JPH1167129A - 偏向励起放射線を利用するx線蛍光測定システムおよびx線管 - Google Patents

偏向励起放射線を利用するx線蛍光測定システムおよびx線管

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JPH1167129A
JPH1167129A JP10178660A JP17866098A JPH1167129A JP H1167129 A JPH1167129 A JP H1167129A JP 10178660 A JP10178660 A JP 10178660A JP 17866098 A JP17866098 A JP 17866098A JP H1167129 A JPH1167129 A JP H1167129A
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radiation
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rays
anode
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シピレ ヘイッキ
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、X線測定システム、特に偏向X線を生成する
方法に関する。本発明は、低い効率にもかかわらず陽極
材料としてベリリウムを使用するという考えに基づく。
ベリリウム陽極が生成したX線スペクトルの一部は偏向
放射線、特にその高エネルギー部分である。本発明のシ
ステムは、スペクトルの低エネルギー部分をフィルタで
除去し、それによって残りの強度に偏向した放射線をX
線測定の励起放射線として使用することができる。本発
明のシステムは、散乱媒体の使用に基づく一般的な先行
技術の解決策で使用するほど強力でないX線管によっ
て、ある強度の偏向X線を達成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はX線蛍光測定システ
ム、特に偏向X線を生成する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】X線蛍光分析では、測定値の感度は検査
中の試料またはサンプルから発生するバックグラウンド
放射線によって制限される。バックグラウンド放射線の
大部分は、放射線源から発生した励起放射線が検出器へ
散乱した結果である。広帯域励起放射線を使用する場
合、試料から散乱する励起放射線は強力なバックグラウ
ンド放射線として知覚される。励起放射線は、使用する
X線管の材料から発生する多少の蛍光放射線も含み、場
合によってはコリメータなど、測定システムの他の構成
要素も蛍光放射線を生成する。バックグラウンド放射線
のこれら源の影響力は、偏向励起放射線を使用すること
によって、検出器への励起放射線の散乱を最小限に抑え
ることによって低下させることができる。このことを、
図1aおよび図1bに関してさらに詳細に説明する。
【0003】均等に偏向したX線が媒質から散乱する
と、それは同時に偏向する。散乱した放射線の極性は、
所与の散乱角度にしたがって強度および方向が変化す
る。入射放射線に対して90°の角度で散乱する放射線
は、入射放射線及び散乱放射線の方向によって規定され
た面に対して垂直方向に偏向する。他の方向に偏向した
入射放射線の部分は、ほぼ完全に消去される。これを図
1aに示す。放射線源10は全方向に偏向放射線を放射
し、これは散乱体20から散乱する。当然、あらゆる方
向に散乱する放射線もあるが、本明細書の検討では90
°の角度で散乱する放射線しか扱わない。直角に散乱し
た放射線は、入射放射線の方向及び散乱放射線の方向に
よって規定された面に対して垂直の方向Esに強く偏向
する。前記面に平行に偏向する入射放射線の部分Ep
は、理想的なケースでは、90°の角度では散乱しな
い。
【0004】図1bで示すように、散乱放射線の偏向を
測定システムに利用することができる。図は、散乱体2
0によって散乱した偏向励起放射線を試料30に伝え、
励起放射線によって生成された蛍光放射線を検出器40
によって調べるシステムを描く。典型的な測定システム
は、コリメータ50も使用する。検出器および試料によ
って規定された直線が、放射線源10によって生成され
た励起放射線および散乱体20によって散乱した放射線
によって規定された面に対して垂直に延在するように、
試料に対して検出器を配置すると、理想的なケースで
は、試料30から検出器40へ散乱する励起放射線がま
ったくない。これは、試料30が偏向励起放射線しか受
けないせいである。この偏向励起放射線は散乱体20か
ら散乱し、散乱体20、試料30および検出器40によ
って規定された面に平行な偏向方向を有する。図1aに
示す原理によると、この方法で偏向した放射線は、試料
30から検出器に向かって散乱した放射線から消去さ
れ、したがって理想的なケースでは、試料30から検出
器40の方向に散乱する放射線はない。したがって、試
料30から出る蛍光放射線は、より明瞭に知覚される。
【0005】このような構造の一つの欠点は、効率が低
いことである。散乱放射線を可能な限り完全に偏向する
には、散乱角度が可能な限り直角に近くなければなら
ず、それによってコリメータは各範囲のビームの限界を
可能な限り狭くなるよう決定しなければならない。しか
し、ビームを狭くするとビームの強度が低下してしま
う。これは、放射能源10の出力を増加させることによ
って補償することができるが、その結果、装置の価格が
高騰する。図2に示すような方法は、Richard W. Ryon
およびJohn D. Zahrtの論文「偏向ビームX線蛍光」(A
dvances in X-ray Analysis, vol.38, pp.491-515, 199
4)でさらに詳細に説明されている。
【0006】図1bの基本的構造は、効率を改善するた
めに様々な修正がされている。一つの解決策は、散乱体
20を通過する励起放射線の部分を利用し、これを2次
目標に伝え、そこで蛍光放射線を生成する。この蛍光放
射線は散乱体20から散乱し、したがって試料に向かっ
て散乱する偏向放射線の強度が上がる。このような機構
は、例えばIgor Tolonnikoffの「蛍光の強度を増加させ
バックグラウンドを減少させるEDXRFの幾何学的考
察」(Advances in X-ray Analysis, vol.35, p.1009, 1
994)という出版物で説明されている。
【0007】上述の出版物は、偏向放射線を生成する円
形の幾何形状など、他のタイプの散乱幾何形状も開示し
ている。散乱体を使用することにより、ほぼ連続的な励
起放射線スペクトルを達成することができる。しかし、
これらすべての解決策の欠点は、検査する試料に、放射
線源の外部にある散乱媒体で散乱した放射線が供給され
試料に到達する放射線が放射線源の強度の小さい部分の
強度となることである。
【0008】偏向放射線はブラッグ回折を使用し、波長
に従って選択した適切な格子により生成することもでき
る。低エネルギーでは、波長に従った寸法の積層構造を
使用することが可能である。高エネルギーでは、格子は
結晶質材料で作成しなければならない。この種の解決策
は、単一波長の放射線を生成するのみであり、可能な用
途が限られる。この種の解決策は、散乱媒体の使用に基
づいたのと同じ欠点、つまり効率の低さによって阻害さ
れる。というのは、放射線源によって生成される放射線
エネルギーの大部分が消去されるからである。
【0009】偏向X線の優れた発生源の一つは、シンク
ロトロン放射である。シンクロトロン放射は本質的に偏
向し、非常に高い強度を有し、それがシンクロトロン放
射がX線蛍光の測定に関してほぼ理想的な励起放射線で
ある理由である。しかし、シンクロトロンは非常に嵩張
り、高価な装置で、これが商業的使用およびその用途の
主な制約となる。したがって、これは主に基本的な科学
的研究に最も適している。
【0010】X線の生成は、通常はX線管によって実施
される。以下の記述は、従来通りのX線管の基本的構造
について簡単に扱う。図2aおよび図2bは従来通りの
基本的な2タイプのX線管を示す。図2aの機構は、厚
い陽極を使用する場合に典型的な機構である。X線管の
陰極110を、フィラメントおよび電流Iで加熱し、高
圧HVを陰極110と陽極120との間に結合する。陰
極110から放射された電子は、陰極と陽極との間の電
界で加速し、陽極に衝突する。陽極の原子と衝突する
と、電子は1回以上の衝突で運動エネルギーを喪失し、
例えば減速放射線を生成する。電子は陽極材料の原子を
励起させる役割も果たし、これによって励起状態の下方
遷移が生じ、その結果、特徴的なX線が放射される。そ
の結果生じるX線は、管筐体140に含まれる窓130
によってX線管から送出される。窓は通常、非常に単純
なスペクトルで、したがってX線管が生成した放射線に
よる測定の結果と容易に識別できる何らかの軽量材料、
通常はベリリウムの薄膜で構成される。
【0011】図2bの基本的構造は、薄いいわゆる透過
陽極を使用する。このような構造では、陽極120は窓
としても機能する。大抵の典型的な解決策では、陽極は
実際の窓として機能するキャリア材料の上に薄い金属層
からなる。通常では、透過陽極のキャリア材料はベリリ
ウムの膜を備え、その表面上に実際の陽極として機能す
るスカンジウムなどのこれより重い金属の薄い層を設け
る。
【0012】特許公報DD 264 360およびDD 273 332は、
実際の陽極材料としてベリリウムの使用を開示する。上
記の公報で開示された解決策の目的は、可能な限り単純
なX線スペクトルを提供することである。というのは、
陽極材料に比較的重い金属を使用すると、放射線スペク
トルの結果が非常に複雑になってしまうからである。上
述の解決策の第二の目的は、単純なX線管構成を達成す
ることである。しかし、陽極材料が生成するX線は、材
料の原子番号の2乗にほぼ比例する強度を有する。した
がって、このような解決策は効率が低いという欠点を有
し、そのためベリリウムなどの軽い元素は通常、陽極材
料として使用されない。上記で指摘したように、陽極材
料は通常、スカンジウムなどの比較的重い金属を備え、
改善された強度を生成する。
【0013】偏向放射線は、外部の偏向要素を使用せず
に、X線管によって直接生成することができる。単一の
衝突で電子によって生成された放射線は偏向し、したが
って非常に薄い陽極を使用する場合は、大部分の電子は
陽極材料の原子と1回しか衝突しないので、偏向した減
速放射線が現れる。
【0014】厚い陽極によって生成される減速放射線の
スペクトルは、スペクトルの低エネルギー端で測定され
る。スペクトルのこの部分では、放射線は全方向に偏向
する。というのは、いくつかの衝突の結果として電子が
徐々に減速するにつれ、低エネルギーの減速放射線が生
じるからである。偏向放射線は、放射線スペクトルの高
エネルギー端にもある程度現れ、ここで放射線は、1回
の衝突で運動エネルギーの大部分を喪失した電子から発
生する。しかし、陽極材料の順序数が増加するにつれ、
偏向放射線の割合は劇的に減少する。上記のRyonおよび
Zahrtによる論文によると、散乱媒体による偏向放射線
の生成が実際問題として最も効果的な方法であることが
証明されたと実際に指摘されている。
【0015】様々な材料によって生成されたX線の偏向
は、例えばPaul KirkpatrickおよびLucille Wiedmannの
「理論上連続的なX線エネルギーおよび偏向」(Physica
l Review 67(1945)321)という論文で、より詳しく検討
されている。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、以前
に知られている技術より単純な偏向X線源を提供するこ
とである。本発明の別の目的は、散乱媒体に基づく先行
技術の解決策より効果的な偏向X線源を提供することで
ある。本発明のさらに別の目的は、先行技術の解決策よ
り単純なX線蛍光測定システムを提供することである。
【0017】
【課題を解決するための手段】目的は、X線管の陽極材
料としてベリリウムを使用し、生じるX線からスペクト
ルの低エネルギー部分をフィルタリングして、励起放射
線に非常に適したスペクトルの強く偏向した高エネルギ
ー部分を残すことによって達成される。このような偏向
X線源を使用すると、単純なX線蛍光測定システムが生
じ、装置のサイズが縮小されて、装置の価格が下がる。
【0018】本発明のX線蛍光測定システムは、システ
ムのX線管の陰極から分離された電子が衝突するように
なっている前記X線管陽極の少なくともある部分が、少
なくとも部分的に偏向するX線を生成するために、基本
的にベリリウムから作成されており、システムがさら
に、少なくとも部分的に偏向したX線の不完全な偏向ス
ペクトル部分を少なくとも部分的に消去するためのフィ
ルタを備えることを特徴とする。
【0019】本発明はX線管にも関連し、これは陰極か
ら分離された電子が衝突するようになっている陽極の少
なくともある部分が、少なくとも部分的に偏向するX線
を生成するために、本質的にベリリウムで作成され、さ
らに、前記少なくとも部分的に偏向したX線の不完全な
偏向スペクトル部分を少なくとも部分的に消去するため
のフィルタを備えることを特徴とする。
【0020】本発明は、偏向X線を生成するベリリウム
陽極を装備したX線管の使用にも関連する。本発明は、
効率の低さにもかかわらず陽極材料としてベリリウムを
使用するという考えに基づく。ベリリウム陽極によって
生成されるX線スペクトルの一部は、偏向放射線、特に
その高エネルギー部分で構成される。本発明のシステム
を使用して、スペクトルの低エネルギー部分をフィルタ
で除去し、それによって残りの強く偏向した放射線をX
線蛍光測定で励起放射線として使用できるようにする。
本発明のシステムは、散乱媒体の使用に基づく普通の先
行技術の解決策で使用するものほど強力でないX線管に
よって、ある強度の偏向X線を達成することができる。
次に、本発明について添付の図面を参照しながら、さら
に詳細に説明する。
【0021】
【実施例】図面においては、一致する構成要素に同じ番
号を使用する。図3は、本発明の一つのX線蛍光測定シ
ステムを示す。X線管210はベリリウム製の陽極12
0を含む。あるいは、陽極は、その表面にベリリウム層
を設けた他の材料で作成することもできる。電子は、陰
極110から放射され、高圧HVによって加速されて、
陽極120上でベリリウムと衝突し、X線を生成する。
このX線は窓130によってX線管から送出され、その
後、その所与の部分が放射スペクトルの高エネルギー端
から分離される。この所与の部分は、例えばスペクトル
の基本的波長帯の上部20%で構成してもよい。フィル
タの下流では、放射線はコリメータ50を通って試料3
0へと搬送され、ここでこの放射線は蛍光放射線を励起
する。試料30から放射された放射線は、第2コリメー
タ50を通して検出器40へと搬送される。
【0022】図4は、図1と同じ方法でこのような測定
システムの動作を示す。ベリリウム陽極を装備したX線
管210が生成する放射線は、図4のベクトルEpおよ
びEsで表される全方向の偏向を明らかにする。しか
し、このようなX線が生成した放射線の偏向は、前述し
たエネルギー依存性を有し、したがってフィルタ200
によって放射線から低エネルギー・スペクトル部分を消
去することにより、本質的にスペクトルの偏向した高エ
ネルギー部分しか残らず、これは方向Epに偏向する。
この偏向放射線を試料30に伝達して、偏向方向Epが
X線管210、試料30および検出器40によって規定
される面と一致するように検出器を配置すると、X線管
から来る励起放射線は、検出器への散乱が最小限にな
る。したがって、試料30から放射される蛍光放射線を
より正確に知覚するよう、検出器へ直接散乱する励起放
射線の量を最小限に抑えるため、このようなシステムを
使用することができる。
【0023】図3および図4で示す測定システムでは、
X線管210とフィルタ200との間に1つ以上のコリ
メータも配置することができる。図3に関連して既に指
摘したように、陽極120にはベリリウム以外の材料で
作成した筐体を設けることができ、陽極の筐体をベリリ
ウム層で被覆することができる。X線管で従来使用され
ているエネルギーでは、ベリリウム中で電子が停止する
距離は10分の数ミリメートルであり、したがってベリ
リウム層は10分の数ミリメートルより厚くする必要は
必ずしもない。
【0024】偏向X線の生成は、透過陽極を設けたX線
管を使用して実施することもできる。このタイプの実施
例では、陽極は実質的にベリリウムで構成され、X線管
に窓を提供する。
【0025】本発明の一つの好ましい実施例では、フィ
ルタ200はX線管210の一体部品である。フィルタ
200は、たとえばX線管の筐体などへ、X線管の窓か
ら適切な距離であるいは窓に接触させて、何らかの以前
に知られている技術で固定することができる。検査すべ
き目標により、適切なフィルタ材料は、それによって生
成される蛍光放射線が検査するスペクトル部分に入らな
いようなものでよい。幾つかの考えられる材料は、例え
ばチタン、鋼鉄およびモリブデンなどである。本発明の
一つの好ましい実施例では、X線管の筐体材料が、少な
くともフィルタ200の一部を構成する。このタイプの
実施例では、図5aで示すように、X線管は別個の窓を
含む必要はまったくない。筐体材料を、フィルタリング
能力が所望の用途に十分になるよう選択することができ
れば、別個のフィルタも不要である。筐体材料が減速放
射線を望んだほど完全にフィルタリングすることができ
ない場合は、図5bで示すように、X線管筐体の表面
に、フィルタリングを最適にするため適切な材料の1つ
以上の余分な層200’を設けることができる。
【0026】本発明の解決策は、おおむねすべてのX線
蛍光測定システムに適用できるが、その感度によって、
特に極めて低い濃度の重金属の分析に適用することがで
きる。この解決策は、例えば金のK線の分析で、1pp
m未満の感度でも達成するという非常に高い感度を達成
することができる。本発明の解決策は、例えば生体組織
からでさえL線によって鉛を分析することもでき、人体
組織、特に骨への鉛分蓄積を分析することができる。本
発明の解決策は、非常に低濃度の金、プラチナ、さらに
例えば鉱業用途などで稀土類金属の分析にも使用できる
ので有利である。一つの顕著な好ましい用途は、組織の
測定ばかりでなく水路などの環境からも重金属の分析を
行うことである。
【0027】フィルタ200は、先行技術で既知の任意
のフィルタを備えることができる。本発明の測定システ
ムは、先行技術の解決策より著しく単純である。本発明
の測定システムには、偏向放射線を生成するために別個
の散乱体を設ける必要がない。本発明の測定システムは
効率の点で優れ、これによって所与の強度の偏向放射線
出力を生成するために、先行技術の解決策で使用したX
線管ほど強力でないX線管を使用すれば十分である。こ
のような理由から、本発明の測定システムは、偏向放射
線を利用した対応する先行技術のX線蛍光測定システム
よりコンパクトで、製造費が低い。
【0028】本発明を幾つかの好ましい実施例に関連し
て以上で述べてきたが、本発明は添付の請求の範囲で規
定された本発明の概念の範囲内で、様々な方法で変更で
きることが明白である。
【図面の簡単な説明】
【図1a】図1aは散乱したX線の偏向を示す図であ
る。
【図1b】図1bは散乱媒体の使用に基づく偏向X線蛍
光測定システムを示す図である。
【図2a】図2aは従来通りのX線管の基本的構造を示
す図である。
【図2b】図2bは従来通りのX線管の別の基本的構造
を示す図である。
【図3】図3は本発明の一つのX線蛍光測定システムを
示す図である。
【図4】図4はのX線蛍光測定システムで発生する放射
能の偏向レベルを示す図である。
【図5a】図5aは本発明の一つのX線管の構成を示す
図である。
【図5b】図5bは本発明の別のX線管の構成を示す図
である。
【符号の説明】
30 試料 40 検出器 50 コリメータ 110 陰極 120 陽極 130 窓 200 フィルタ 210 X線管

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 励起放射線を生成するX線管と、検査す
    る目標から放射される蛍光放射線を測定する検出器(4
    0)とを備えたX線蛍光測定システムであって、 前記X線管の陰極から分離された電子が衝突するように
    なっている前記X線管の陽極(120)の少なくともあ
    る部分が、少なくとも部分的に偏向したX線を生成する
    ために本質的にベリリウムから作成され、 システムがさらに、少なくとも部分的に偏向したX線の
    不完全な偏向スペクトル部分を少なくとも部分的に消去
    するためのフィルタ(200)を備えることを特徴とす
    るシステム。
  2. 【請求項2】 前記X線管の陽極(120)が完全にベ
    リリウムで作成されることを特徴とする、請求項1に記
    載のシステム。
  3. 【請求項3】 偏向放射線を生成するX線管であって、
    陰極から分離された電子が衝突するようになっている陽
    極(120)の少なくともある部分が、少なくとも部分
    的に偏向するX線を生成するために、本質的にベリリウ
    ムで作成され、 前記少なくとも部分的に偏向したX線の不完全な偏向ス
    ペクトル部分を少なくとも部分的に消去するために、得
    られたX線をフィルタリングするようになっていること
    を特徴とするX線管。
  4. 【請求項4】 陽極(120)が完全にベリリウムで作
    成されることを特徴とする、請求項3に記載のX線管。
  5. 【請求項5】 前記少なくとも部分的に偏向したX線の
    不完全な偏向スペクトル部分を少なくとも部分的に消去
    するために、X線管の筐体が得られたX線をフィルタリ
    ングするようになっていることを特徴とする、請求項3
    に記載のX線管。
  6. 【請求項6】 筐体に加えて、少なくとも1つのフィル
    タリング材料の層(200、200’)を含むことを特
    徴とする、請求項3に記載のX線管。
  7. 【請求項7】 偏向X線を生成するために、ベリリウム
    陽極を装備したX線管の使用。
JP10178660A 1997-06-26 1998-06-25 偏向励起放射線を利用するx線蛍光測定システムおよびx線管 Pending JPH1167129A (ja)

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EP (1) EP0887639B1 (ja)
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AU (1) AU728117B2 (ja)
CA (1) CA2241640A1 (ja)
DE (1) DE69800159T2 (ja)
FI (1) FI102697B (ja)
RU (1) RU2199112C2 (ja)
ZA (1) ZA985538B (ja)

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