JP5874109B2

JP5874109B2 - Ｘ線検出信号処理装置およびそれを用いたｘ線分析装置

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Publication number: JP5874109B2
Application number: JP2014149421A
Authority: JP
Inventors: 幸雄迫
Original assignee: Rigaku Corp
Current assignee: Rigaku Corp
Priority date: 2014-07-23
Filing date: 2014-07-23
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2034-07-23
Also published as: JP2016024102A; WO2016013278A8; WO2016013278A1; US20170153190A1; CN106537188B; US9791393B2; CN106537188A

Description

本発明は、Ｘ線検出器からの信号が入力され、前記Ｘ線検出器に入射したＸ線のエネルギーに応じた波高の信号を出力するＸ線検出信号処理装置およびそれを用いたＸ線分析装置に関する。

従来、例えば蛍光Ｘ線分析において、Ｘ線検出器からの信号（Ｘ線検出器の出力信号。以下、各部の出力信号についても同様に表現する）をプリアンプで増幅し、高速ＡＤコンバーターで高速ＡＤ変換して信号処理部のフィルター関数で平滑化することにより、Ｘ線検出器に入射したＸ線のエネルギー（波長）に応じた波高の信号（波高値）を出力するＸ線検出信号処理装置があるが、プリアンプのタイプにより以下に述べる２つの従来技術に分けられる（特許文献１の段落０００５、０００６参照）。いずれの従来技術においても、正しい信号処理のためには、プリアンプからの信号のレベルが、飽和していない範囲内つまり分析に有効な範囲内であることおよび高速ＡＤコンバーターの入力範囲内であることの２つの条件を満たしている必要がある。

第１の従来技術であるＸ線検出信号処理装置２０では、図４に示すように、コンデンサーおよびリセットスイッチからなる回路２３ａを有するパルスリセットタイプのプリアンプ２３が用いられる。このプリアンプ２３では、図４の右上部の出力波形に示すように、Ｘ線検出器からの信号の１つ１つが増幅されコンデンサーにチャージされて積み上がっていき、積み上がったレベルが所定の上限値を超えると、コンパレーター２７からリセット信号がプリアンプ２３のリセットスイッチに発せられてコンデンサーが放電し、プリアンプ２３がリセットされる。ここで、コンパレーター２７における所定の上限値は、前記２つの条件を満たすように設定される。

第２の従来技術であるＸ線検出信号処理装置３０では、図５に示すように、コンデンサーおよび抵抗からなるＣＲ回路１３ａを有する連続リセットタイプ（テールパルスタイプ、ＲＣカップルタイプなどとも呼ばれる）のプリアンプ１３が用いられる。このプリアンプ１３では、図５の左上部の出力波形に示すように、Ｘ線検出器からの各信号が増幅され急峻に立ち上がってコンデンサーにチャージされる点については、パルスリセットタイプのプリアンプ２３（図４）と同様であるが、各信号について、ＣＲ回路１３ａの時定数に応じてコンデンサーが放電し、チャージされたレベルが減衰する点で異なる。この特徴のため、ＣＲ回路１３ａの時定数を適切に設定する以外に、前記２つの条件を満たすために閾値を設定したコンパレーターを用いるなどの工夫はなされていない。ただし、一般に、プリアンプ１３からの信号のレベルが高速ＡＤコンバーター１４の入力範囲内であるか否かについては、高速ＡＤコンバーター１４自身に判定機能が搭載されており、入力範囲を超えた場合には、高速ＡＤ変換を停止させることなく、オーバーレンジの信号を得て対処することができる。

特表２０１１−５１１９２７号公報

しかし、第１の従来技術では、Ｘ線検出器からの各信号が増幅されコンデンサーにチャージされて減衰されずに積み上がっていくため、前記２つの条件を満たすようにコンパレーター２７における所定の上限値を設定すると、Ｘ線検出器からの各信号についてプリアンプ２３からの出力時に許容されるレベルは、例えば、プリアンプ２３の出力が飽和しない有効な範囲の１／１００程度、または、高速ＡＤコンバーター１４の入力範囲の１／１００程度で、１０ｍＶ程度となり、その結果、ＳＮ比が良好でなく、また、高計数率に対応できないなどの問題がある。

一方、第２の従来技術では、Ｘ線検出器からの各信号について、増幅されコンデンサーにチャージされた後ＣＲ回路１３ａの時定数に応じてレベルが減衰するので、第１の従来技術よりもコンデンサーの値を小さくすることにより、各信号についてプリアンプ２３からの出力レベルを例えば１００ｍＶ程度に大きくでき、ＳＮ比が良好で、高計数率にも対応できる。また、前述したように、プリアンプ１３からの信号のレベルが高速ＡＤコンバーター１４の入力範囲を超えた場合には、高速ＡＤコンバーター１４自身で対処できる。

しかし、以下のような問題がある。図６に、第２の従来技術におけるプリアンプ１３からの信号Ｐｏと高速ＡＤコンバーター１４からの信号ＡＤｏを縦に並べて示す。縦に並んだ図６の各部において、縦軸は各信号のレベルで、横軸は時間であり、プリアンプ１３からの信号Ｐｏのレベルが飽和していない有効な範囲にある状態を左側に示し、Ｘ線検出器へのＸ線の入射頻度が高くなり重畳が起こった場合や、Ｘ線検出器へ強大なエネルギーの宇宙線が入射した場合であって、プリアンプ１３からの信号Ｐｏのレベルが飽和していない有効な範囲を超えた状態を右側に示している。

第２の従来技術では、高速ＡＤコンバーター１４は、プリアンプ１３からの信号Ｐｏを常にそのまま高速ＡＤ変換し、信号処理部１６は、高速ＡＤコンバーター１４からの信号ＡＤｏの急峻な立ち上がりに基づいて、信号の到達を認識し、到達を認識した信号についてフィルター関数によって平滑化して波高値を求め、多重波高分析器へ出力する。例えば、図６の左側に示したように、プリアンプ１３からの信号Ｐｏのレベルが飽和していない有効な範囲にある状態では、プリアンプ１３からの信号Ｐｏの急峻な立ち上がりＮがそのまま高速ＡＤ変換されて、高速ＡＤコンバーター１４からの信号ＡＤｏの急峻な立ち上がりＮｄになる。その急峻な立ち上がりＮｄに基づいて、信号処理部１６は、高速ＡＤコンバーター１４からの信号ＡＤｏの到達を認識し、到達を認識した信号ＡＤｏについてフィルター関数によって平滑化して波高値を求め、多重波高分析器へ出力する。多重波高分析器は、その波高値を正常で有効なものとして処理する。この動作には問題はない。

一方、図６の右側に示したように、プリアンプ１３からの信号Ｐｏのレベルが飽和していない有効な範囲を超えた状態では、プリアンプ１３からの信号Ｐｏの急峻な立ち上がりＡ、ならびにその後の減衰の過程でプリアンプ１３の特性上ノイズ（グリッジ、ザグなどと呼ばれる）として生じる急峻な立ち下がりＢおよび急峻な立ち上がりＣがそのまま高速ＡＤ変換されて、高速ＡＤコンバーター１４からの信号ＡＤｏの急峻な立ち上がりＡｄ、急峻な立ち下がりＢｄおよび急峻な立ち上がりＣｄになる。２つの急峻な立ち上がりＡｄ、Ｃｄに基づいて、信号処理部１６は、高速ＡＤコンバーター１４からの信号ＡＤｏについて２件の到達を認識し、到達を認識した２つの信号（ＡＤｏの前半と後半）についてそれぞれフィルター関数によって平滑化して波高値を求め、多重波高分析器へ出力する。多重波高分析器において、その２つの波高値のうち、先の急峻な立ち上がりＡｄについての波高値は、値の大きさから異常で無効なものとして処理できるが、後の急峻な立ち上がりＣｄについての波高値は、異常で無効なものとして処理することができず、前述の急峻な立ち上がりＮｄについての波高値と同様に、正常で有効なものとして処理することが起こる。その結果、多重波高分析器においてエネルギー分解能が劣化してしまう。

本発明は前記従来の問題に鑑みてなされたもので、ＳＮ比が良好で、高計数率にも対応でき、しかも、Ｘ線検出器へのＸ線の入射頻度が高くなることや、Ｘ線検出器へ宇宙線が入射することがあっても、エネルギー分解能の高い分析ができるＸ線検出信号処理装置およびそれを用いたＸ線分析装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の第１構成のＸ線検出信号処理装置は、Ｘ線検出器からの信号が入力され、前記Ｘ線検出器に入射したＸ線のエネルギーに応じた波高の信号を出力するＸ線検出信号処理装置であって、前記Ｘ線検出器からの信号を増幅し、ＣＲ回路の時定数に応じて減衰させるプリアンプと、クロック発振器と、そのクロック発振器の発振に基づいて動作し、前記プリアンプからの信号を高速ＡＤ変換する高速ＡＤコンバーターと、その高速ＡＤコンバーターからの信号の立ち上がりに基づいて信号の到達を認識し、到達を認識した信号についてフィルター関数によって平滑化する信号処理部とを備えている。そして、さらに、前記プリアンプからの信号のレベルが所定の上限値を超えていない場合にはハイの信号を発し、前記プリアンプからの信号のレベルが前記所定の上限値を超えている場合にはローの信号を発するコンパレーターと、そのコンパレーターからの信号がローからハイになるのを所定の時間遅延させて前記クロック発振器へ出力し、ローの信号を前記クロック発振器へ出力して発振を停止させることにより、前記高速ＡＤコンバーターでの高速ＡＤ変換を停止させて出力値を維持させる制御部とを備えている。

第１構成のＸ線検出信号処理装置では、ＣＲ回路を有する連続リセットタイプのプリアンプを用い、プリアンプからの信号のレベルが所定の上限値を超えると、制御部が、高速ＡＤコンバーターでの高速ＡＤ変換を停止させて出力を維持させるとともに、その後プリアンプからの信号のレベルが所定の上限値以下に減衰しても高速ＡＤ変換の再開を所定の時間遅延させるので、ＳＮ比が良好で、高計数率にも対応でき、しかも、Ｘ線検出器へのＸ線の入射頻度が高くなることや、Ｘ線検出器へ宇宙線が入射することがあっても、波高分析器で有効、無効について正しく処理できる波高値のみを出力することによりエネルギー分解能の高い分析ができる。

本発明の第２構成のＸ線分析装置では、第１構成のＸ線検出信号処理装置を用いる。第２構成のＸ線分析装置によっても、第１構成のＸ線検出信号処理装置と同様の作用効果が得られる。

本発明の一実施形態のＸ線検出信号処理装置を示す概略図である。同Ｘ線検出信号処理装置を用いた蛍光Ｘ線分析装置の概略図である。同Ｘ線検出信号処理装置における各部からの信号を縦に並べて示す図である。第１の従来技術であるＸ線検出信号処理装置を示す概略図である。第２の従来技術であるＸ線検出信号処理装置を示す概略図である。同Ｘ線検出信号処理装置における各部からの信号を縦に並べて示す図である。

以下、本発明の一実施形態のＸ線検出信号処理装置について、図にしたがって説明する。この装置は、図１に示すように、Ｘ線検出器からの信号が入力され、Ｘ線検出器に入射したＸ線のエネルギーに応じた波高の信号を出力する装置１０であって、Ｘ線検出器からの信号を増幅し、ＣＲ回路１３ａの時定数に応じて減衰させるプリアンプ１３と、クロック発振器１５と、そのクロック発振器１５の発振に基づいて動作し、プリアンプ１３からの信号を高速ＡＤ変換する高速ＡＤコンバーター１４と、その高速ＡＤコンバーター１４からの信号の立ち上がりに基づいて信号の到達を認識し、到達を認識した信号について、立ち上がりの高さから、換言すればフィルター関数によって平滑化して、波高値を求め、多重波高分析器へ出力する信号処理部１６とを備えている。なお、本実施形態では、多重波高分析器に適用する場合の例を示すが、本発明のＸ線検出信号処理装置は、多重波高分析器（マルチチャンネルアナライザー）に限らず、シングルチャンネルの波高分析器にも適用できる。

このように、本実施形態のＸ線検出信号処理装置１０では、前述の第２の従来技術と同様にＣＲ回路１３ａを有する連続リセットタイプのプリアンプ１３を用いるので、Ｘ線検出器からの各信号についてプリアンプ１３からの出力レベルを例えば１００ｍＶ程度に大きくでき、ＳＮ比が良好で、高計数率にも対応できる。また、前述したように、プリアンプ１３からの信号のレベルが高速ＡＤコンバーター１４の入力範囲を超えた場合には、高速ＡＤコンバーター１４自身で対処できる。

そして、本実施形態のＸ線検出信号処理装置１０は、さらに、プリアンプ１３からの信号のレベルが所定の上限値を超えていない場合にはハイの信号を発し、プリアンプ１３からの信号のレベルが前記所定の上限値を超えている場合にはローの信号を発するコンパレーター１７と、そのコンパレーター１７からの信号がローからハイになるのを所定の時間遅延させてクロック発振器１５へ出力し、ローの信号をクロック発振器１５へ出力して発振を停止させることにより、高速ＡＤコンバーター１４での高速ＡＤ変換を停止させて出力値を維持させる制御部１８とを備えている。

このコンパレーター１７および制御部１８を備えたことによる本実施形態のＸ線検出信号処理装置１０の動作について説明する。図３に、本実施形態のＸ線検出信号処理装置１０における、プリアンプ１３からの信号Ｐｏ、コンパレーター１７からの信号ＣＭｏ、制御部１８からの信号ＣＫｅ、高速ＡＤコンバーター１４からの信号ＡＤｏを縦に並べて示す。縦に並んだ図３の各部において、縦軸は各信号のレベルで、横軸は時間であり、プリアンプ１３からの信号Ｐｏのレベルが飽和していない有効な範囲にある状態を左側に示し、Ｘ線検出器へのＸ線の入射頻度が高くなり重畳が起こった場合や、Ｘ線検出器へ強大なエネルギーの宇宙線が入射した場合であって、プリアンプ１３からの信号Ｐｏのレベルが飽和していない有効な範囲を超えた状態を右側に示している。なお、コンパレーター１７に設定された、プリアンプ１３からの信号Ｐｏについての所定の上限値をＨｌで示し、コンパレーター１７からの信号ＣＭｏおよび制御部１８からの信号ＣＫｅについて、ハイをＨで、ローをＬで示している。

図３の左側に示したように、プリアンプ１３からの信号Ｐｏのレベルが、飽和していない有効な範囲にある状態では、つまり、コンパレーター１７に設定された所定の上限値Ｈｌ以下であると、コンパレーター１７からの信号ＣＭｏおよび制御部１８からの信号ＣＫｅはいずれもハイであり、プリアンプ１３からの信号Ｐｏの急峻な立ち上がりＮがそのまま高速ＡＤ変換されて、高速ＡＤコンバーター１４からの信号ＡＤｏの急峻な立ち上がりＮｄになる。その急峻な立ち上がりＮｄに基づいて、信号処理部１６は、高速ＡＤコンバーター１４からの信号ＡＤｏの到達を認識し、到達を認識した信号ＡＤｏについてフィルター関数によって平滑化して波高値を求め、多重波高分析器へ出力する。多重波高分析器は、その波高値を正常で有効なものとして処理する。この動作は、前述した第２の従来技術における問題のない動作と同様である。

一方、図３の右側に示したように、プリアンプ１３からの信号Ｐｏのレベルが、飽和していない有効な範囲を超えると、つまり、コンパレーター１７に設定された所定の上限値Ｈｌを超えると、コンパレーター１７からの信号ＣＭｏおよび制御部１８からの信号ＣＫｅはいずれもローになる。そして、制御部１８からローの信号ＣＫｅがクロック発振器１５へ出力されると、クロック発振器１５は、高速ＡＤコンバーター１４を動作させている発振を停止するので、高速ＡＤコンバーター１４は高速ＡＤ変換を停止して、停止直前の出力値、つまり、プリアンプ１３からの信号Ｐｏのレベルがコンパレーター１７に設定された所定の上限値Ｈｌに達したときの出力値を維持する。その結果、プリアンプ１３からの信号Ｐｏの急峻な立ち上がりＡは、上限値Ｈｌに達するまで高速ＡＤ変換されて、高速ＡＤコンバーター１４からの信号ＡＤｏの急峻な立ち上がりＡＨｌｄになる。

急峻な立ち上がりＡの後の減衰の過程で、プリアンプ１３からの信号Ｐｏのレベルが、飽和していない有効な範囲に戻ろうとするときに、つまり、コンパレーター１７に設定された所定の上限値Ｈｌ以下になろうとするときに、プリアンプ１３の特性上ノイズ（グリッジ、ザグなどと呼ばれる）として急峻な立ち下がりＢおよび急峻な立ち上がりＣを生じる。この急峻な立ち下がりＢおよび急峻な立ち上がりＣにおいて、プリアンプ１３からの信号Ｐｏのレベルは、コンパレーター１７に設定された所定の上限値Ｈｌ未満にまで下がってから、再度超えるまで上がるので、コンパレーター１７からの信号ＣＭｏは、ローからハイになり、すぐまたローに戻る。しかし、制御部１８は、コンパレーター１７からの信号ＣＭｏがローからハイになるのを所定の時間遅延させてクロック発振器１５へ出力するので、制御部１８からの信号ＣＫｅはローのままである。したがって、高速ＡＤコンバーター１４は、急峻な立ち上がりＡＨｌｄ終端の出力値を維持し続ける。なお、制御部１８に設定される、コンパレーター１７からの信号ＣＭｏがローからハイになるのを遅延させる所定の時間は、実験的に求めることができ、例えば０．０３msecである。

急峻な立ち上がりＣの後の減衰の過程で、プリアンプ１３からの信号Ｐｏのレベルが、飽和していない有効な範囲に戻ると、つまり、コンパレーター１７に設定された所定の上限値Ｈｌまで下がると、コンパレーター１７からの信号ＣＭｏはローからハイになり、前述の所定の時間遅延して、制御部１８からの信号ＣＫｅもローからハイになる。そして、制御部１８からの信号ＣＫｅがハイになると、高速ＡＤコンバーター１４は、プリアンプ１３からの信号Ｐｏの高速ＡＤ変換を再開するので、高速ＡＤコンバーター１４からの信号ＡＤｏも、プリアンプ１３からの信号Ｐｏと同様に減衰していく。

したがって、高速ＡＤコンバーター１４からの信号ＡＤｏには、最初に急峻な立ち上がりＡＨｌｄが現れるだけで、これに基づいて、信号処理部１６は、高速ＡＤコンバーター１４からの信号ＡＤｏの到達を認識し、到達を認識した信号ＡＤｏについてフィルター関数によって平滑化して波高値を求め、多重波高分析器へ出力する。多重波高分析器において、この波高値は、値の大きさから異常で無効なものとして処理でき、前述の急峻な立ち上がりＮｄについての波高値と同様に正常で有効なものとして処理されることはないので、エネルギー分解能が劣化するおそれがない。

以上のように、本実施形態のＸ線検出信号処理装置１０では、ＣＲ回路１３ａを有する連続リセットタイプのプリアンプ１３を用い、プリアンプ１３からの信号Ｐｏのレベルが所定の上限値Ｈｌを超えると、制御部１８が、高速ＡＤコンバーター１４での高速ＡＤ変換を停止させて出力を維持させるとともに、その後プリアンプ１３からの信号Ｐｏのレベルが所定の上限値Ｈｌ以下に減衰しても高速ＡＤ変換の再開を所定の時間遅延させるので、ＳＮ比が良好で、高計数率にも対応でき、しかも、Ｘ線検出器へのＸ線の入射頻度が高くなることや、Ｘ線検出器へ宇宙線が入射することがあっても、波高分析器で有効、無効について正しく処理できる波高値のみを出力することによりエネルギー分解能の高い分析ができる。

本実施形態のＸ線検出信号処理装置１０は、例えば、図２の蛍光Ｘ線分析装置に用いられる。この蛍光Ｘ線分析装置は、試料台８に載置された試料３にＸ線管などのＸ線源１から１次Ｘ線２を照射して発生する蛍光Ｘ線４を検出手段９で検出する蛍光Ｘ線分析装置であって、前述のＸ線検出信号処理装置１０と、Ｘ線検出信号処理装置１０からの波高の信号（波高値）について多数の連続した波高範囲ごとに分別して計数率を求めることにより、波高に対する計数率の分布であるエネルギースペクトル（波高分布曲線）を得る多重波高分析器１１と、多重波高分析器１１で得たエネルギースペクトルに基づいて試料３における成分の含有率等を算出する定量手段１２とを備える。Ｘ線検出信号処理装置１０、多重波高分析器１１および定量手段１２の少なくとも一部は、具体的には、コンピューターおよびそれに接続された入出力機器で構成される。

検出手段９は、試料３から発生する２次Ｘ線４を分光する分光素子５と、分光された２次Ｘ線６ごとにそのエネルギー（波長）に応じた波高をもつ信号（パルス）を前記分光された２次Ｘ線６の強度に応じた数だけ発生させるＸ線検出器７で構成される。なお、分光素子５を用いる検出手段９には、検出する２次Ｘ線４の波長が固定された固定型と、検出する２次Ｘ線４の波長を走査できる走査型とがあるが、必要に応じ、いずれをいくつ備えてもよい。また、分光素子５を用いずに、エネルギー分解能の高いＸ線検出器を検出手段とすることもできる。この蛍光Ｘ線分析装置では、前述のＸ線検出信号処理装置１０を用いるので、前述したのと同様の作用効果が得られる。この蛍光Ｘ線分析装置も、本発明の一実施形態であり、本発明に含まれる。また、本発明のＸ線検出信号処理装置を用いる、蛍光Ｘ線分析装置以外のＸ線分析装置（例えばＸ線回折装置）も、本発明に含まれる。

７Ｘ線検出器
１０Ｘ線検出信号処理装置
１３プリアンプ
１３ａＣＲ回路
１４高速ＡＤコンバーター
１５クロック発振器
１６信号処理部
１７コンパレーター
１８制御部

Claims

Ｘ線検出器からの信号が入力され、前記Ｘ線検出器に入射したＸ線のエネルギーに応じた波高の信号を出力するＸ線検出信号処理装置であって、
前記Ｘ線検出器からの信号を増幅し、ＣＲ回路の時定数に応じて減衰させるプリアンプと、
クロック発振器と、
そのクロック発振器の発振に基づいて動作し、前記プリアンプからの信号を高速ＡＤ変換する高速ＡＤコンバーターと、
その高速ＡＤコンバーターからの信号の立ち上がりに基づいて信号の到達を認識し、到達を認識した信号についてフィルター関数によって平滑化して波高値を求め、その波高値について値の大きさから異常で無効なものとして処理できる波高分析器へ出力する信号処理部と、
前記プリアンプからの信号のレベルが所定の上限値を超えていない場合にはハイの信号を発し、前記プリアンプからの信号のレベルが前記所定の上限値を超えている場合にはローの信号を発するコンパレーターと、
そのコンパレーターからの信号がローからハイになるのを所定の時間遅延させて前記クロック発振器へ出力し、ローの信号を前記クロック発振器へ出力して発振を停止させることにより、前記高速ＡＤコンバーターでの高速ＡＤ変換を停止させて出力値を維持させる制御部とを備えたＸ線検出信号処理装置。
請求項１に記載のＸ線検出信号処理装置と、前記波高分析器とを用いたＸ線分析装置。