JP4911373B2

JP4911373B2 - Ｘ線測定装置

Info

Publication number: JP4911373B2
Application number: JP2009268585A
Authority: JP
Inventors: 康史市沢
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2009-11-26
Filing date: 2009-11-26
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2029-11-26
Also published as: EP2333528A2; JP2011112482A; CN102081164A; EP2333528B1; EP2333528A3; US8488744B2; CN102081164B; US20110122993A1

Description

本発明は、Ｘ線源から出射されるＸ線を試料に照射し、試料の透過線量をＸ線検出器で検出するＸ線測定装置に関するものであり、Ｘ線源よりのフラックス（放射線線束）の空間的な強度分布を調整する遮蔽板を改善し、ビームハードニングの発生を低減しつつ、中央部のフラックス強度を抑制したＸ線測定装置を提供する。ビームハードニングについては、特許文献１に技術開示がある。

図６は、試料（紙やフィルム、薄膜シート等）の坪量測定装置の構成例を示す斜視図である。Ｘ線源１からの円錐ビームＸ線Ｂ１を、スリット２１を有するコリメータ２を通過させてスライスした扇状ビームＸ線Ｂ２に成形し、矢印Ｆ方向に走行する試料３に照射する。

試料３を透過したＸ線は、試料の下方にＸ線源１と対峙して配置されたＸ線検出器４のラインセンサにより透過量が測定される。予め坪量（塗工量）が既知の試料を測定し、図７に示すような検量線Ｌを引き、透過線量と坪量の関係から膜厚（坪量）測定や塗工量の膜厚測定を行っている。

Ｘ線検出器４は、シンチレータと半導体受光素子（CCDやC-MOS等）を組み合わせたもので、電子線や光子エネルギー（電磁波）をシンチレータが受けて燐光を発し、可視光に感度のある半導体受光素子でこの燐光強度を電荷に変換することで放射線量を測定するものや、半導体受光素子で直接電子線や光子エネルギー（電磁波）を受けて、放射線強度に応じた電荷量に変換する直接変換型放射線検出素子等を採用することができる。

このＸ線検出器４の透過線量検出出力は、一般的に10〜12bit（1024〜4096階調）程度であり、Ｘ線源１と検出器４の距離や線源放射角度（図６に示す２θ）の値によって異なるが、一例として図８の様な出力特性になる。

ライン状のＸ線検出器４の中央部は、Ｘ線源１に対して距離が近く、所謂、放射角θに対してコサイン４乗則で周辺の透過線量感度が低下する。このため、中央の最大出力に対して飽和しないように、Ｘ線源１の出力や露光時間（積算時間）等の測定条件を決めることになる。

当然、線量が多い中央部と線量の少ない周辺（最外部）では測定精度が異なる。１／２程度の低下であれば特に問題とならないが、Ｘ線源１とＸ線検出器４の距離が近かったり、Ｘ線源１の放射角強度に過度の指向性があったりすると数分の１しか出力が得られず、周辺（最外部）では所望する測定精度が得られない。

このため、図９に示すように、Ｘ線源１と試料３の間の任意の位置に、段階的に中央部が厚く構成されたフラックス遮蔽板５を挿入し、フラックスの多い中央部のみ透過線量を制限する。

フラックス遮蔽板５の材質は、通常アルミニウム、銅、鉄、ステンレス等の金属箔や薄い板材、若しくはＰＥＴやアクリル板等の樹脂材、樹脂基材に金属蒸着した複合材料等である。

図９に示したフラックス遮蔽板５では、３段の階段形状であるが、３段でなくてもよいし、連続的に厚さが異なるように成型または切削等の加工をしたものであってもよい。また、一体形状でなくとも、薄いシートを中央部を多く積層した構造でもよい。このようにすると容易に遮蔽効果を調整できると共に、空間的に連続的な減衰を実現することができる。

このようにして、中央部の線量制限をした時のＸ線検出器３の出力特性を、図１０に示す。３段のフラックス遮蔽板５を挿入した場合は、全体として４段の段差が発生するが、中央に対して周辺の落ち込みが抑えられている。

フラックス遮蔽板５の階段数を増やしたり、連続にすることで、その段差の軽減は可能である。線量は減るが、中央と周辺が揃えば、露光時間を長くしたり、Ｘ線源１の出力を上げるなどして、周辺に対しても十分な精度を確保することが可能になる。

また、中央のフラックス強度を若干少なくするくらいの方が透過後の線量が均一になるため、中央部の線量を更に積極的に制限してもよい。

特表２００３−５１７５７７号公報

従来構成のフラックス遮蔽板５により中央部の線源を制限した場合の、試料３に到達する直前のＸ線強度分布を図１１に示す。Ｘ線管電圧に応じた連続スペクトルの光子エネルギーが放出されるが、数KeV以下の領域では大気吸収や放射窓材(ベリリウムや雲母などの薄膜)よる低エネルギー域の吸収（Ｄの領域）により、測定に寄与する光子エネルギーは試料最端のエネルギー分布Ａになる。

同じＸ線源から照射されたフラックスであっても、フラックス遮蔽板で中央部のみフラックスを制限した場合は、Ｂに示すように、短波長で高エネルギーのＸ線の減衰量は小さい。試料中央のエネルギー分布は、Ｃで示すように周辺（最外部）に対して中央部は短波長のビームハードニングがより強く発生する。

これは、遮蔽効果が強ければ強いほどＢに示す低エネルギーの減衰が大きくなる一方、高エネルギーについては減衰しないために生じる。その結果、試料中央部ではピークエネルギーが高エネルギー側にシフトする、いわゆるビームハードニングが発生する。

薄膜の試料を高エネルギーのＸ線で測定してしまうと、試料の十分な減衰特性が得られず、測定精度の高い計測結果にならない。また、中央と周辺では異なる光子エネルギー線（フラックス）で透過特性を測ることになるため、事前に求めた図７に示す検量線（減衰特性と坪量の関係）が一致しなくなる。即ち、同じ厚さ（坪量）の試料を測った場合であっても、周辺の出力は小さくなり、あたかも試料が厚いと誤計測することになる。

本発明の目的は、ビームハードニングの発生を抑制しつつ、フラックスの空間的な強度分布を改善し、中央部と周辺強度のフラックスのエネルギー分布と線量を揃え、測定位置に起因する測定誤差を低減することを可能とするＸ線測定装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明の構成は次の通りである。
（１）Ｘ線源から出射されるＸ線を試料に照射し、試料の透過線量をＸ線検出器で検出するＸ線測定装置において、
前記Ｘ線源より円錐状に出射されたＸ線ビームを、スライスした扇状ビームＸ線に成形するコリメータと、
このコリメータと前記試料の間に介在し、前記扇状ビームＸ線のフラックスの一部を通過または遮蔽し、ビームハードニングを抑制すると共に前記フラックスの強度分布を調整するフラックス遮蔽板と、を具備し、
前記フラックス遮蔽板は、微細加工により前記Ｘ線検出器の検出素子サイズ及び素子ピッチに対して十分小さい複数のスリット、孔、若しくは複数に仕切られた開口部を備えることを特徴とするＸ線測定装置。

（２）前記フラックス遮蔽板は、フラックスの線量分布またはエネルギー強度分布に対応して、最も線量の多い分布の中心部を透過するフラックスの遮蔽率を大きくしたことを特徴とする（１）に記載のＸ線測定装置。

（３）前記フラックス遮蔽板は、フラックスの線量分布またはエネルギー強度分布を中心部と周辺部で均一化したことを特徴とする（１）または（２）に記載のＸ線測定装置。

（４）前記フラックス遮蔽板は、不等間隔に開けた孔またはスリットの配列構成で、孔部とリブ部の面積比によりフラックスの線量分布及びエネルギー強度分布を制御することを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載のＸ線測定装置。

（５）前記フラックス遮蔽板は、金属箔または金属薄板にエッチングで微細孔加工を施したもので構成され、微細孔加工した金属箔または金属薄板を積層して構成したことを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載のＸ線測定装置。

（６）前記フラックス遮蔽板は、前記Ｘ線源のフォーカスポイントからの広がりを考慮して、微細孔ピッチを層毎に変えて微細加工を施したことを特徴とする（５）に記載のＸ線測定装置。

（７）前記フラックス遮蔽板は、１枚でフラックス遮蔽効果のある材質または板厚の板材に対して、ワイヤーカット加工機により櫛歯状に微細加工を施したことを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載のＸ線測定装置。

（８）前記フラックス遮蔽板は、前記Ｘ線源のフォーカスポイントからの広がりを考慮して、前記櫛歯状の微細加工に扇状の末広がりを持たせたことを特徴とする（７）に記載のＸ線測定装置。

本発明によれば、次のような効果を期待することができる。
（１）線量の多い中央部の線量を制限して、周辺線量と中央線量を揃えることが可能であり、Ｘ線検出器の出力を揃え、測定場所によってダイナミックレンジが十分取れないという問題を解消できる。

（２）線量の多い中央部の線量を制限しつつ、ビームハードニングを抑制することが可能である。このため、中央部等の代表的な部位で求めた検量線が測定範囲全体に対して精度良く一致する。

（３）均一に線量を当てることができるため、極薄試料に対しても良好な感度線量を選ぶことが可能である。このことにより、線量分布が大きくなる近距離からの照射条件において、特に改善効果が大きい。

本発明を適用したＸ線測定装置の一実施例を示す断面図である。本発明で採用されるフラックス遮蔽板の構成例を示す平面図である。本発明で採用されるフラックス遮蔽板の他の構成例を示す平面図である。本発明で採用されるフラックス遮蔽板の更に他の構成例を示す平面図である。本発明で採用されるフラックス遮蔽板の更に他の構成例を示す斜視図である。試料の坪量測定装置の構成例を示す斜視図である。坪量と透過線量の関係を示す特性図である。試料幅方向と透過線量の関係を示す特性図である。フラックス遮蔽板を備える、試料の坪量測定装置の構成例を示す斜視図である。フラックス遮蔽板を用いた場合の試料幅方向と透過線量の関係を示す特性図である。フラックス遮蔽板によるビームハードニングを説明する、光子エネルギーとＸ線強度の関係を示す特性図である。

以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明を適用したＸ線測定装置の一実施例を示す断面である。図６で説明した従来構成と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。

本発明の特徴部は、Ｘ線源１と試料３の間で、かつコリメータ２の後方に、コリメータ２で成形された扇状ビームＸ線Ｂ２のフラックスを、部分的に通過又は遮断するフラックス遮蔽板１００を挿入配置した構成にある。

フラックス遮蔽板１００の挿入位置は、図示のようにコリメータ２の後方近傍でもよいし、コリメータ２から離して試料３の直前に入れても構わない。尚、測定系の基本構成は、図６の従来構成と同一である。

図２は、本発明で採用されるフラックス遮蔽板１００の構成例を示す平面図である。フラックス遮蔽板１００は、扇状ビームＸ線Ｂ２を通過または阻止する複数個の微細なスリット１０１を備える。スリットの幅は、中心部より周辺部に向かって増加し、中心部では通過阻止率が高く、周辺部に向かって通過阻止率が段階的に低くなるように設計されている。

図に示す構造は、エッチング加工により、比較的薄い数十μm〜数百μm程度の遮蔽材（銅、ステンレス、鉄、黄銅、タングステン、鉛、又はそれらの合金）にエッチングにより微細な穴加工（スリット）を施したもので、１枚で放射線を十分吸収できない場合は、複数枚密着して積層している。拡大図の様に、フラックスの傾きに合わせて各層のスリットのピッチを変えれば好適である。

スリット１０１のサイズは、放射線検出素子サイズに対して十分小さいことが必要で、このサイズが粗い場合は、素子毎に均一な測定ができず、遮蔽板構造による素子毎のリプルが発生して正しい測定ができない。

図３は、本発明で採用されるフラックス遮蔽板の他の構成例を示す平面図である。図２のエッチング加工によるスリットではなく、開口部１０２を有する溝加工によるスリット構造を特徴としている。作用効果は図２と同一であるが加工が容易である。

スリット１０１のサイズについて図１に示す構成で考えれば、検出素子の１素子サイズが0.8mm×0.8mmであると想定したとき、Ｘ線源１のフォーカス位置からＸ線検出器４までの距離を500mm、Ｘ線源１のフォーカス位置から微細スリット型のフラックス遮蔽板１００までの距離を200mmとすれば、フラックス遮蔽板１００を通過する際の１素子相当のサイズは、0.8×（200/500）＝0.32mmとなる。

この１素子相当サイズより十分小さいスリットであれば、微細スリット型のフレックス遮蔽板１００によるリプル発生は避けることができる。十分小さいスリットとは、例えば0.03mm程度で、50%の遮蔽を行いたいのであれば、0.06mmピッチに0.03mmのスリットを連続的に設ければよい。

このような設計によれば、１素子には、５つのスリットを透過したフラックスが到達することになる。中央部を50％の透過率に抑え、周辺の最も線量が少ない領域を100%透過するようにするのは、スリットの幅を広げリブとスリット(開口部)の面積比率を変えることで、自在に透過線量をコントロールすることができる。

図４は、本発明で採用されるフラックス遮蔽板１００の更に他の構成例を示す平面図である。図２に示したスリット１０１の長手方向は、扇状ビームＸ線Ｂ２に直交しているが、図４の構成ではスリット１０４の長手方向は、扇状ビームＸ線Ｂ２対してβの傾きを持たせている。

このように微細開口部を所定角度で傾けることで、直交して開口部を設けた場合より、検出素子毎の変動が発生しにくい効果がある。従って、微細加工の程度を多少粗くすることが可能である。更に、フラックス遮蔽板１００をＸ線源１に近づけて使用することが可能となり、フラックス遮蔽板の小型化、Ｘ線源との一体構造化が容易となる。

図５は、本発明で採用されるフラックス遮蔽板の更に他の構成例を示す斜視図である。この構成例の特徴は、図２乃至図４の示したエッチング加工ではなく、放電加工(ワイヤーカット)による加工法によるスリット形成にある。

この加工方法は、１枚で遮蔽効果がある比較的厚い板材（数mm程度）に、細いワイヤー径で数十μmの溝を加工し、櫛歯状に細工を入れる。図２乃至図４と同様に、透過率を落としたい部位は蜜に、透過率を上げたい部位は疎にする。更に、Ｘ線源１のフォーカスから照射される照射角に合わせて、櫛歯を扇状に末広がり加工している。

図２乃至図５のスリットは１次元で説明してきたが、２次元に展開し、渦巻き型のスリット加工をしてもよい。また、リボン状の箔を渦巻き型に（スペーサなどを介して）、中央を密、周辺を疎に巻き締めてもよい。

本発明で採用されるフラックス遮蔽板１００は、Ｘ線検出器（ラインセンサー）４のゲイン及びオフセットを素子毎に設定できる機能と合わせることにより、より高精度の測定が可能である。

本発明で採用されるフラックス遮蔽板１００は、β線を線源とする測定装置においてもβ線検出器への照射量を均一化する遮蔽手段として有効に使用することが可能である。

１Ｘ線源
２コリメータ
２１スリット
３試料
４Ｘ線検出器
１００フラックス遮蔽板
１０１スリット

Claims

Ｘ線源から出射されるＸ線を試料に照射し、試料の透過線量をＸ線検出器で検出するＸ線測定装置において、
前記Ｘ線源より円錐状に出射されたＸ線ビームを、スライスした扇状ビームＸ線に成形するコリメータと、
このコリメータと前記試料の間に介在し、前記扇状ビームＸ線のフラックスの一部を通過または遮蔽し、ビームハードニングを抑制すると共に前記フラックスの強度分布を調整するフラックス遮蔽板と、を具備し、
前記フラックス遮蔽板は、微細加工により前記Ｘ線検出器の検出素子サイズ及び素子ピッチに対して十分小さい複数のスリット、孔、若しくは複数に仕切られた開口部を備えることを特徴とするＸ線測定装置。
前記フラックス遮蔽板は、フラックスの線量分布またはエネルギー強度分布に対応して、最も線量の多い分布の中心部を透過するフラックスの遮蔽率を大きくしたことを特徴とする請求項１に記載のＸ線測定装置。
前記フラックス遮蔽板は、フラックスの線量分布またはエネルギー強度分布を中心部と周辺部で均一化した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。
前記フラックス遮蔽板は、不等間隔に開けた孔またはスリットの配列構成で、孔部とリブ部の面積比によりフラックスの線量分布及びエネルギー強度分布を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のＸ線測定装置。
前記フラックス遮蔽板は、金属箔または金属薄板にエッチングで微細孔加工を施したもので構成され、微細孔加工した金属箔または金属薄板を積層して構成したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のＸ線測定装置。
前記フラックス遮蔽板は、前記Ｘ線源のフォーカスポイントからの広がりを考慮して、微細孔ピッチを層毎に変えて微細加工を施したことを特徴とする請求項５に記載のＸ線測定装置。
前記フラックス遮蔽板は、１枚でフラックス遮蔽効果のある材質または板厚の板材に対して、ワイヤーカット加工機により櫛歯状に微細加工を施したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のＸ線測定装置。
前記フラックス遮蔽板は、前記Ｘ線源のフォーカスポイントからの広がりを考慮して、前記櫛歯状の微細加工に扇状の末広がりを持たせたことを特徴とする請求項７に記載のＸ線測定装置。