JP4768621B2 - Ｘ線蛍光器具のための放射線遮蔽物 - Google Patents

Description

（技術分野および背景技術）
本発明は、携帯式Ｘ線器具が測定値を得ている場合に周囲放射線を最少にするための方法およびデバイスに関する。

（発明の背景）
Ｘ線蛍光（ＸＲＦ）器具は、物質にＸ線またはγ線を照射すること、およびその蛍光放射線を分析して特殊な特性を決定することによって、その物質の特性を測定する。用語「Ｘ線」とは、本明細書中で使用される場合、およびあらゆる添付の特許請求の範囲において、放射性源によって生成されるかまたは器具（例えば、Ｘ線管）によって生成されるかのいずれかである放射線を指し、この用語は、透過性放射線のすべての形態（γ線を含む）をその用語内に包含する。決定されるべき特殊な特性としては、照射された対象物の元素組成、またはその対象物の近傍表面における特定元素の分布、またはその対象物の密度、またはその形態が挙げられ得る。

ＸＲＦ器具は、代表的には、平行ビームおよび適切な遮蔽を有し、その結果、その操作者は、過度の電離放射線に供されない。例えば、実験室ＸＲＦ器具は、代表的には、操作者がその器具およびサンプルを完全に覆うことを必要とし、その結果、無視できる放射線しか、このＸＲＦ器具から放射されない。

携帯式ＸＲＦ器具は、特殊な放射線遮蔽要件を有する。なぜなら、この器具の使用には、代表的には、操作者が、その器具を保持しつつ測定を行うことが必要であるからである。周囲放射線レベルは、主要な問題である。操作者および近傍のいかなる人々も、過度なレベルの電離放射線に供されるべきではない。家屋の含鉛塗料を検査するＸＲＦ器具は、本発明の具体的実施形態であり、その必要性についての良好な例を提供する。

携帯式ＸＲＦ器具は、現在、家屋の塗装された壁の中の鉛濃度の定量的決定のための選択肢である。市販の携帯式ＸＲＦ含鉛塗料器具は、放射性源（例えば、^１０９Ｃｄおよび^５７Ｃｏ）またはＸ線管のいずれかを使用して、塗装された表面中の鉛原子を励起する蛍光放射線を生成する。鉛の蛍光発光された特徴的Ｘ線の強度は、その鉛の濃度に対する尺度を与え、検査者が、その塗料が確立された規制限度遵守外にあるか否かを決定することを可能にする。

許容される周囲放射線レベルは、国ごとに異なる。米国の規則では、周囲空間における放射線レベルに関する規制は、その器具のＸ線の出口のすぐ後ろにある。特別に問題となるのは、操作者の手または顔があり得る空間である。最小限の注意しか、測定値を得ているときの検査される壁と、操作者の手、腕および身体の表面との間の空間における放射線レベルには払われない。米国における放射線の制限は、その器具自体に遮蔽を適用することによって満足され得る。

欧州における放射線の制限は、米国においてよりも現在かなり厳しい。職業作業者にとって許容される放射線レベルは、１０分の１まで低い。すなわち、欧州については１μＳｖ／時間であり、米国については１０μＳｖ／時間である。（μＳｖ／時間は、１時間につき１マイクロシーベルト（既に廃れた単位では１００マイクロレムの放射線と等価な放射線レベル）を表す標準的略語である）。さらに、本発明にとって特に重要であるのは、フランスでは、ＸＲＦ器具の接近可能などの表面から１０ｃｍの地点でも１μＳｖ／時間レベルを超えないことが必要である。その要件は、ＸＲＦ器具の内側での遮蔽では満足され得ない。

市販の手持ち式Ｘ線蛍光発光器具は、その器具のノーズに放射線吸収物質を備える。この吸収物質は、放射性源から直接来るが出口点を通って外に出て研究中のサンプルには当たらない放射線を吸収するように設計される。この吸収物質はまた、一旦散乱した放射線も吸収し、その一旦散乱した放射線が、検出器に入らず、なされる測定を混乱させることもないようにする。しかし、検査器具のノーズ中の吸収物質は、その器具のノーズと交差しない様式の位置および方向で標的から放出されるようには、多重散乱された放射線を防止し得ない。

（発明の要旨）
本発明の好ましい実施形態に従って、放射線遮蔽物が提供される。この放射線遮蔽物は、電離放射線を吸収する物質を含む膜からなり、この膜は、物質を検査するために使用されるＸＲＦ器具の前面に結合されており、すべての方向でその前面から延びており、検査される壁に対して近位に存在し、この膜は、この膜が検査される壁の表面に適合するに充分に可撓性であり、この膜は、放射線の安全性についての最低限の要件を下回るまで放射線レベルを低減するために充分な厚さである。

より具体的には、上記放射線遮蔽物は、器具から放射される透過性放射線により照射される表面から一定距離における周囲放射線レベルを減少し得、この器具は、その照射される表面に当接するため、およびその透過性放射線を上記照射される表面に対して実質的に垂直な伝搬方向で放射するための、遠位端を有する。上記放射線遮蔽物は、透過性放射線の伝搬方向に対して実質的に横方向である面内に配置され、かつ上記照射される表面に対して実質的に近接している、減弱物質製プラテンを有する。

本発明のさらなる実施形態に従って、上記減弱物質は、ポリマーマトリックス中に包埋された、原子番号が４５よりも大きい金属であり得る。上記減弱物質製プラテンは、固定具によって上記器具に結合され得る。上記減弱物質製プラテンは、上記器具から取り外し可能であり得る。上記プラテンはまた、エラストマーの外層を有し得、上記プラテンは、上記照射された表面と複数回相互作用した電離放射線が、上記周囲環境を通って伝搬する前に上記放射線遮蔽物によって減弱されるような、大きさであり得る。

（発明の具体的な実施形態の詳細な説明）
本発明の実施形態に従い、ここで図１を参照して記載されるように、カラーの形態の遮蔽は、多重散乱Ｘ線が、規制限度を超えるのに充分な強度でＸＲＦ器具から比較的遠い壁を出るのを防ぐために使用される。

本発明が必要とされる理由および本発明が設計されなければならない方法を完全に認識するためには、Ｘ線ビームが物質に進入してコンプトン散乱する場合に生じる周囲放射線の起源を理解する必要がある。

（周囲放射線の物理学）
以下の考察は、含鉛塗料分析のために使用されるＸＲＦ器具に特に言及するが、示される結論および記載される発明は、広範な適用群（特に、土壌およびプラスチックのＸＲＦ分析）に適用可能であることが、認識されるべきである。

鉛を蛍光発光させるＸ線のエネルギーは、代表的には、１０．５ｋｅＶおよび１２．６ｋｅＶにて鉛のＬ Ｘ線がその分析のために使用される場合には、２０ｋｅＶ範囲内にあり、７２．８ｋｅＶおよび７５ｋｅＶのＫ Ｘ線がその分析のために使用される場合には、８８ｋｅＶを超える。以下の説明において、本発明者らは、Ｌ線を励起するために使用される蛍光エネルギー２２．２ｋｅＶ（^１０９Ｃｄから）およびＫ線を励起するために使用される１２２ｋｅＶ（^５７Ｃｏから）にとどめる。しかし、これらの事項は、例示として提示されるが、限定としては提示されないことが理解されるべきである。

図１を参照すると、台形として示される器具２が、壁４に当接する位置に示される。器具２は、透過性放射線８を放射し、Ｘ線８を放射するＸＲＦ器具２として本明細書中で考察される。Ｘ線８は、ＸＲＦ器具から出て、壁４上の塗装層６に入る。Ｘ線１０のうちのいくらかは、蛍光発光するかまたは器具２中に戻るように散乱し、ＸＲＦ器具２の検出器（示さず）において計数されるか、またはこの器具の壁２０により吸収されるかのいずれかである。

Ｘ線２４のうちのいくらかは、この壁から後方へと散乱し、ＸＲＦ器具から外れる。しかし、多くのＸ線１２および１６が、壁物質自体の中へと散乱する。上記壁物質中へと散乱するＸ線のうちのいくらかは、再度Ｘ線２２および２６を生じるように散乱し、これらのＸ線は、ＸＲＦ器具２からかなりの距離にて、塗装された壁を出る。

この様式で上記壁を出るＸ線の相対強度は、コンプトン散乱の角度分布、散乱される放射線のエネルギー、および散乱される放射線が相互作用の間に壁物質中を移動する距離に依存する。下記に本発明者らが記載するように、上記散乱は、約２倍以内で等方性である。散乱されるＸ線のエネルギーは、入射エネルギーとほぼ同程度に高く、そのＸ線カスケードが散逸する前に木材の内部を移動する距離は、大きな（ｍａｎｙ）センチメートル数であり得る。

ＸＲＦにおける目的のＸ線についてのコンプトン散乱の角度分布は、トンプソン（古典的）散乱の分布に類似する。角度θを通るトンプソン散乱の確率は、（１+ｃｏｓ^２θ）に比例する。後方散乱の強度は、前方散乱の強度と等しく、側方散乱は、その半分の強さである。２２ｋｅＶのＸ線の散乱は、２〜３％以内でトンプソン式に従う。１２２ｋｅＶのＸ線のコンプトン散乱は、より前方にピークがあるが、側方散乱および後方散乱は、非常に可能性が高いままである。

特定の角度θを通って散乱した場合のＸ線のエネルギー変化は、そのＸ線エネルギーに強く依存する。９０°を通って散乱した２２ｋｅＶのＸ線は、その散乱電子に対して１ｋｅＶだけ失い、その結果、その散乱したＸ線は、２１ｋｅＶを有する。９０°を通って散乱した１２２ｋｅＶのＸ線は、約２４ｋｅＶを失い、結局９８ｋｅＶになる。

上記Ｘ線が壁媒体中を移動する距離は、その媒体の組成に強く依存する。平均自由経路（ＭＦＰ）におけるその距離を測定することは、有用である。入射Ｘ線についての平均自由経路は、そのＸ線ビームが、入射Ｘ線の強度が２．７１８分の１まで低下する前にその媒体中を移動する距離である。その入射ビームの強度は、低下し得る。なぜなら、Ｘ線は、光電効果により吸収されたからであり、この場合、そのＸ線は、周囲放射線には寄与しない。

その光電効果は、光電励起原子がその基底状態へと緩和した場合に生成される二次Ｘ線を生じる。これらの固有Ｘ線は、上記周囲放射線に有意に付加するために充分に、特殊な環境中で強いものであり得る。これらの二次Ｘ線はまた、本明細書中で記載される放射線遮蔽物によって有利に吸収され得る。さらに、放射線遮蔽物１８はまた、１回散乱されるＸ線（例えば、数字２４により示されるＸ線）を有利にブロックし得る。

入射ビームの強度が散乱により低下する場合、入射Ｘ線は、単により低エネルギーのＸ線へと変換されて、新しい方向で移動し、そのＸ線は、依然として、周囲放射線に寄与し得る。

表１は、２２ｋｅＶのＸ線の平均自由経路および１２２ｋｅＶのＸ線の平均自由経路、ならびに９０°散乱した後の２１ｋｅＶのＸ線のエネルギーおよび９８ｋｅＶのＸ線のエネルギーを与える。これらの物質は、空気、木材、プラスター、アルミニウム、および鉄である。

（表１．平均自由経路（ｃｍ））

２２ｋｅＶの放射線についての平均自由経路は、空気中では、大きな（ｍａｎｙ）ｍ数であり、木材中では数ｃｍであり、一般的な壁を構成する重い物質中では数ｍｍ以下である。鉛のＫ線を励起するために使用される１２２ｋｅＶ放射線は、鋼を除くすべての一般的な壁物質中で数ｃｍ〜大きなｃｍ数、進行する。

表２は、Ｘ線が、吸収される前に上記物質を横断する際に少なくとも１回散乱される確率を与える。この表２は、生じていることに関するさらなる洞察を提供する。

（表２．Ｘ線が少なくとも１回散乱される確率）

表１から、上記塗装を通過して木材に至るあらゆる２２ｋｅＶのＸ線が、相互作用する前に数ｃｍ移動することが明らかである。２２ｋｅＶのＸ線が相互作用する場合、そのＸ線が散乱して吸収はされない確率４０％が存在する。さらに、その散乱は、側方への散乱である高い確率が存在する。側方散乱したそれらのＸ線は、入射エネルギーとほぼ同じエネルギーを有し、それら自体は、相互作用する前に数ｃｍ移動する。再び、散乱の確率は、高い。かなりの量の放射線が、ＸＲＦ器具の側面の木材から散逸し得ることを理解することは、容易である。

木材よりも原子番号が高く密度が大きい物質は、非常に少ない問題しか提示しない。なぜなら、表１および表２が示すように、そのＸ線は、これらの物質中で遠くまで移動せず、素早く吸収されるからである。

表１および表２はまた、Ｋ線を研究することにより鉛濃度を測定するＫ殻ＸＲＦ分析器が、周囲放射線を制御するかなり困難な時間を有する理由を示す。散乱は、鋼壁以外は過剰吸収を完全に支配し、散乱した放射線は、相互作用する前に木材中で１０ｃｍ移動し得る。

数字１８により示される太線により図１に模式的に示されるような放射線遮蔽物の一実施形態が、図２において斜視図に示される。放射線遮蔽物１８は、固定具２６（ネジ、リベット、クリップ、または他の任意の固定具を包含し得る）によりＸＲＦ器具２に結合される。放射線遮蔽物１８は、容易に取り外し可能または交換可能であり得る。本発明の好ましい実施形態において、放射線遮蔽物１８は、図２３において断面で示される遮蔽物質のプラテン２８を備える。このプラテンは、本明細書中で「膜」と呼ばれ得る。好ましい実施形態において、プラテン２８は、円形であり、約２０ｃｍの直径を有する。他の形状および大きさは、本発明の範囲内にある。図３は、ポリマーマトリックス中に包埋された遮蔽物質（例えば、高い（代表的には、Ｚ＝４５よりも大きい）原子番号の金属）製の含有層３２を備える２層のエラストマー（例えば、ゴム）から形成された積層物を示す。そのような金属としては、スズ、タングステン、または鉛が挙げられ得る。好ましい材料は、タングステン充填ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）である。上記プラテンは、好ましくは、当接した表面の輪郭にそのプラテンが適合すること（例えば、角に可能な限り密接して測定するため、または壁の中の隙間（例えば、窓のためのスライド凹部）を調べるため）を可能にするために可撓性である。

本発明の他の実施形態によると、ここで図４を参照すると、放射線遮蔽物１８の部分４０は、その放射線遮蔽物が、例えば、壁の内角にて使用されるのを可能にするために、プラテン２８の大部分以外の面に存在し得る。非同一平面部分４０が、当該分野ですべて周知であるように、固定角度にて、またはヒンジによって、プラテン２８の残りに結合され得る。

本発明の記載された実施形態は、単に例示に過ぎないことが意図される。多数の変化および改変が、当業者にとって明らかである。すべてのこのような変化および改変は、添付の特許請求の範囲において定義されるような本発明の範囲内にあることが意図される。

本発明の上記の特徴は、詳細な説明を添付の図面とともに参照することによって、より容易に理解される。
図１は、携帯式ＸＲＦ器具からの周囲放射線を考察するための基本要素を示し、本発明の実施形態に従う放射線遮蔽物を示す。 図２は、本発明の実施形態に従う放射線遮蔽物の斜視図であり、分解した形式で、その放射線遮蔽物のＸＲＦ器具への取り付けを示す。 図３は、図２の放射線遮蔽物の半径の断面であり、積層遮蔽物構造を示す。 図４は、角においてＸＲＦ器具を使用することを可能にする放射線遮蔽物の下からの斜視図である。

Claims (6)

1. 携帯式Ｘ線蛍光器具から放射される透過性放射線により照射された表面から一定距離における周囲放射線レベルを減少するための放射線遮蔽物であって、該器具は、該照射された表面に当接するため、および該照射された表面に対して実質的に垂直な伝搬方向に該透過性放射線を発するための、遠位端によって特徴付けられ、該放射線遮蔽物は、
   透過性放射線の伝搬方向に対して実質的に横向きである面内に配置され、かつ該照射される表面に対して実質的に近接している、減弱物質製プラテンを備え、該プラテンが、当接した表面の輪郭に適合するように十分可撓性であり、該減弱物質製プラテンが該器具に結合されている、放射線遮蔽物。
2. 請求項１に記載の放射線遮蔽物であって、前記減弱物質は、ポリマーマトリックス中に包埋された、原子番号が４５よりも大きい金属である、放射線遮蔽物。
3. 請求項１に記載の放射線遮蔽物であって、前記減弱物質製プラテンは、固定具によって前記器具に結合されている、放射線遮蔽物。
4. 請求項１に記載の放射線遮蔽物であって、前記減弱物質製プラテンは、前記器具から取り外し可能である、放射線遮蔽物。
5. 請求項１に記載の放射線遮蔽物であって、前記減弱物質製プラテンは、エラストマーの外層を含む、放射線遮蔽物。
6. 請求項１に記載の放射線遮蔽物であって、減弱物質製プラテンは、前記照射された表面と複数回相互作用した電離放射線が、前記周囲環境を通って伝搬する前に該放射線遮蔽物によって減弱されるような、大きさである、放射線遮蔽物。

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