper have Kβ characteristic X-ray peaks that have higher energy but lower intensity than Kα characteristic X-rays. In order to achieve a monochromatic X-ray spectrum, it is desirable to remove these components and use a single peak X-ray spectrum as much as possible. However, in the case of X-ray imaging, since the number of photons contributing to contrast contrast decreases, it is necessary to optimize the filter while ensuring the number of photons. This is different from the optimization of the X-ray generator used for X-ray diffraction.
一方で、図２に示されるように、イメージングに適した強度の強い特性Ｘ線（Ｋα１）を見ると、銅は８．１ｋｅＶと、他の金属よりエネルギーが高く、クロムは５．４ｋｅＶ、最も低いのがチタンの４．５ｋｅＶとなる。数ｍｍのバルク被写体を透過するためには、エネルギーが高い方が望ましいが、一方でコントラスト分解能を高めるには、エネルギーが低いほうが望ましい。 On the other hand, as shown in FIG. 2, when the characteristic X-ray (Kα1) having strong intensity suitable for imaging is observed, the energy of copper is 8.1 keV, which is higher than other metals, and chromium is 5.4 keV. The lower is 4.5 keV of titanium. In order to transmit a bulk object of several mm, higher energy is desirable, but on the other hand, lower energy is desirable to increase contrast resolution.
したがって、ターゲット材質としては、銅、クロム、ニッケル、亜鉛、チタン、鉄を採用するのが好ましく、その中でも銅、クロムが望ましい。銅とクロムは、測定対象に応じて選択するのがよい。例えば、比較的大きなＸ線強度の必要な、例えば薄い骨などは銅のターゲットを使用するのが有利である。これに対して、やわらかいスポンジ、コラーゲンなどにはクロムのターゲットを使用するのが有利である。 Therefore, it is preferable to employ copper, chromium, nickel, zinc, titanium, and iron as the target material, and among these, copper and chromium are desirable. Copper and chromium are preferably selected according to the object to be measured. For example, it is advantageous to use a copper target for thin bones that require relatively high X-ray intensity. In contrast, it is advantageous to use a chromium target for soft sponges, collagen, and the like.
生体材料や高分子材料は、ミクロンオーダーの微細構造が配向性を持っていたり、分散材や結晶構造が方向性を持っていたり、多孔質構造であったりするので、コントラスト分解能に加えて、高い空間分解能も必要となる。本実施形態では、１０ｋｅＶ以下のＫα特性Ｘ線を発生するクロム、銅などのターゲットによるマイクロフォーカス化を実現した。これによって、特性Ｘ線の準単色化によるコントラスト分解能向上させるとともに、ミクロンオーダーの空間分解能を達成することが可能となった。 Biomaterials and polymer materials have a micron-order fine structure, orientation, dispersion material and crystal structure have directionality, and a porous structure. Spatial resolution is also required. In the present embodiment, microfocusing is realized by using a target such as chromium or copper that generates Kα characteristic X-rays of 10 keV or less. As a result, it is possible to improve the contrast resolution by making the characteristic X-ray quasi-monochromatic and to achieve a micron-order spatial resolution.
Ｘ線発生器には、本実施形態で採用した密封管と、真空ポンプを備え、真空引きして使用する開放管があるが、開放管であっても本発明を適用することができる。また、Ｘ線発生器は、ターゲット構造により分類され、本実施形態で採用した反射型ターゲットを有する反射型Ｘ線発生器と、透過型ターゲットを有する透過型Ｘ線発生装置がある。透過型Ｘ線発生装置であっても本発明を適用することができる。 The X-ray generator includes a sealed tube employed in the present embodiment and an open tube that is used by evacuating the vacuum pump. However, the present invention can be applied to an open tube. The X-ray generators are classified according to the target structure, and there are a reflective X-ray generator having a reflective target employed in the present embodiment and a transmissive X-ray generator having a transmissive target. The present invention can also be applied to a transmission X-ray generator.
図６は、透過型Ｘ線発生装置を示す図で、図４の反射型Ｘ線発生装置と同様の参照番号を付してある。 FIG. 6 is a diagram showing a transmission X-ray generator, and the same reference numerals as those of the reflection X-ray generator of FIG. 4 are given.
透過型Ｘ線発生装置では、電子線が照射されるターゲット５５を薄く形成し、Ｘ線透過窓を兼用する。ターゲット５の電子が衝突する面とは反対の面からＸ線を発生させる。すなわちＸ線をターゲットを透過させて発生させる。透過型Ｘ線発生装置は、測定物あるいは検査物をＸ線発生点の極近傍めで近づけることができるので、大きな拡大が可能である。ただし、Ｘ線の出力は小さい。これに対して、本実施形態の反射型ターゲットは、厚く形成することができ、大容量の電子線を照射できるので大出力のＸ線を発生することができる。 In the transmission type X-ray generator, the target 55 irradiated with an electron beam is formed thin, and also serves as an X-ray transmission window. X-rays are generated from the surface opposite to the surface where the electrons of the target 5 collide. That is, X-rays are generated through the target. Since the transmission X-ray generator can bring a measurement object or an inspection object closer to the X-ray generation point, it can be greatly enlarged. However, the X-ray output is small. On the other hand, the reflective target of this embodiment can be formed thick and can irradiate a large-capacity electron beam, so that it can generate a large output X-ray.
本発明は、反射型ターゲットを有する密封管、透過型ターゲットを有する密封管、反射型ターゲットを有する開放管、透過型ターゲットを有する開放管、のいずれにも適用できる。 The present invention can be applied to any of a sealed tube having a reflective target, a sealed tube having a transmissive target, an open tube having a reflective target, and an open tube having a transmissive target.
以下、本実施形態で採用した直接入射型のＣＣＤ検出器について説明する。直接入射型のＣＣＤ検出器は常温で動作させると熱雑音を発生し、蓄積した画素の輝度値を乱すので、熱雑音を下げるために、−２０℃以下に冷却して使用する。 Hereinafter, the direct incidence type CCD detector employed in the present embodiment will be described. When the direct-incidence CCD detector is operated at room temperature, it generates thermal noise and disturbs the luminance value of the accumulated pixels. Therefore, the direct-incidence CCD detector is cooled to −20 ° C. or lower to reduce the thermal noise.
従来使用されているＸ線画像検出器としては、Ｘ線フィルムのほかに、イメージインテンシファイア（ＣＣＤ型）、フラットパネル（ＣＭＯＳ型）などがあり、これらの検出器には、シンチレータとしてＣｓＩ：Ｔｌ、ＧＯＳ（Ｇｄ2Ｏ2Ｓ：Ｔｂ）、ＣｄＷＯ4等が用いられている。シンチレータは固有のＸ線エネルギー感度曲線をもち、高エネルギーＸ線に対する応答は良いが、低エネルギーＸ線に対しては感度が低い特性をもつ。したがって、生体材料や高分子材料のコントラストを高めるために、低エネルギーの特性Ｘ線を使用すると、これらのシンチレータでは発光強度が弱く、暗い画像となってしまう。 Conventionally used X-ray image detectors include an image intensifier (CCD type), a flat panel (CMOS type), etc. in addition to an X-ray film. These detectors have CsI: Tl, GOS (Gd 2 O 2 S: Tb), CdWO 4 or the like is used. The scintillator has an inherent X-ray energy sensitivity curve and has a good response to high-energy X-rays, but has low sensitivity to low-energy X-rays. Therefore, when low-energy characteristic X-rays are used to increase the contrast of biomaterials or polymer materials, these scintillators have low emission intensity and dark images.
また、シンチレータを介したＸ線イメージング装置では、Ｘ線が一旦可視光に変換され、その可視光を可視領域のＣＭＯＳまたはＣＣＤカメラで画像化する。しかし、Ｘ線から輝度値までの２段階の信号変換は、入射Ｘ線エネルギーに対して、非線形な応答を示す。そのため、入射Ｘ線フォトンエネルギーに比例したコントラストが得られない。 In an X-ray imaging apparatus via a scintillator, X-rays are once converted into visible light, and the visible light is imaged by a CMOS or CCD camera in the visible region. However, the two-stage signal conversion from X-ray to luminance value shows a non-linear response to the incident X-ray energy. Therefore, a contrast proportional to the incident X-ray photon energy cannot be obtained.
これに対して、直接入射型のＣＣＤ検出器は、各画素において、入射Ｘ線フォトンエネルギーに比例した電荷を発生し、これを直接検出できる。これによりコントラスト分解能を高めることができる。 On the other hand, the direct-incidence CCD detector generates a charge proportional to the incident X-ray photon energy in each pixel and can directly detect this. Thereby, the contrast resolution can be increased.
図７は、直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器の受光感度を示す図である。ＣＣＤの受感部となる空乏層は厚さ数μｍのシリコンであるため、入射Ｘ線エネルギーが大きいと、貫通してしまい、Ｘ線を検出できない。また、Ｘ線エネルギーが小さすぎると受感部に到達するフォトン数が減少し、電荷発生量が低下する。 FIG. 7 is a diagram showing the light receiving sensitivity of the direct incidence X-ray CCD detector. Since the depletion layer that becomes the sensitive part of the CCD is silicon having a thickness of several μm, if the incident X-ray energy is large, it penetrates and X-rays cannot be detected. On the other hand, if the X-ray energy is too small, the number of photons that reach the sensitive part decreases, and the amount of generated charges decreases.
図７に示す直接入射型ＣＣＤ検出器の受光感度すなわち検出効率の特性は、本実施形態のコントラスト分解能を高める上で大きな役割を果たす。直接入射型Ｘ線ＣＣＤの場合、約３〜４ｋｅＶに検出効率のピークがある。したがって、検出効率からみると、クロム（Ｋα１：５．４ｋｅＶ）、チタン（Ｋα１：４．５ｋｅＶ）が好ましい。これより大きなＸ線エネルギーでは、検出効率は低下し、例えば銅のＫα１（＝８．１ｋｅＶ）では、５〜６％の検出効率となる。つまり、直接入射型Ｘ線ＣＣＤでは、１０ｋｅＶ以上のＸ線を透過させてしまう、高エネルギーＸ線透過フィルターの役割を果たす。 The light receiving sensitivity, that is, the detection efficiency characteristic of the direct incidence CCD detector shown in FIG. 7 plays a major role in increasing the contrast resolution of this embodiment. In the case of a direct incident X-ray CCD, there is a peak of detection efficiency at about 3 to 4 keV. Therefore, from the viewpoint of detection efficiency, chromium (Kα1: 5.4 keV) and titanium (Kα1: 4.5 keV) are preferable. For X-ray energy larger than this, the detection efficiency decreases. For example, in the case of copper Kα1 (= 8.1 keV), the detection efficiency is 5 to 6%. That is, the direct incident X-ray CCD plays a role of a high energy X-ray transmission filter that transmits X-rays of 10 keV or more.
１０ｋｅＶ以上のＸ線を透過するというのは、従来のＸ線フィルターにはない直接入射型Ｘ線ＣＣＤの特徴である。従来、Ｘ線スペクトルの帯域通過フィルターとして用いられてきたのは、Ｘ線回折等に用いられてきた金属元素のＫ殻吸収端を利用したフィルターであるが、これらは白色Ｘ線スペクトルの高エネルギー成分を十分に低下させることができなかった。 The transmission of X-rays of 10 keV or more is a feature of a direct-incidence X-ray CCD that is not found in conventional X-ray filters. Conventionally, a filter using the K-shell absorption edge of a metal element that has been used for X-ray diffraction or the like has been used as a band-pass filter for an X-ray spectrum. Ingredients could not be reduced sufficiently.
ところが、１０ｋｅＶ以下の特性Ｘ線を強く発生させる金属をターゲットとした特性Ｘ線発生器と、１０ｋｅＶ以上の高エネルギーＸ線を透過させる直接入射型Ｘ線ＣＣＤで構成される特性Ｘ線検査装置は、Ｘ線発生器側と検出器側での２段階の単色化によって、準単色特性Ｘ線イメージングが実現できる。この構成は、原子番号の低い元素で構成される生体材料や高分子を透過し、かつ、コントラスト分解能を高めるのに適している。 However, a characteristic X-ray inspection apparatus composed of a characteristic X-ray generator targeting a metal that strongly generates characteristic X-rays of 10 keV or less and a direct incident X-ray CCD that transmits high energy X-rays of 10 keV or more is provided. The quasi-monochromatic characteristic X-ray imaging can be realized by two-step monochromatization on the X-ray generator side and the detector side. This configuration is suitable for transmitting a biological material or polymer composed of an element having a low atomic number and enhancing contrast resolution.
図８は、直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器とシンチレータ型フラットパネル検出器の撮影条件を比較した表を示す図である。 FIG. 8 is a diagram showing a table comparing the imaging conditions of the direct incidence type X-ray CCD detector and the scintillator type flat panel detector.
図８の表により、直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器とシンチレータ型フラットパネル検出器の撮影条件を比較すると、シンチレータ型フラットパネル検出器が、透過画像露光のために、より高強度のＸ線を必要とすることがわかる。フラットパネル検出器は、画素サイズがＣＣＤに比べて１０倍以上大きく受光面積も大きいものではあるが、シンチレータから可視光への変換、可視光からＣＣＤ電荷発生への信号変換を行うために、１０倍以上の高い管電流を必要とする。すなわち、フラットパネル検出器は、高出力のＸ線（ＣＣＤ検出器０．３２ワット、フラットパネル検出器６ワット）を必要とする。これは、Ｘ線発生器に大きな負荷を与え、発生器寿命を短縮させる可能性があるとともに、検出機器のＸ線損傷確率も高くなる。これは、特性Ｘ線画像検査装置の検出器として、直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器との組み合わせが適していることを示している。 According to the table of FIG. 8, when comparing the imaging conditions of the direct-incidence X-ray CCD detector and the scintillator flat panel detector, the scintillator flat panel detector generates higher-intensity X-rays for transmission image exposure. I understand that I need it. The flat panel detector has a pixel size more than 10 times larger than the CCD and has a larger light receiving area. However, in order to perform conversion from scintillator to visible light and signal conversion from visible light to CCD charge generation, 10 Requires more than double the tube current. That is, the flat panel detector requires high power X-rays (CCD detector 0.32 watts, flat panel detector 6 watts). This may place a large load on the X-ray generator, shorten the generator life, and increase the X-ray damage probability of the detection device. This indicates that a combination with a direct incidence X-ray CCD detector is suitable as a detector of the characteristic X-ray image inspection apparatus.
なお、Ｘ線回折では、元素ごとの蛍光Ｘ線検出を高精度化するために、Ｋα特性Ｘ線の強度を低下させても、金属フィルターによる単色化を行う場合がある。これはバランストフィルターと呼ばれ、ＫαＸ線のみを取り出す方法として知られている。しかし、画像化を目的としたＸ線イメージングでは、厚みの大きいフィルターによる特性Ｘ線の粒子束低下は、検出素子の露光時間の延伸や画素値の変動をもたらす。本実施形態では、高コントラスト化に寄与するＫα特性Ｘ線成分の強度を維持しつつ、コントラストの低下をもたらす高エネルギー成分のみを、直接入射型Ｘ線ＣＣＤの検出特性を利用して排除する。従来のシンチレータ型検出器は、特性Ｘ線とともに高エネルギーＸ線も捕獲して可視光に変換してしまうため、このような高エネルギー成分のみのフィルタリングはできなかった。 In X-ray diffraction, in order to increase the accuracy of X-ray fluorescence detection for each element, even if the intensity of Kα characteristic X-rays is reduced, monochromation by a metal filter may be performed. This is called a balanced filter and is known as a method for extracting only Kα X-rays. However, in X-ray imaging for the purpose of imaging, a reduction in the particle flux of characteristic X-rays due to a filter having a large thickness leads to an increase in the exposure time of the detection element and a change in pixel value. In the present embodiment, while maintaining the intensity of the Kα characteristic X-ray component that contributes to high contrast, only the high energy component that causes a decrease in contrast is eliminated using the detection characteristic of the direct incident X-ray CCD. Since the conventional scintillator detector captures high-energy X-rays as well as characteristic X-rays and converts them into visible light, such high-energy components cannot be filtered.
ところで、図３に示されているように、１０ｋｅＶ以下の特性Ｘ線は空気によって大きく減衰する。Ｘ線焦点と検出面までの距離が３０ｃｍを超えると、１０ｋｅＶでは透過率が約９０％だが、８ｋｅＶでは約８０％、５ｋｅＶでは約３０％、２ｋｅＶではほとんど検出器にＸ線は到達しない。したがって、特性Ｘ線発生器と検出器までの距離を３０ｃｍ以下とすれば、特性Ｘ線の空気による減衰を抑制することができる。しかし、点光源から投影するＸ線透視画像では、Ｘ線焦点から被写体までの距離Ｌ１とＸ線焦点から検出器までの距離Ｌ２で幾何学的倍率Ｍがきまる（Ｍ＝Ｌ２／Ｌ１）ので、高分解能撮影のために拡大撮影する際に、Ｘ線発生器と検出器の距離をできるだけ離して設置することが必要となる。 By the way, as shown in FIG. 3, characteristic X-rays of 10 keV or less are greatly attenuated by air. When the distance between the X-ray focal point and the detection surface exceeds 30 cm, the transmittance is about 90% at 10 keV, but about 80% at 8 keV, about 30% at 5 keV, and hardly reaches the detector at 2 keV. Therefore, if the distance between the characteristic X-ray generator and the detector is 30 cm or less, the attenuation of the characteristic X-ray by air can be suppressed. However, in the X-ray fluoroscopic image projected from the point light source, the geometric magnification M is determined by the distance L1 from the X-ray focal point to the subject and the distance L2 from the X-ray focal point to the detector (M = L2 / L1). When enlarging for high-resolution imaging, it is necessary to install the X-ray generator and the detector as far apart as possible.
Ｘ線発生器と検出器の距離が大きい場合、特に低エネルギーの特性Ｘ線成分の減衰が顕著となる。空気は窒素７８％、酸素２１％を含むので、クロムターゲットを使用した場合、画像化に必要な５．４ｋｅＶの特性Ｘ線成分の減衰が相対的に大きくなる。したがって、Ｘ線スペクトルが変化し、単色化の効果が妨げられ、コントラスト分解能が低下する。 When the distance between the X-ray generator and the detector is large, the attenuation of the characteristic X-ray component of low energy becomes particularly significant. Since air contains 78% nitrogen and 21% oxygen, when a chromium target is used, the attenuation of the characteristic X-ray component of 5.4 keV necessary for imaging becomes relatively large. Therefore, the X-ray spectrum is changed, the effect of monochromaticity is hindered, and the contrast resolution is lowered.
図９は、空気中のＸ線通過経路を短くするために、Ｘ線焦点と検出器の間に配置された密閉容器を有する特性Ｘ線画像検査装置を示す図である。低エネルギーの特性Ｘ線成分の減衰を防ぐためには、Ｘ線焦点と検出器の間の距離を小さくするようにしてもよいが、拡大撮影の場合には、図９に示すように、空気中のＸ線通過経路を短くするために、試料４０とＣＣＤ検出器２０の間に、両端にＸ線透過窓６１、６２を備え、内部を真空に排気した密閉容器６０を配置する。 FIG. 9 is a diagram showing a characteristic X-ray image inspection apparatus having an airtight container disposed between an X-ray focal point and a detector in order to shorten the X-ray passage path in the air. In order to prevent attenuation of the low energy characteristic X-ray component, the distance between the X-ray focal point and the detector may be reduced. However, in the case of magnified imaging, as shown in FIG. In order to shorten the X-ray passage route, a sealed container 60 having X-ray transmission windows 61 and 62 at both ends and evacuated inside is arranged between the sample 40 and the CCD detector 20.
試料４０から出射したＸ線は、密閉容器６０の一端のＸ線透過窓６１から密閉容器６０に入り、密閉容器６０の他端のＸ線透過窓６２を通って、ＣＣＤ検出器２０に入る。Ｘ線透過窓６１、６２は、Ｘ線が透過しやすいポリイミド等からなる膜で外気と容器内部を隔てている。Ｘ線透過窓６１、６２は、矩形の開口を有する２枚の枠体によりポリイミド膜を挟むことにより作成することができる。ポリイミドは窒素、炭素、酸素等で構成される強度の高いフィルムなので、５０−１００μｍ厚さの膜で真空を維持しながら、低エネルギーＸ線を透過させることができる。 X-rays emitted from the sample 40 enter the sealed container 60 through the X-ray transmission window 61 at one end of the sealed container 60, enter the CCD detector 20 through the X-ray transmission window 62 at the other end of the sealed container 60. The X-ray transmission windows 61 and 62 are a film made of polyimide or the like that easily transmits X-rays, and separates the outside air from the inside of the container. The X-ray transmission windows 61 and 62 can be created by sandwiching a polyimide film between two frames having a rectangular opening. Since polyimide is a high-strength film composed of nitrogen, carbon, oxygen, etc., low energy X-rays can be transmitted while maintaining a vacuum with a 50-100 μm thick film.
密閉容器６０は、真空ポンプ（図示せず）に接続される真空排気弁６３とヘリウムガス導入弁６５を備えている。密閉容器６０は、真空排気することにより０．１Ｐａ〜１０4Ｐａの範囲の気圧に調整可能である。密閉容器６０を配置することにより、Ｘ線の経路は、Ｘ線がＸ線発生器１０から試料４０を透過するまでの空気経路４５と、その後の密閉容器６０を通る真空経路４７となる。空気経路４５では空気によるＸ線の減衰があるが、空気経路４５は短いので、Ｘ線の減衰はほとんどなく、したがってコントラスト分解能の低下を抑えることができる。密閉容器６０には、ヘリウムガス導入弁６５によりヘリウムガスを導入してもよい。 The sealed container 60 includes a vacuum exhaust valve 63 and a helium gas introduction valve 65 connected to a vacuum pump (not shown). The hermetic container 60 can be adjusted to a pressure in the range of 0.1 Pa to 10 4 Pa by evacuation. By arranging the sealed container 60, the X-ray path becomes an air path 45 until the X-ray passes through the sample 40 from the X-ray generator 10 and a vacuum path 47 passing through the sealed container 60 thereafter. In the air path 45, there is X-ray attenuation due to air, but since the air path 45 is short, there is almost no X-ray attenuation, and hence a reduction in contrast resolution can be suppressed. Helium gas may be introduced into the sealed container 60 by a helium gas introduction valve 65.
以上のように、ポリイミド膜で両端を外気と隔てた密閉容器をＸ線通路に配置することにより、特性Ｘ線成分を低減させることなく、検出器に到達させることができる。この効果は、Ｘ線減衰の少ない原子番号の小さいヘリウムガス等を充填しても、等価的な効果を実現できる。 As described above, by disposing a sealed container having both ends separated from the outside air by a polyimide film in the X-ray passage, it is possible to reach the detector without reducing the characteristic X-ray component. This effect can be realized even if helium gas having a small atomic number with little X-ray attenuation is filled.
図１０（ａ）（ｂ）は、空気減衰によるクロムターゲットＸ線発生器スペクトルの変化を示す図である。具体的には、クロムターゲットＸ線発生器の焦点からの距離を変えた場合のスペクトル変化を、空気中で測定したものである。図１０（ａ）は、クロムターゲットＸ線発生器の焦点から３０ｃｍに検出器を配置して測定したものであり、図１０（ｂ）は、クロムターゲットＸ線発生器の焦点から１００ｃｍに検出器を配置して測定したものである。 FIGS. 10A and 10B are diagrams showing changes in the chromium target X-ray generator spectrum due to air attenuation. Specifically, the change in spectrum when the distance from the focal point of the chrome target X-ray generator is changed is measured in air. FIG. 10 (a) is measured by placing a detector 30 cm from the focal point of the chrome target X-ray generator, and FIG. 10 (b) is a detector 100 cm from the focal point of the chrome target X-ray generator. It is measured by arranging.
空気による減衰が大きいのは、Ｘ線スペクトル成分のうち、低エネルギー成分なので、空気中の透過距離が大きくなると、Ｘ線スペクトルが変化する。図１０（ａ）（ｂ）を比較すると、空気層の影響を受けにくい高エネルギーの連続Ｘ線成分が相対的に増加していることがわかる。この連続Ｘ線成分の増加は特性Ｘ線画像のコントラストを低下させる要因と成る。したがって、図９に示す密閉容器を用いることにより、連続Ｘ線成分の相対的な増加を抑え、低エネルギーの特性Ｘ線による解像度を維持することができる。 Attenuation by air is a low energy component among the X-ray spectrum components, so that the X-ray spectrum changes as the transmission distance in the air increases. Comparing FIGS. 10A and 10B, it can be seen that the high-energy continuous X-ray components that are hardly affected by the air layer are relatively increased. This increase in the continuous X-ray component becomes a factor that lowers the contrast of the characteristic X-ray image. Therefore, by using the sealed container shown in FIG. 9, it is possible to suppress the relative increase of the continuous X-ray component and maintain the resolution by the low energy characteristic X-ray.
（特性Ｘ線マイクロフォーカス管球）
１０ｋｅＶ以下のＫα特性Ｘ線を高強度で出力するクロムターゲットのマイクロフォーカスＸ線発生器と銅ターゲットのマイクロフォーカスＸ線発生器を作成した。アノードは、真空中で高電圧に印加されるとともに、Ｘ線に変換されない電子の運動エネルギーを蓄積するので、熱伝導のよい無酸素銅ロッドで構成し、放射窓方向に傾斜した端面にターゲット材を埋め込んだ。ターゲット上のＸ線焦点サイズは、１０μｍであり、照射角は３０度である。クロムターゲットを埋め込んだアノードは、６×６ｍｍ角、厚さ２ｍｍに成形したクロム（９９．９５％）片がアノードの傾斜端面に埋め込まれ、厚さ０．１ｍｍのＢｅ窓を通して放射状にＸ線が放出される。焦点から窓までの焦点窓距離は、１４．５ｍｍとした。
(Characteristic X-ray microfocus tube)
A chromium target microfocus X-ray generator and a copper target microfocus X-ray generator that output Kα characteristic X-rays of 10 keV or less with high intensity were prepared. The anode is applied with a high voltage in a vacuum and accumulates the kinetic energy of electrons that are not converted to X-rays. Therefore, the anode is composed of an oxygen-free copper rod with good thermal conductivity, and the target material is formed on the end face inclined in the radiation window direction. Embedded. The X-ray focal spot size on the target is 10 μm and the irradiation angle is 30 degrees. In the anode embedded with the chromium target, a 6 × 6 mm square, 2 mm thick chromium (99.95%) piece is embedded in the inclined end face of the anode, and X-rays are emitted radially through a 0.1 mm thick Be window. Released. The focal window distance from the focal point to the window was 14.5 mm.
なお、管球容器外形は、９０×２７７×１３８．５ｍｍであり、最大管電圧は４０ｋＶ、最大管電流は４００μＡ、焦点熱容量は１０Ｗである。 The outer shape of the tube container is 90 × 277 × 138.5 mm, the maximum tube voltage is 40 kV, the maximum tube current is 400 μA, and the focal heat capacity is 10 W.
図１１は、日本検査機器工業会（ＪＩＭＡ）のマイクロフォーカスＸ線用試験片ＲＲＣ−２を、直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器と、実施例として作成したクロムターゲットのマイクロフォーカス特性Ｘ線発生器で透視撮影し、３〜４μｍのスリットパターンが識別できた例である。撮影条件は、管電圧２０ｋＶ、管電流５０μＡ、Ｘ線焦点と検出器までの距離ＳＤ＝２０ｃｍ、拡大率２．０倍、検出器の蓄積時間５．０秒であった。この画像では、拡大率２０倍で、検出器画素サイズが８μｍであることから、１画素は約４μｍに相当する。したがって、３−４μｍのチャートパターンが撮影できたことから、実施例のクロムターゲットの焦点サイズは数ミクロン程度であり、高い空間分解能を持ったマイクロフォーカス特性Ｘ線発生器であることが確認できた。 FIG. 11 shows a microfocus X-ray test piece RRC-2 of the Japan Inspection Equipment Manufacturers Association (JIMA), a direct-incidence X-ray CCD detector, and a microfocus characteristic X-ray generator of a chrome target prepared as an example. This is an example in which a 3-4 μm slit pattern was identified by fluoroscopic imaging. The imaging conditions were a tube voltage of 20 kV, a tube current of 50 μA, a distance SD between the X-ray focal point and the detector of SD = 20 cm, an enlargement ratio of 2.0, and a detector accumulation time of 5.0 seconds. In this image, since the enlargement ratio is 20 times and the detector pixel size is 8 μm, one pixel corresponds to about 4 μm. Therefore, since a 3-4 μm chart pattern was photographed, the focus size of the chrome target of the example was about several microns, and it was confirmed that this was a microfocus characteristic X-ray generator with high spatial resolution. .
（クロムと銅のＸ線スペクトルの計測）
図１２、図１３は、Ｘ線焦点から３０ｃｍの位置にスペクトル計測用の検出器を設置し、電子の加速電圧を変化させたときのＸ線スペクトルを計測した例を示す。図１２は、クロムターゲットによるものであり、図１３は、銅ターゲットによるものである。
(Measurement of X-ray spectra of chromium and copper)
12 and 13 show an example in which a detector for spectrum measurement is installed at a position 30 cm from the X-ray focal point and the X-ray spectrum is measured when the acceleration voltage of electrons is changed. FIG. 12 is based on a chromium target, and FIG. 13 is based on a copper target.
クロムターゲットＸ線管の管電圧は１０ｋＶから３０ｋＶまで、銅ターゲットＸ線管の管電圧は１０ｋＶから４０ｋＶまで変化させた。検出器には入射フォトン数を調節するため、それぞれ１．０ｍと０．３ｍｍのコリメータを設置した。スペクトル検出器として、低エネルギーＸ線のスペクトル測定に適したシリコン検出器を用いた。この検出器は、ベリリウム窓厚さ２５μｍ、有効受光面積、５ｍｍ２、受感部厚さ０．５ｍｍ、エネルギー分解能１８５ｅＶ（ＦＷＨＭ）、適用エネルギー範囲１〜３０ｋｅＶ、という仕様のもので、１０ｋｅＶ以下のＸ線スペクトル計測に適している。 The tube voltage of the chromium target X-ray tube was changed from 10 kV to 30 kV, and the tube voltage of the copper target X-ray tube was changed from 10 kV to 40 kV. In order to adjust the number of incident photons, 1.0 m and 0.3 mm collimators were installed in the detector, respectively. A silicon detector suitable for low-energy X-ray spectrum measurement was used as the spectrum detector. This detector has a beryllium window thickness of 25 μm, an effective light receiving area of 5 mm 2, a sensitive part thickness of 0.5 mm, an energy resolution of 185 eV (FWHM), and an applicable energy range of 1 to 30 keV, and an X of 10 keV or less. Suitable for line spectrum measurement.
クロムのＫα１Ｘ線（＝５．４ｋｅＶ）、銅のＫαＸ線（＝５．４ｋｅＶ）とＫβ１Ｘ線（＝６．０ｋｅＶ）のピークが他の連続Ｘ線スペクトルに比べて顕著であることがわかる。これは、図１のタングステンＸ線発生器のスペクトルと比べて、単色性が著しく向上していることを示している。 It can be seen that the peaks of chromium Kα1X ray (= 5.4 keV), copper KαX ray (= 5.4 keV) and Kβ1X ray (= 6.0 keV) are more prominent than other continuous X-ray spectra. This indicates that the monochromaticity is remarkably improved as compared with the spectrum of the tungsten X-ray generator of FIG.
なお、原子番号２０〜３０の元素の特性Ｘ線ほど強度は大きくないが、原子番号の大きい元素の特性Ｘ線Ｌα１、Ｌβ１が１０ｋｅＶとなる元素も、本発明のターゲット材料として利用可能である。例えば、タングステン（原子番号７４）ではＬα１＝８．４０ｋｅＶ、Ｌβ１＝９．６７ＫｅＶ、タンタル（原子番号７３）ではＬα１＝８．１４ｋｅＶ、Ｌβ１＝９．３４ＫｅＶ、レニウム（原子番号７５）ではＬα１＝８．６５ｋｅＶ、Ｌβ１＝１０．０ＫｅＶである。 In addition, although the intensity | strength is not so large as the characteristic X-ray of the element of atomic number 20-30, the element whose characteristic X-rays L (alpha) 1 and L (beta) 1 of an element with a large atomic number become 10 keV can also be utilized as a target material of this invention. For example, Lα1 = 8.40 keV for tungsten (atomic number 74), Lβ1 = 9.67 KeV, Lα1 = 8.14 keV for tantalum (atomic number 73), Lβ1 = 9.34 KeV, Lα1 = 8 for rhenium (atomic number 75). .65 keV and Lβ1 = 10.0 KeV.
図１４は、１０ｋｅＶ以下における銅とタングステンターゲットの特性Ｘ線スペクトル強度の比較を示す図である。図１４には、銅のＫα１とＫβ１Ｘ線のピークと、タングステンのＬα１Ｘ線とＬβ１Ｘ線のピーク（Ｌα＝８．４ｋｅＶ、Ｌβ＝９．７ｋｅＶ）が示されている。図１４によると、１０ｋｅＶ以下における銅とタングステンターゲットの特性Ｘ線スペクトル強度は、銅の方が数倍高く、フォトン粒子束が必要なＸ線イメージングには、銅やクロムのＫαＸ線を用いるほうが強度と単色性の点で適していることが分かる。 FIG. 14 is a diagram showing a comparison of characteristic X-ray spectral intensities of copper and tungsten targets at 10 keV or less. FIG. 14 shows the peaks of copper Kα1 and Kβ1X rays and tungsten Lα1X and Lβ1X rays (Lα = 8.4 keV, Lβ = 9.7 keV). According to FIG. 14, the characteristic X-ray spectral intensity of copper and tungsten target at 10 keV or less is several times higher for copper, and for X-ray imaging that requires photon particle bundles, it is stronger to use copper or chromium KαX rays. It can be seen that it is suitable in terms of monochromaticity.
（Ｘ線ＣＣＤ画像検出器）
直接入射型のＸ線ＣＣＤ画像検出器は、１）高エネルギーＸ線に感度がないためＸ線スペクトルの単色性が高まる（図７参照）、２）Ｘ線フォトンを直接電荷に変換できるため、フォトンエネルギーに比例した電荷発生によって、１０ｋｅＶ以下のＸ線でコントラスト分解能が高い、という特徴がある。
(X-ray CCD image detector)
Direct-incidence X-ray CCD image detectors are 1) insensitive to high-energy X-rays, so that the monochromaticity of the X-ray spectrum is increased (see FIG. 7), and 2) X-ray photons can be directly converted into charges. Due to charge generation proportional to photon energy, the contrast resolution is high with X-rays of 10 keV or less.
従来のシンチレータ検出器は、シンチレータ材が低エネルギーＸ線のみならず、１０ｋｅＶ以上の連続Ｘ線も捕獲してしまうため、特性Ｘ線の単色性が損なわれ、コントラストが低下する。また、Ｘ線エネルギー、フォトン数、シンチレータで変換される可視光量、ＣＣＤ素子の応答の間に、非線形的な関係があり、被写体の構成成分を反映した輝度値が出にくいため、コントラスト分解能をあげることが難しい。 In the conventional scintillator detector, since the scintillator material captures not only low energy X-rays but also continuous X-rays of 10 keV or more, the monochromaticity of characteristic X-rays is impaired and the contrast is lowered. In addition, there is a non-linear relationship among the X-ray energy, the number of photons, the amount of visible light converted by the scintillator, and the response of the CCD element, and it is difficult to produce a luminance value reflecting the components of the subject, so the contrast resolution is increased. It is difficult.
また、実施例で使用したＣＣＤ検出器の画素サイズは８μｍなので、マイクロフォーカスＸ線発生器との組み合わせることにより、少なくとも８μｍ以下の空間分解能を達成することが可能である。なお、ＣＣＤ検出器では、露光時間の設定が数ミリ秒〜１０秒の範囲で設定可能なので、入射するＸ線強度に合わせて、最適な撮影条件を選択することができる。 In addition, since the pixel size of the CCD detector used in the examples is 8 μm, it is possible to achieve a spatial resolution of at least 8 μm or less by combining with a microfocus X-ray generator. In the CCD detector, since the exposure time can be set within a range of several milliseconds to 10 seconds, it is possible to select an optimum imaging condition in accordance with the incident X-ray intensity.
（Ｘ線画像）
本実施例の装置の特徴を示すため、１０ｋｅＶ以下のＫα特性Ｘ線を発生する銅およびクロムターゲットと従来のタングステンターゲット、シンチレータ付きフラットパネル検出器と直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器による画像の比較を行った。組み合わせたシステムとして、以下の４種類の透過Ｘ線撮像装置を準備した。実施例の装置は装置構成２および装置構成４である。
(X-ray image)
In order to show the characteristics of the apparatus of the present embodiment, a comparison of images by a copper and chromium target that generates a Kα characteristic X-ray of 10 keV or less, a conventional tungsten target, a flat panel detector with a scintillator, and a direct incident X-ray CCD detector. Went. The following four types of transmission X-ray imaging devices were prepared as combined systems. The apparatus of the embodiment is apparatus configuration 2 and apparatus configuration 4.
装置構成１（比較例）：銅ターゲットのＸ線発生器とシンチレータ付きフラットパネル検出器
装置構成２（実施例）：銅ターゲットのＸ線発生器と直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器
装置構成３（比較例）：タングステンターゲットのＸ線発生器と直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器
装置構成４（実施例）：クロムターゲットのＸ線発生器と直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器
Device Configuration 1 (Comparative Example): Copper Target X-ray Generator and Scintillator Flat Panel Detector Device Configuration 2 (Example): Copper Target X-ray Generator and Direct Incident X-ray CCD Detector Device Configuration 3 ( Comparative Example): Tungsten target X-ray generator and direct incidence X-ray CCD detector Device configuration 4 (Example): Chrome target X-ray generator and direct incidence X-ray CCD detector
測定試料として、厚さ１０μｍのポリ塩化ビニリデンを１ｍｍづつずらして重ねたフィルムステップ（以下、ＰＣＶフィルムステップ）、および、体長７ｍｍのアリ（クロヤマアリ、学名：Ｆｏｒｍｉｃａ （Ｓｅｒｖｉｆｏｒｍｉｃａ） ｊａｐｏｎｉｃａ Ｍｏｔｓｃｈｕｌｓｋｙ、以下、アリ）を準備した。 As a measurement sample, a film step (hereinafter referred to as a PCV film step) in which polyvinylidene chloride having a thickness of 10 μm is shifted by 1 mm and stacked, and an ant having a length of 7 mm (scientific name: Formica (Serviformica) japonica Motschulsky, hereinafter referred to as ant) Prepared.
図１５(ａ)〜（ｄ）は、ＰＣＶフィルムステップとアリを、装置構成１（比較例）と装置構成２（実施例）で撮影し、同じ銅ターゲットのＸ線発生器を用いて、検出器の違いを比較した図である。図１５（ａ）は、直接入射型Ｘ線検出器を用いて撮影されたＰＣＶフィルムステップであり、図１５（ｂ）は、直接入射型Ｘ線検出器を用いて撮影されたアリである。これに対して、図１５（ｃ）は、シンチレータ付きフラットパネル検出器を用いて撮影されたＰＣＶフィルムステップであり、図１５（ｄ）は、シンチレータ付フラットパネル検出器を用いて撮影されたアリである。なお、撮影条件は、図８に示す表のとおりである。 15 (a) to (d), PCV film steps and ants are photographed with apparatus configuration 1 (comparative example) and apparatus configuration 2 (example), and detected using the same copper target X-ray generator. It is the figure which compared the difference of the vessel. FIG. 15A is a PCV film step photographed using a direct incidence X-ray detector, and FIG. 15B is an ant photographed using a direct incidence X-ray detector. On the other hand, FIG. 15C shows a PCV film step photographed using a flat panel detector with a scintillator, and FIG. 15D shows an ant photographed using a flat panel detector with a scintillator. It is. The photographing conditions are as shown in the table shown in FIG.
ＰＣＶフィルムでは、図１５(ａ)（ｃ）ともに、厚みの増加に対応して輝度値が領域ごとに低下する画像が得られているが、図１５(ａ)の直接入射型Ｘ線ＣＣＤカメラに比べて、図１５(ｃ)のシンチレータ付きフラットパネルは、厚みの変化に対する輝度の変化が小さくコントラストが低いこと、領域の境界が滲んでいて空間分解能が低いことがわかる。空間分解能に関しては、ＣＣＤ検出器の画素サイズ８μｍに対しフラットパネルは１００μｍであるため、ＣＣＤ検出器の方が空間分解能は高い。 In the PCV film, an image in which the luminance value decreases for each region corresponding to the increase in thickness is obtained in both FIGS. 15 (a) and 15 (c), but the direct incident X-ray CCD camera in FIG. 15 (a). In contrast, the scintillator-equipped flat panel in FIG. 15C has a small change in luminance with respect to a change in thickness and a low contrast, and the spatial resolution is low because the boundary between regions is blurred. Regarding the spatial resolution, the CCD detector has a higher spatial resolution because the flat panel is 100 μm with respect to the pixel size of 8 μm of the CCD detector.
また、図１５(ｂ)（ｄ）のアリの投影画像を比較することで、銅ターゲットＸ線発生器のＸ線エネルギー範囲においては、空間分解能とコントラスト分解能とも、直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器が優れていることが分かる。 Further, by comparing the ant projection images of FIGS. 15B and 15D, in the X-ray energy range of the copper target X-ray generator, both the spatial resolution and the contrast resolution are directly incident X-ray CCD detectors. It turns out that is excellent.
なお、これらの画像を取得するにあたり、直接入射型Ｘ線ＣＣＤでは管電圧２０ｋＶ管電流１６μＡ（出力０．３２Ｗ）の条件に対し、シンチレータ型フラットパネルでは管電圧３０ｋＶ管電流３００μＡ（出力９Ｗ）が必要であった。これは、Ｘ線ＣＣＤがフォトンエネルギーを直接的に電荷に変換するのに対し、シンチレータ型フラットパネルでは、シンチレータを発光させるために高いＸ線強度が必要であることによる。したがって、Ｘ線ＣＣＤ検出器の使用により、Ｘ線発生器の負荷を大幅に軽減できる効果がある。 When acquiring these images, the direct-injection X-ray CCD has a tube voltage of 20 kV tube current of 16 μA (output 0.32 W), while the scintillator flat panel has a tube voltage of 30 kV tube current of 300 μA (output 9 W). It was necessary. This is because the X-ray CCD directly converts photon energy into electric charges, whereas the scintillator type flat panel requires high X-ray intensity to cause the scintillator to emit light. Therefore, the use of the X-ray CCD detector has an effect of greatly reducing the load on the X-ray generator.
図１６(ａ)〜（ｄ）は、タングステンターゲットとクロムターゲットＸ線発生器による画像比較（直接入射型Ｘ線ＣＣＤカメラ使用）を示す図である。すなわち、図１６(ａ)（ｂ）は、装置構成３（比較例：タングステンターゲット）による画像であり、図１６(ｃ)（ｄ）は、装置構成４（実施例：クロムターゲット）による画像である。 FIGS. 16A to 16D are diagrams showing image comparison (using a direct incidence X-ray CCD camera) using a tungsten target and a chromium target X-ray generator. 16 (a) and 16 (b) are images based on the device configuration 3 (comparative example: tungsten target), and FIGS. 16 (c) and 16 (d) are images based on the device configuration 4 (example: chrome target). is there.
図１６(ａ)〜（ｄ）に示すように、同じ直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器を使った場合、特性Ｘ線のエネルギーが異なるタングステンターゲットとクロムターゲットでは、クロムターゲットを使用した図１６(ｃ)（ｄ）の方が、コントラスト分解能が高い。すなわち、ＰＣＶフィルムステップとアリの透過画像双方において、クロムターゲットを使用した図１６(ｃ)（ｄ）に見られるように、濃淡の明瞭な画像が獲られている。 As shown in FIGS. 16A to 16D, when the same direct-incidence X-ray CCD detector is used, a tungsten target and a chromium target having different characteristic X-ray energies use a chromium target. c) The contrast resolution is higher in (d). That is, in both the PCV film step and the ant transmission image, clear and light images are captured as seen in FIGS. 16C and 16D using the chrome target.
３０ｋＶ以下の加速電圧でもタングステンターゲットからＬαの特性Ｘ線が発生するが、その強度は、図１４にあるように、クロムのＫαＸ線（＝５．４ｋｅＶ）よりもかなり低く、また、ＬαＸ線（＝８．４ｋｅＶ）自体のＸ線ＣＣＤ検出器に対する感度が低いので、クロムターゲットＸ線発生器の画像のほうが、高画質になっている。 Lα characteristic X-rays are generated from a tungsten target even at an acceleration voltage of 30 kV or less, and the intensity thereof is considerably lower than that of chromium KαX rays (= 5.4 keV) as shown in FIG. = 8.4 keV) Since the sensitivity to the X-ray CCD detector itself is low, the image of the chrome target X-ray generator has higher image quality.
図１７（ａ）〜（ｃ）は、ＰＣＶフィルムステップの厚さに対する輝度の変化率、すなわちコントラスト感度を示すグラフである。図１７（ａ）がタングステンターゲットによるものであり、図１７（ｂ）が銅ターゲットによるものであり、図１７（ｃ）がクロムターゲットによるものである。 FIGS. 17A to 17C are graphs showing the change rate of the luminance with respect to the thickness of the PCV film step, that is, the contrast sensitivity. FIG. 17A shows the result using a tungsten target, FIG. 17B shows the use of a copper target, and FIG. 17C shows the use of a chromium target.
試料が投影された透過画像を、試料がない場合のバックグランド画像で画素ごとに割り算をし、そのＬｏｇを求め、それぞれの厚さの画像領域における平均値を示した。エラーバーは分散を示す。グラフの横軸は、フィルム厚さであり、Ｌｏｇを計算することで、各画素での線吸収係数が算出される。 The transmission image on which the sample was projected was divided for each pixel by the background image in the absence of the sample, and its log was obtained to show the average value in the image area of each thickness. Error bars indicate variance. The horizontal axis of the graph is the film thickness, and the linear absorption coefficient at each pixel is calculated by calculating Log.
このプロットの傾きは、厚みに対する検出器の輝度の変化率を表している。この傾きが大きいほど、厚みの変化に対する輝度の感度、すなわちコントラスト分解能が高いということを示す。図１７（ａ）のタングステンターゲットの傾きは０．６／７０μｍであるのに対し、図１７（ｂ）（ｃ）の銅およびクロムターゲットでは、それぞれ、０．７／７０μｍ、１．３／７０μｍとなっている。特に図１７（ｃ）のクロムターゲットのコントラスト分解能が高いことがわかる。 The slope of this plot represents the change rate of the luminance of the detector with respect to the thickness. The larger the slope, the higher the brightness sensitivity to the change in thickness, that is, the contrast resolution. The inclination of the tungsten target in FIG. 17A is 0.6 / 70 μm, while the copper and chromium targets in FIGS. 17B and 17C are 0.7 / 70 μm and 1.3 / 70 μm, respectively. It has become. In particular, it can be seen that the contrast resolution of the chromium target in FIG.
このように、実施例である装置構成２および装置構成４によって、炭素、窒素、酸素、水素等の元素で構成される生体試料や高分子材料が、従来のＸ線検査装置に比べて、より明瞭に判別できることが示された。これまでの高エネルギーＸ線検査装置では、このような低コントラスト試料を識別することは難しかった。これらの例から、１）１０ｋｅＶ以下の特性Ｘ線を放出するターゲット材質の伝熱特性を考慮したマイクロフォーカス化、２）Ｋα特性Ｘ線の放出と直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器の高エネルギー連続Ｘ線成分の排除効果による準単色化、によって、生体材料や高分子材料に対して、従来の装置では得られなかった高いコントラスト化と高空間分解能化が実現できることが示された。 As described above, the apparatus configuration 2 and the apparatus configuration 4 which are the embodiments enable a biological sample or a polymer material composed of elements such as carbon, nitrogen, oxygen, and hydrogen to be more in comparison with a conventional X-ray inspection apparatus. It was shown that it can be clearly distinguished. In conventional high energy X-ray inspection apparatuses, it has been difficult to identify such a low contrast sample. From these examples, 1) Microfocusing considering the heat transfer characteristics of the target material that emits characteristic X-rays of 10 keV or less, 2) Emission of Kα characteristic X-rays and high energy continuity of the direct incident X-ray CCD detector It has been shown that high contrast and high spatial resolution, which cannot be obtained with conventional devices, can be realized for quasi-monochromatic materials by the effect of eliminating X-ray components.
１００ Ｘ線画像検査装置
１０ Ｘ線発生器
１ カソード
２ グリッド
３ 静電レンズ
４ 電子線
９ 密封管９
５、５５ ターゲット
６ ターゲット支持部材
７ 冷却通路
８ 冷却水
９ 密封管
９１ Ｘ線窓
２０ Ｘ線検出器
２２ ペルチエ素子
３０ 試料台
４０ 試料
４５ 空気経路
４７ 真空経路
６０ 密閉容器
６１、６２ Ｘ線透過窓
６３ 真空排気弁
６５ 空気導入弁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 X-ray image inspection apparatus 10 X-ray generator 1 Cathode 2 Grid 3 Electrostatic lens 4 Electron beam 9 Sealed tube 9
5, 55 Target 6 Target support member 7 Cooling passage 8 Cooling water 9 Sealed tube 91 X-ray window 20 X-ray detector 22 Peltier element 30 Sample stage 40 Sample 45 Air path 47 Vacuum path 60 Sealed container 61, 62 X-ray transmission window 63 Vacuum exhaust valve 65 Air introduction valve
Claims (3)
直接入射型冷却Ｘ線ＣＣＤ検出器と、
前記反射型特性Ｘ線発生器と前記直接入射型冷却Ｘ線ＣＣＤ検出器との間に配置された試料支持部材と、備え、
前記反射型特性Ｘ線発生器から発生したＸ線により試料を照射し、前記試料を透過したＸ線を前記直接入射型冷却Ｘ線ＣＣＤ検出器により撮像することを特徴とするＸ線画像検査装置。 A reflective characteristic X-ray generator having an X-ray target formed of any one of chromium, nickel, titanium, and iron ;
A direct-incidence cooled X-ray CCD detector ;
A sample support member disposed between the reflective characteristic X-ray generator and the direct-incidence cooled X-ray CCD detector ;
An X-ray image inspection apparatus characterized by irradiating a sample with X-rays generated from the reflection-type characteristic X-ray generator and imaging the X-rays transmitted through the sample with the direct-incidence cooled X-ray CCD detector .
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