JP6732240B2

JP6732240B2 - Ｘ線測定装置

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Publication number: JP6732240B2
Application number: JP2017217530A
Authority: JP
Inventors: 寿顕三好; 藤原　健; 健藤原; 英俊加藤; 鈴木　良一; 良一鈴木
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Sharp Corp
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Sharp Corp
Priority date: 2017-11-10
Filing date: 2017-11-10
Publication date: 2020-07-29
Anticipated expiration: 2037-11-10
Also published as: US20190145914A1; US10705032B2; CN109946329A; CN109946329B; JP2019090619A

Description

本発明は、Ｘ線測定装置に関する。

Ｘ線を測定対象に照射し、測定対象から反射された後方散乱Ｘ線を検出して、測定対象の透視画像を取得する技術が知られている。しかしながら、通常のＸ線源では発生するＸ線の指向性が乏しいので、後方散乱Ｘ線は測定対象の透視画像を取得するには微弱である。

これに対し、特許文献１は、広がり角が十分小さい高指向性のパルスＸ線を周期的に発生するＸ線源を使用する技術を提案している。

また、特許文献２は、Ｘ線管で発生したＸ線を、ピンホールを通して形成しビーム上にして測定対象に照射し、後方散乱Ｘ線を、円形スリットを通してＸ線検査装置の内周面に入射させる技術を提案している。

特開２００８−２９４０号公報（２００８年１月１０日公開）特開２００１−２０８７９５号公報（２００１年８月３日公開）

しかしながら、上述した技術は、Ｘ線をスポットビーム状にして測定対象に照射して、微弱な後方散乱Ｘ線を捉える。このため、照射タイミングに合わせて後方散乱Ｘ線のみを検出する装置、Ｘ線管の近傍に設けられた、スポットビームを形成するためのコリメーション機構、スポットビームで対象物をスキャンするための機構、スポットビーム状のＸ線照射部の周辺に多くの検出装置を配置する装置等の特殊な装置が必要である。特に、Ｘ線管のエネルギーが高くなると、Ｘ線管の近傍に設けられたコリメーション機構が大型化するという問題がある。

本発明の一態様は、微弱なＸ線を捉えるための特別な構成を用いることなくＸ線を検出し、後方散乱Ｘ線像を結像させることを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るＸ線測定装置は、測定対象にＸ線を照射するＸ線照射部と、上記測定対象で反射した後方散乱Ｘ線に応じた電気信号を検出するＸ線検出部と、上記Ｘ線検出部が出力する電気信号を参照して上記測定対象を測定する測定部と、上記後方散乱Ｘ線を通過させ、上記後方散乱Ｘ線を上記Ｘ線検出部上に結像させる開口が形成されたる開口部と、上記後方散乱Ｘ線の進行方向の上記開口部に対する上流側、および下流側のそれぞれに配された、所定のエネルギー量のＸ線を透過するフィルタとを備えている。

本発明の一態様によれば、微弱なＸ線を捉えるための特別な構成を用いることなくＸ線を検出し、後方散乱Ｘ線像を結像させることができる。

本発明の実施形態１に係るＸ線測定装置の概観図である。散乱角毎のエネルギーと後方散乱Ｘ線の強度との関係を示す。本発明の実施形態１に係るＸ線検出部の概観図である。本発明の実施形態２に係るＸ線測定装置の概観図である。本発明の実施形態３に係るＸ線測定装置の概観図である。本発明の実施形態４に係るＸ線測定装置の概観図である。本発明の実施形態５に係るＸ線測定装置の概観図である。

〔実施形態１〕
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図１は本実施形態に係るＸ線測定装置１の概観図である。

（Ｘ線測定装置）
本実施形態において、Ｘ線測定装置１は、Ｘ線照射部１０、センサ２０、重金属板３０、および測定部４０を備えている。

Ｘ線照射部１０は、測定対象２にＸ線を照射する。本実施形態のＸ線照射部１０は、メートルサイズの従来品と比較して、小型かつ軽量である。例えば、本実施形態のＸ線照射部１０として、大きさがＣＤケースサイズであり、厚さが７０ｍｍであり、重さが数ｋｇであるものを採用することができる。本実施形態では、小型かつ軽量なＸ線照射部１０を用いるので、Ｘ線測定装置１に備わる各部材の配置の自由度が、従来品と比較して圧倒的に高い。

Ｘ線照射部１０は、Ｘ線を、集約等を行わず照射する。したがって、Ｘ線照射部１０は、Ｘ線を、測定対象２からの一定領域の照射域に照射する。照射域は、Ｘ線照射部１０が照射するＸ線のエネルギー量、およびＸ線照射部１０と測定対象２との距離により決まる。

Ｘ線照射部１０から照射されたＸ線の大部分は、測定対象２を透過するか、測定対象２に吸収されるが、一部のＸ線は測定対象２で反射される。反射されたＸ線を、後方散乱Ｘ線と呼ぶ。

センサ２０は、測定対象２で反射した後方散乱Ｘ線に応じた電気信号を検出するＸ線検出部である。

重金属板３０は、後方散乱Ｘ線を通過させる開口であるピンホール３２を有する開口部である。ピンホール３２は、後方散乱Ｘ線をセンサ２０上に結像させる。センサ２０は、ピンホール３２を通過した後方散乱Ｘ線を検出する。重金属板３０に含まれる重金属とは、例えば鉛、タングステン等である。

測定部４０は、センサ２０が出力する電気信号に応じた測定対象２の撮像画像を参照して測定対象２を測定する。

図２は、散乱角θｓを異ならせた場合の、Ｘ線照射部１０に与える電圧（横軸）と、後方散乱Ｘ線の強度（縦軸）との関係を示す。ここで、散乱角θｓとは、照射したＸ線の進行方向に対して、変更された進行方向の角度を指す。図２は、１５０°、１２０°、１００°の３種類の散乱角θｓについて示す。

図２に示すように、散乱角θｓが１８０°に近い方が、後方散乱Ｘ線の強度が大きくなる。このため、本実施形態では、図１の矢印Ａに示すように、Ｘ線照射部１０とセンサ２０とをできるだけ近づけて配置することが重要である。すなわち、本実施形態のＸ線照射部１０を小型にすることは重要である。

（センサ）
図３は、センサ２０の上面図である。センサ２０は、フラットパネルディスプレイであり、複数の素子２２が配列され、ガラス状に製膜された素子アレイ、および素子アレイ全面を覆うシンチレータで構成されている。シンチレータは、後方散乱Ｘ線を受光し、後方散乱Ｘ線を光に変換する機能を備えるＸ線光変換部である。

複数の素子２２の各々は、例えば２００μｍ＊２００μｍのサイズを有する。また、素子アレイは、例えば行方向に５１２個に並べ、列方向に５１２個並べて、計２６２１４４個並べる。この場合、有感面積は、１０２．４ｍｍ＊１０２．４ｍｍである。

複数の素子２２の各々は、光電変換部であるフォトダイオードＰＤ、保持部であるコンデンサＣＯ、転送部の一部である薄膜トランジスタＴＦＴを含んでいる。

フォトダイオードＰＤは、シンチレータが変換した光を受光し、電荷Ｑｐｄを発生する。フォトダイオードＰＤは、電圧印加端子ＶＣＣ＿ＰＤと接続している。

コンデンサＣＯは、酸化物半導体を含み、フォトダイオードＰＤが発生した電荷Ｑｐｄを蓄積する。

薄膜トランジスタＴＦＴは、酸化物半導体を含み、コンデンサＣＯと測定部４０との接続をオンオフするスイッチとして機能する。薄膜トランジスタＴＦＴは、コンデンサＣＯに保持されている電気信号を、測定部４０へ転送する。

センサ２０は、電気信号を保持、および転送する機構が酸化物半導体を含む。酸化物半導体は、アモルファスシリコンと比較してリーク電流が非常に小さいという特性がある。具体的には、酸化物半導体を用いた場合のリーク電流は、アモルファスシリコンを用いた場合のリーク電流の１/１００以下である。したがって、センサ２０は、微弱な後方散乱Ｘ線で発生する微小な電荷を長時間蓄えておくことができる。すなわち、Ｘ線測定装置１は、長時間に渡り微弱な後方散乱Ｘ線を検出し、増幅する事ができ、後方散乱Ｘ線の強弱を画像に表現することができる。

センサ２０の検出面の中心は、Ｘ線照射部１０から照射されるＸ線の中心線に対する角度が１５０°から１８０°の範囲内の位置に配される。

本実施形態に係るＸ線測定装置１によれば、測定対象２を透過したＸ線から得られる透過画像では確認できない、Ｘ線照射部１０と対向する面側の構成を確認することができる。

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

図４に示すように、本実施形態において、Ｘ線測定装置１ａは、第１のフィルタ４１、および第２のフィルタ４２をさらに備えている。

Ｘ線測定装置１ａは、後方散乱Ｘ線の進行方向の重金属板３０に対して上流側に配された第１のフィルタ４１、および重金属板３０に対して下流側に配された第２のフィルタ４２を備えている。

第１のフィルタ４１、および第２のフィルタ４２は、例えば、銅、アルミニウム等の金属で形成されている。第１のフィルタ４１、および第２のフィルタ４２は、特定のエネルギー量のＸ線のみを透過させて、不要なＸ線を遮断する。第１のフィルタ４１、および第２のフィルタ４２は、用いる材質、後方散乱Ｘ線の進行方向の厚さを調整することにより、透過させるエネルギー量が調整される。

本実施形態において、第１のフィルタ４１は、エネルギー量の大きなＸ線のみを透過させて、エネルギー量の小さいＸ線を遮断する。したがって、ピンホールを通過する後方散乱Ｘ線は、エネルギー量の大きなＸ線である。また、第２のフィルタ４２は、ピンホール３２を通過することで生じる特定のエネルギー量のＸ線を遮断する。Ｘ線がピンホール３２の縁と衝突して散乱角が変わると、Ｘ線のエネルギー量が変わる。このため、特に特定のエネルギー量の後方散乱Ｘ線のみをセンサ２０に結像させたい場合は、ピンホール３２の縁と衝突し、エネルギー量が変わったＸ線を遮断することが好ましい。

第１のフィルタ４１を設けることにより、エネルギー量の大きい後方散乱Ｘ線から得られる情報を選択的に取得することができる。Ｘ線は、エネルギー量が大きい程、測定対象２の表面の内部の深い箇所まで透過して散乱される。つまり、エネルギー量の大きい後方散乱Ｘ線は、測定対象２の内部で散乱されたＸ線である。したがって、本実施形態に係るＸ線測定装置１は、測定対象２の内部の画像を選択的に取得することができる。

また、第２のフィルタ４２を設けることにより、ピンホール３２を通過することで生じた不要な情報を撮像画像から除くことができる。

なお、本実施形態において、フィルタは、後方散乱Ｘ線の進行方向の重金属板３０に対する上流側、および下流川の両方に配されている。しかしながら、フィルタは、後方散乱Ｘ線の進行方向の重金属板３０に対する上流側、および下流側の少なくとも一方に配されていればよい。

〔実施形態３〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

図５に示すように、本実施形態に係るＸ線測定装置１ｂは、第１のセンサ２０ｂ１、第２のセンサ２０ｂ２、および不図示の立体画像生成部を備えている。すなわち、本実施形態に係るＸ線測定装置１ｂは複数のセンサを備えており、異なる方向から撮像した複数の画像から立体画像を生成することができる。また、Ｘ線測定装置１ｂは、第１のセンサ２０ｂ１に対応する第１の重金属板３０ｂ１、および第２のセンサ２０ｂ２に対応する第２の重金属板３０ｂ２を備えている。

立体画像生成部は、第１のセンサ２０ｂ１、および第２のセンサ２０ｂ２の測定結果に応じて立体画像を生成する。

複数のセンサが後方散乱Ｘ線を検出するために、（１）Ｘ線照射部１０が、Ｘ線を、広がりをもって照射されていること、（２）Ｘ線照射部１０の近くに各々のセンサを配置すること、および（３）少量の後方散乱Ｘ線を長時間にわたり収集できるセンサであることが必須である。

本実施形態に係るＸ線測定装置１ｂは、（１）Ｘ線照射部１０はＸ線を、集約等を行わず照射し、（２）Ｘ線照射部１０は小型であり、（３）電気信号を保持、および転送する機構が酸化物半導体を含む。つまり、本実施形態に係るＸ線測定装置１ｂは上記必須事項を満たしている。

〔実施形態４〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

図６に示すように、本実施形態に係るＸ線測定装置１ｃは、第１のセンサ２０ｃ１、第２のセンサ２０ｃ２を備えている。また、Ｘ線測定装置１ｃは、第１のセンサ２０ｃ１に対応する第１の重金属板３０ｃ１、および第２のセンサ２０ｃ２に対応する第２の重金属板３０ｃ２を備えている。

図６に示すように、第１の重金属板３０ｃ１に形成された第１のピンホール３２ｃ１と、第２の重金属板３０ｃ２に形成された第１のピンホール３２ｃ１とは、開口径が異なる。本実施形態において、矢印Ａ１および矢印Ａ２で示すように、第１のピンホール３２ｃ１の径は、第２のピンホール３２ｃ２の径と比較して大径である。同様に、第２のピンホール３２ｃ２の径は、第１のピンホール３２ｃ１の径と比較して小径である。

比較的大径な第１のピンホール３２ｃ１を通過した後方散乱Ｘ線は、第１のセンサ２０ｃ１に検出される。したがって、第１のセンサ２０ｃ１による検出により、比較的高速に測定対象２をスクリーニングすることができる。すなわち、第１のセンサ２０ｃ１により、比較的粗いが、広範囲を撮像した撮像画像５１を取得することができる。

一方、比較的小径な第２のピンホール３２ｃ２を通過した後方散乱Ｘ線は、第２のセンサ２０ｃ２に検出される。したがって、第２のセンサ２０ｃ２による検出により、比較的詳細に測定対象２を測定することができる。すなわち、第２のセンサ２０ｃ２により、比較的精密な撮像画像５２を取得することができる。

本実施形態に係るＸ線測定装置１ｃによれば、例えば、インフラの検査等の測定箇所が広大な場合に、まず、第１のセンサ２０ｃ１で、測定対象全体を、比較的高速にスクリーニングし、比較的粗い撮像画像を取得する。そして、その後、欠陥が疑われる箇所を、第２のセンサ２０ｃ２で比較的詳細な測定をすることができる。

〔実施形態５〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

図７に示すように、本実施形態に係るＸ線測定装置１ｄは、透過Ｘ線センサ（透過Ｘ線検出部）６０を備えている。透過Ｘ線センサ６０は、測定対象２に対して、Ｘ線照射部１０の反対側に配置され、測定対象２を透過した透過Ｘ線を検出する。

本実施形態に係るＸ線測定装置１ｄによれば、測定対象２を反射した後方散乱Ｘ線に応じた撮像画像と測定対象２を透過したＸ線に応じた撮像画像との両方を取得することができる。

さらに、本実施形態に係るＸ線測定装置１ｄにおいて、Ｘ線照射部１０が照射するＸ線のエネルギー量を調節し、様々なエネルギー量のＸ線を測定対象２に照射することで、測定対象２の内部構造を含む３６０°画像を取得することができる。

測定対象２を透過したＸ線に応じた撮像画像により、光電効果の結果を得ることができる。一方、測定対象２を反射した後方散乱Ｘ線に応じた撮像画像は、コンプトン効果の結果を得ることができる。光電効果、およびコンプトン効果は、測定対象２を構成する物質の組成に密接に関わっているので、各々の撮像画像から、測定対象２を構成する物質の組成の情報を得ることができる。

例えば、セキュリティ用途において荷物等を検査する場合、荷物を反射した後方散乱Ｘ線に応じた撮像画像と荷物を透過したＸ線に応じた撮像画像との両方から、危険物の有無等の評価をより高精度することができる。

〔まとめ〕
本発明の態様１に係るＸ線測定装置１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄは、測定対象２にＸ線を照射するＸ線照射部１０と、上記測定対象２で反射した後方散乱Ｘ線に応じた電気信号を検出するＸ線検出部（センサ２０）と、上記Ｘ線検出部（センサ２０）が出力する電気信号を参照して上記測定対象２を測定する測定部４０と、上記後方散乱Ｘ線を通過させ、上記後方散乱Ｘ線を上記Ｘ線検出部（センサ２０）上に結像させる開口（ピンホール３２）が形成された開口部（重金属板３０）とを備えている。

上記の構成によれば、微弱なＸ線を捉えるための特別な構成を用いることなくＸ線を検出し、後方散乱Ｘ線像を結像させ、測定対象２を測定することができる。

本発明の態様２に係るＸ線測定装置１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄは、上記態様１において、上記Ｘ線検出部（センサ２０）は、酸化物半導体を含み、上記後方散乱Ｘ線に応じた電気信号を保持する保持部（コンデンサＣＯ）と、酸化物半導体を含み、上記保持部（コンデンサＣＯ）に保持された上記電気信号を上記測定部４０へ転送する転送部（薄膜トランジスタＴＦＴ）とを備えていてもよい。

上記の構成によれば、微弱なＸ線を捉えるための特別な構成を用いることなくＸ線を検出することができる。

本発明の態様３に係るＸ線測定装置１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄは、上記態様１または２において、上記Ｘ線検出部（センサ２０）の検出面の中心は、上記Ｘ線照射部１０から照射されるＸ線の中心線に対する角度が１５０°から１８０°の範囲内の位置に配されてもよい。

上記の構成によれば、比較的強度の強いＸ線を検出することができる。

本発明の態様４に係るＸ線測定装置１ａは、上記態様１から３において、上記後方散乱Ｘ線を通過させる開口（ピンホール３２）が形成された開口部（重金属板３０）と、上記後方散乱Ｘ線の進行方向の上記開口部（重金属板３０）に対する上流側、および下流川の少なくとも一方に配された、所定のエネルギー量のＸ線を透過するフィルタ４１，４２とを備えていてもよい。

上記の構成によれば、特定のエネルギー量のＸ線のみを検出することができる。

本発明の態様５に係るＸ線測定装置１ｂは、上記態様１から４において、上記Ｘ線検出部（センサ２０ｂ１，２０ｂ２）を複数備え、上記複数のＸ線検出部（センサ２０ｂ１，２０ｂ２）の測定結果に応じて立体画像を生成する立体画像生成部とを備えてもよい。

上記の構成によれば、立体画像を取得することができる。

本発明の態様６に係るＸ線測定装置１ｃは、上記態様１から４において、上記Ｘ線検出部（センサ２０ｃ１，２０ｃ２）を複数備え、上記複数のＸ線検出部（センサ２０ｃ１，２０ｃ２）の各々に対応させて設けられ、各々開口径が異なる開口（３２ｃ１，３２ｃ２）が形成された複数の上記開口部（３２ｄ１，３２ｄ２）を備えていてもよい。

上記の構成によれば、同一の測定対象２を、異なる解像度で検出することができる。

本発明の態様７に係るＸ線測定装置１ｄは、上記態様１から６において、上記測定対象２を透過した透過Ｘ線を検出する透過Ｘ線検出部（透過Ｘ線センサ）６０を備えていてもよい。

上記の構成によれば、より高精度の測定をすることができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄＸ線測定装置
２測定対象
１０Ｘ線照射部
２０センサ（Ｘ線検出部）
ＣＯコンデンサ（保持部）
ＴＦＴ薄膜トランジスタ（転送部）
３０重金属板（開口部）
３２ピンホール（開口）
６０透過Ｘ線センサ（透過Ｘ線検出部）

Claims

測定対象にＸ線を照射するＸ線照射部と、
上記測定対象で反射した後方散乱Ｘ線に応じた電気信号を検出するＸ線検出部と、
上記Ｘ線検出部により検出された電気信号を参照して上記測定対象を測定する測定部と、
上記後方散乱Ｘ線を通過させ、上記後方散乱Ｘ線を上記Ｘ線検出部上に結像させる開口が形成されたる開口部と、
上記後方散乱Ｘ線の進行方向の上記開口部に対する上流側、および下流側のそれぞれに配された、所定のエネルギー量のＸ線を透過するフィルタと
を備える
ことを特徴とするＸ線測定装置。
上記Ｘ線検出部は、
酸化物半導体を含み、上記後方散乱Ｘ線に応じた電気信号を保持する保持部と、
酸化物半導体を含み、上記保持部に保持された上記電気信号を上記測定部へ転送する転送部と
を備える
ことを特徴とする請求項１に記載のＸ線測定装置。
上記Ｘ線検出部の検出面の中心は、上記Ｘ線照射部から照射されるＸ線の中心線に対する角度が１５０°から１８０°の範囲内の位置に配される
ことを特徴とする請求項１または２に記載のＸ線測定装置。
上記Ｘ線検出部を複数備え、
上記複数のＸ線検出部の検出結果に応じて立体画像を生成する立体画像生成部と
を備える
ことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のＸ線測定装置。
測定対象にＸ線を照射するＸ線照射部と、
上記測定対象で反射した後方散乱Ｘ線に応じた電気信号を検出するＸ線検出部と、
上記Ｘ線検出部により検出された電気信号を参照して上記測定対象を測定する測定部と、
上記後方散乱Ｘ線を通過させ、上記後方散乱Ｘ線を上記Ｘ線検出部上に結像させる開口が形成されたる開口部と
を備えるＸ線測定装置であって、
上記Ｘ線検出部を複数備え、
上記複数のＸ線検出部の各々に対応させて設けられ、各々開口径が異なる開口が形成された複数の上記開口部を備える
ことを特徴とするＸ線測定装置。
上記測定対象を透過した透過Ｘ線を検出する透過Ｘ線検出部
を備える
ことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載のＸ線測定装置。