元素分析装置、元素分析方法
【課題】簡易な構成で重元素に対する組成分析を行う。
【解決手段】レーザーコンプトン光１００が試料２００に照射される。このレーザーコンプトン光１００及びこのレーザーコンプトン光１００が試料２００を透過した後の透過光１１０がＸ線検出器１２０で検出され、その検出信号がデータ処理部１３０で処理される。このレーザーコンプトン光発生装置２０は、準単色あるいは単色のＸ線をレーザーコンプトン光１００として出力する。ここでは、周回軌道で加速された高エネルギー電子２１とレーザー光２２とが衝突部２３で衝突する設定とされる。レーザー光源２９から発せられたレーザー光２２は、交差角調整部３０でその交差角が制御され、衝突部２３に導入され、高エネルギー電子２１と衝突する。交差角調整部３０によってこの交差角を制御することによって、レーザーコンプトン光１００のエネルギーを制御することができる。
【解決手段】レーザーコンプトン光１００が試料２００に照射される。このレーザーコンプトン光１００及びこのレーザーコンプトン光１００が試料２００を透過した後の透過光１１０がＸ線検出器１２０で検出され、その検出信号がデータ処理部１３０で処理される。このレーザーコンプトン光発生装置２０は、準単色あるいは単色のＸ線をレーザーコンプトン光１００として出力する。ここでは、周回軌道で加速された高エネルギー電子２１とレーザー光２２とが衝突部２３で衝突する設定とされる。レーザー光源２９から発せられたレーザー光２２は、交差角調整部３０でその交差角が制御され、衝突部２３に導入され、高エネルギー電子２１と衝突する。交差角調整部３０によってこの交差角を制御することによって、レーザーコンプトン光１００のエネルギーを制御することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線の透過率を測定することによって試料の元素分析を行う元素分析装置、元素分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
試料における組成（元素）の分析を行う方法としては、各種が知られている。その中で、Ｘ線を用いて高精度に分析を行う方法として、Ｋ吸収端計測法が知られている。Ｋ吸収端計測法の詳細は、例えば非特許文献１に記載されている。
【０００３】
物質における１５０ｋｅＶ以下のエネルギーのＸ線の吸収は、主に光電効果による。光電効果は、原子を構成する電子にそのエネルギー全部を与えることによってＸ線が消滅し、このエネルギーを受け取った電子が軌道外に放出される現象である。Ｋ殻電子を放出させるには、その結合エネルギーを越えるエネルギーをもつＸ線が必要であり、この結合エネルギーがＫ吸収端のエネルギーに対応する。
【０００４】
Ｋ吸収端のエネルギーは各元素に特有であり、Ｘ線領域のエネルギー範囲（重元素においては１０〜１３０ｋｅＶ程度）にある。このＫ吸収端を境にして、これよりも高いエネルギーでの吸収は急激に大きくなり、これよりも低いエネルギーでの吸収は小さくなる。Ｋ吸収端計測法においては、ある特定の元素のＫ吸収端の前後でのＸ線の吸収の比較をすることにより、この元素の組成やその分布を測定する。上記のエネルギー範囲のＸ線は、例えば半導体検出器等を用いて測定が可能であり、Ｘ線のエネルギーを測定することも可能である。Ｋ吸収端計測法は、アクチノイド等の重元素の分析に有効であり、例えば原子炉の使用済核燃料の再処理過程における溶液に含まれる２３５Ｕや２３９Ｐｕ等の分析に用いられている。なお、Ｋ吸収端以外にも、他の吸収端、例えばＬ吸収端、Ｍ吸収端を用いることもできるが、一般には最も高いコントラストが得られるＫ吸収端が好ましい。
【０００５】
Ｋ吸収端計測法においては、使用するＸ線の特性、あるいはこれを発するＸ線源が重要となり、このエネルギーは上記の範囲となる。この範囲のエネルギーのＸ線源として、従来は、放射性同位元素が用いられていた。この場合には、Ｋ吸収端の前後のエネルギーをもつＸ線（ガンマ線）を発する２種類の放射性同位元素が使用される。
【０００６】
また、Ｘ線管等を用いて生成した制動放射光等も用いられている。この場合、１５０ｋｅＶ程度（Ｘ線のエネルギーよりも充分高いエネルギー）にまで電子を加速し、これをタングステン等の金属に照射することによって減速する際に発せられる制動放射光が用いられる。また、特許文献１には、線形加速器で加速された電子をシリコン単結晶に照射することにより、Ｋ吸収端を跨ぐ２種類のエネルギーのパラメトリックＸ線を発生させ、分析に用いる技術が記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｈ．Ｏｔｔｍａｒ、Ｈ．Ｅｂｅｒｌｅ、「Ｔｈｅ Ｈｙｂｒｉｄ Ｋ−Ｅｄｇｅ／Ｋ−ＸＲＦ Ｄｅｎｓｉｔｏｍｅｔｅｒ：Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ−Ｄｅｓｉｇｎ・Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ」、ドイツ、カールスルーエ、ＫｆＫ、ｐ４５９０、１９９１年
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−１９５８８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
放射性同位元素を用いる場合には、ガンマ線は常時発せられ、その制御は困難であり、その取り扱いは容易ではない。また、ガンマ線は単色となるために、解析は比較的容易となるものの、そのエネルギーは放射性同位元素の種類によって定まるため、各元素の分析に適したエネルギーが得られるとは限らない。加速器や原子炉を使用して放射性同位元素を生成することができるため、多数種の放射性同位元素を生成することができるものの、これによっても所望のエネルギーのガンマ線が得られるとは限らない。更に、これを生成するためには多大な時間とコストを要する。
【００１０】
制動放射光の場合には、そのスペクトルは単色ではなく、連続的であるため、大部分の元素の吸収端（Ｋ吸収端）をカバーすることが可能である。しかしながら、制動放射光を発する際に発熱が生ずるため、Ｘ線の特性（強度やスペクトル）が安定しないという問題がある。
【００１１】
また、制動放射光のように連続スペクトルのＸ線が用いられる場合には、その中に複数の元素の吸収端が含まれる場合に、測定の精度が低くなる、あるいは元素の識別が困難となることは明らかである。更に、試料内部や検出器内部において、より低いエネルギーのＸ線が２次的に発生することがあり、その補正も必要となる。こうした点においては、特許文献１に記載のパラメトリックＸ線を用いる技術は有効である。しかしながら、パラメトリックＸ線において、アクチノイドのＫ吸収端エネルギーに相当する１００ｋｅＶ以上のエネルギーで充分な輝度を得ることは困難である。
【００１２】
すなわち、簡易な構成で重元素に対する組成分析を行うことは困難であった。
【００１３】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の元素分析装置は、試料における分析対象となる元素の吸収端の前後のエネルギーにおけるＸ線吸収特性から、前記元素の組成分析を行う元素分析装置であって、高エネルギー粒子線とレーザー光とを衝突部において衝突させた際のコンプトン効果によって高エネルギー光となったレーザーコンプトン光を発生させ、前記試料に照射するレーザーコンプトン光発生手段と、前記レーザーコンプトン光が前記試料を透過した透過光の強度を検出する検出手段と、当該検出手段の検出結果を用いて前記元素の組成分析を行うデータ処理手段と、を具備することを特徴とする。
本発明の元素分析装置において、前記レーザーコンプトン光発生手段は、前記衝突部における前記レーザー光と前記高エネルギー粒子線との交差角を調整する交差角調整部を具備することを特徴とする。
本発明の元素分析装置において、前記レーザーコンプトン光発生手段は、２個の１８０度偏向磁石と、当該２個の１８０度偏向磁石との間に配置された線形加速器の間で前記高エネルギー粒子線を周回軌道に乗せて加速するマイクロトロン型の加速器を具備することを特徴とする。
本発明の元素分析装置において、前記線形加速器には、前記高エネルギー粒子線を構成する２つのバンチが同時に入射する構成とされ、前記線形加速器における高周波加速に用いられる高周波が、一方のバンチを加速する位相とされ、かつ他方のバンチを減速させる位相とされることを特徴とする。
本発明の元素分析方法は、試料における分析対象となる元素の吸収端の前後のエネルギーにおけるＸ線吸収特性から、前記元素の組成分析を行う元素分析方法であって、高エネルギー粒子線とレーザー光とを衝突部において衝突させた際のコンプトン効果によって発生した高エネルギー光であり前記吸収端前後のエネルギーを含むスペクトルをもつレーザーコンプトン光を、前記試料に照射する照射工程と、前記レーザーコンプトン光が前記試料を透過した後の透過光の強度を検出する検出工程と、前記透過光の強度を用いて前記元素の組成分析を行う解析工程と、を具備することを特徴とする。
本発明の元素分析方法は、半値幅の中に前記吸収端のエネルギーを含むスペクトルをもつ準単色のレーザーコンプトン光が用いられることを特徴とする。
本発明の元素分析方法は、前記吸収端のエネルギーを跨ぐ２つのエネルギーをそれぞれのピークエネルギーとする単色の２つのレーザーコンプトン光が用いられることを特徴とする。
本発明の元素分析方法は、前記衝突部における前記レーザー光と前記高エネルギー粒子線との交差角を調整することによってピークエネルギーが設定された前記２つのレーザーコンプトン光が用いられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は以上のように構成されているので、簡易な構成で重元素に対する組成分析を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態となる元素分析装置の構成を示す図である。
【図２】ウランのＫ吸収端近傍付近のピークをもつ半値幅３０％のＸ線を試料に透過させた前後のスペクトルである。
【図３】ウランのＫ吸収端近傍付近のピークをもつ半値幅５％のＸ線を試料に透過させた前後のスペクトルである。
【図４】ウランを含む試料に対して２種類の単色のＸ線を透過させた後のスペクトルである。
【図５】ウランを含まない参照資料に対して２種類の単色のＸ線を透過させた後のスペクトルである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態に係る元素分析装置の構成について説明する。この元素分析装置においては、レーザーコンプトン光発生手段によって発生した準単色あるいは単色のＸ線（ガンマ線）が試料に対して照射され、試料におけるこのＸ線の吸収が測定される。そのスペクトルは、分析対象の元素のＫ吸収端に応じて適宜設定される。なお、ここで、準単色の光（Ｘ線、ガンマ線）とは、エネルギースペクトルにおいて単一のピークをもつがその広がり（半値幅）が無視できないものを意味し、単色の光とは、単一のピークをもち、その広がりが実質的に無視できるものを意味する。あるいは、単色の光は、準単色の光のうち半値幅が特に小さな光を意味する。また、吸収端としては、Ｋ吸収端以外にも他の吸収端（Ｌ吸収端、Ｍ吸収端等）があり、同様に適用することができるが、以下ではＫ吸収端として説明する。
【００１８】
図１は、この元素分析装置１０の構成を示す。この元素分析装置１０においては、レーザーコンプトン光発生装置（レーザーコンプトン光発生手段）２０によって生成されたレーザーコンプトン光１００が試料２００に照射される。このレーザーコンプトン光１００及びこのレーザーコンプトン光１００が試料２００を透過した後の透過光１１０がＸ線検出器（検出手段）１２０で検出され、その検出信号がデータ処理部（データ処理手段）１３０で処理される。データ処理部１３０においては、まずこの検出信号が信号処理回路１３１で読み出され、データ記録装置１３２に記録される。ここで演算処理が行われ、Ｋ吸収端付近の吸収特性が分析される。なお、レーザーコンプトン光発生装置（レーザーコンプトン光発生手段）２０、Ｘ線検出器（検出手段）１２０、データ処理部（データ処理手段）１３０は、例えばコンピュータからなる制御部１４０によって制御される。
【００１９】
なお、実際には、試料２００として、本来の分析対象の試料と参照資料の２種類を用いることができる。それぞれの測定結果をデータ記録装置１４０で記憶し、解析に用いることができる。
【００２０】
この際の光源として用いられるレーザーコンプトン光発生装置２０の構成について説明する。このレーザーコンプトン光発生装置２０は、準単色あるいは単色のＸ線をレーザーコンプトン光１００として出力する。ここでは、周回軌道で加速された高エネルギー電子２１とレーザー光２２とが衝突部２３で衝突する設定とされ、この際に、可視光あるいは近赤外光であるレーザー光２２が高エネルギー電子２１からエネルギーを受け取ることにより、高エネルギー化（短波長化）し、Ｘ線、ガンマ線となったレーザーコンプトン光１００となる。後述するように、そのエネルギー、スペクトルの広がり（半値幅）を制御することが可能である。
【００２１】
電子入射器２４で発生した低エネルギー（例えば７ＭｅＶ以下）の電子は、合流磁石２５によってその進路が曲げられ、周回軌道内に投入される。この際、電子は、進行方向に対して有限な長さをもつバンチの形態とされる。この電子は、周回軌道における直線部（図１中の下側直線部）に設置された線形加速器２６で高周波加速される。すなわち、高周波の電界によって電子（バンチ）が加速される位相とされる。
【００２２】
周回軌道における両端には、１８０度偏向磁石２７が設置され、両端で電子はその進行方向を１８０度変えることにより、周回軌道とされ、繰り返し線形加速器２６に入射し、加速される。この際の加速に用いられる高周波に対し、電子が加速される位相となるように入射させることにより、線形加速器２６を通過させる毎にそのエネルギーを高めることができる。この際、エネルギーが高まる毎、すなわち線形加速器２６を通過する毎に、１８０度偏向磁石２７によって偏向する曲率半径が大きくなる。このため、図においては模式的に６回毎の周回軌道が示されている。この動作は、一般的にマイクロトロンとして知られる加速器と同様である。
【００２３】
これにより高エネルギー（例えば５０ＭｅＶ以上）とされた高エネルギー電子２１は、このうちの最も外側の軌道を通り、２つの偏向磁石２８によってその軌道が曲げられ、衝突部２３に導入される。
【００２４】
レーザー光源２９から発せられたレーザー光２２は、交差角調整部３０でその交差角（高エネルギー電子２１の進行方向に対する入射角度）が制御され、衝突部２３に導入され、高エネルギー電子２１と衝突する。この際の（逆）コンプトン効果により、レーザー光２２はレーザーコンプトン光１００として出力される。交差角調整部３０におけるこの交差角の制御は、反射鏡等の光学素子を機械的に移動させることによって容易に行われる。
【００２５】
この際、マイクロトロン型となる図１の構成においては、２個の１８０度偏向磁石２７を用いたコンパクトな構成によって例えば８０ＭｅＶ程度の高エネルギー電子２１を得ることができ、このエネルギーの高エネルギー電子２１から、１０〜１３０ｋｅＶ程度のエネルギーをもつレーザーコンプトン光１００（Ｘ線）を充分な輝度で得ることができる。すなわち、重元素のＫ吸収端エネルギーと同等のエネルギーをもつ高輝度のＸ線をコンパクトな構成で得ることができる。
【００２６】
その後、２つの偏向磁石２８を経て、高エネルギー電子２１は、再び線形加速器２６に入射するが、この際には、前記の加速の際と逆に、高周波電界によってこれが減速される位相で入射させる。すなわち、これに線形加速器２６を通過させることによってこれを減速する。この際、この減速されるバンチ（電子群）と共に、新たに電子入射器２４から入射したバンチを、これを加速する位相で線形加速器２６を通過させる。これにより、減速されるバンチのエネルギーを新たに加速するバンチに移行させることができる。この動作は、例えば特開２００４−１１９０９７号公報に記載されているエネルギー回収型線形加速器（ＥＲＬ：Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｌｉｎａｃ）と同様である。この際、古いバンチを減速させる度に新しいバンチを加速するという動作を行わせることが可能である。すなわち、このレーサーコンプトン光発生装置１０は、マイクロトロン型エネルギー回収型線形加速器として動作する。これにより、高効率の加速器として動作する。
【００２７】
その後、減速して低エネルギーとされた電子は、分岐磁石３１で周回軌道から外れるように偏向され、金属等でできたビームダンプ３２で吸収される。この際、充分に減速された（低エネルギー化された）状態でビームダンプ３２に吸収されるため、Ｘ線管で発生されるような高強度の制動放射光は発生しない。一方で、新たに加速されたバンチは、高エネルギー電子２１となって、再びレーザー光２２と衝突させ、レーザーコンプトン光１００を発生させることができる。このため、分析に直接用いるレーザーコンプトン光１００以外の放射線の発生は低減され、測定の精度を高めることが可能である。あるいは、放射線遮蔽設備を軽減することができる。
【００２８】
また、一般にレーザー光２２は単色であり、そのエネルギー（波長）は、レーザー光源２９の種類によって定まる。これに対して、高エネルギー電子２１のエネルギーは、線形加速器２６の動作条件（高周波条件）を変え、１８０度偏向磁石２７の磁界強度を変えること等により、設定できる。このため、線形加速器２６の動作条件等を設定することにより、レーザーコンプトン光１００のエネルギーを制御することが可能である。
【００２９】
単色の高エネルギー電子２１と単色のレーザー光２２とが正面衝突した場合には、その軌道上で得られるレーザーコンプトン光１００は単色となる。ただし、この軌道からはずれた方向にもレーザーコンプトン光１００は発せられ、この軌道からはずれた方向ではこれよりも低いエネルギーとなる。すなわち、レーザーコンプトン光１００のエネルギーにはこの発散角依存性がある。
【００３０】
同様に、高エネルギー電子２１とレーザー光２２とが正面衝突せず、ある交差角をもって衝突する場合には、試料２００に照射されるレーザーコンプトン光１００のエネルギーはこの交差角依存性をもつ。このため、交差角調整部３０によってこの交差角を制御することによっても、レーザーコンプトン光１００のエネルギーを制御することができる。
【００３１】
また、バンチ長が長い場合、バンチ内の電子のエネルギーは厳密には一定ではなく、例えばその進行方向に対するその先端部、中央部、末端部ではエネルギーは異なる。すなわち、高エネルギー電子２１は厳密には単色ではなく、準単色である。このスペクトルの広がりはバンチ長に依存する。このバンチ長は、電子入射器２４、線形加速器２６等で設定が可能である。このため、これによってレーザーコンプトン光１００を準単色とすることができ、そのスペクトルの広がりを制御することも可能である。この際、レーザー光２２の交差角を制御すれば、これによりレーザーコンプトン光１００のエネルギー（スペクトルのピーク）と単色性（スペクトルの広がり）を同時に制御することも可能である。
【００３２】
すなわち、このレーザーコンプトン光発生装置２０を用いて、準単色あるいは単色であり特に重元素に対するＫ吸収端計測法に好適なＸ線、ガンマ線をレーザーコンプトン光１００として得ることができる。
【００３３】
図１の構成においては、このレーザーコンプトン光１００、透過光１１０は、Ｘ線検出器１２０で検出される。Ｘ線検出器１２０は、半導体（ゲルマニウム）検出器や、シンチレーション検出器等、Ｘ線光子及びそのエネルギーを検出できる検出器が用いられる。信号処理回路１３１では、１個のＸ線光子の検出は、１個のパルスとして認識され、Ｘ線のエネルギーはこのパルス高として認識される。Ｘ線の強度は、単位時間当たりのパルス数として認識される。
【００３４】
以下では、実際にこのＸ線を用いた分析の例について説明する。
【００３５】
まず、準単色のＸ線を用いる場合について説明する。この場合には、レーザーコンプトン光１００のスペクトルのピークエネルギーを測定対象とする元素のＫ吸収端のエネルギーとほぼ一致させ、かつその前後の狭い領域もこのスペクトル中に含まれる設定とする。図２は、ウラン２００ｇ／ｌと、プルトニウム２０ｇ／ｌを含む３Ｎ−ＨＮＯ３溶液（厚さ２ｃｍ）を試料とし、ウランのＫ吸収端（エネルギー１１５．６ｋｅＶ）付近において、半値幅が３０％のＸ線が透過する前（実線）と後（点線）の計算結果である。
【００３６】
ここで、信号処理回路１３１によってＸ線はパルスとして認識されて計数される。この計数率（単位時間当たりの処理数）には上限があるため、元素の組成解析に必要なイベントのみが検出されることが好ましい。ここで、この元素の組成分析に必要なのは、Ｋ吸収端の前後の極近傍のみの結果である。Ｋ吸収端から離れたエネルギーのＸ線は不要であると共に、この検出によって本来検出したいエネルギー（Ｋ吸収端の極近傍）のＸ線の測定の障害となる。すなわち、図３においては、この不要なＸ線が多く含まれている。この元素の組成分析において用いられるのは、この検出された光子数の透過前後の比率であるが、これがこの不要なＸ線の影響を受けることは明らかである。また、検出強度自身は統計誤差をもち、この不要なＸ線の検出によっても統計誤差が発生する。このため、この比率が大きくなる方が組成分析の精度は高くなる。このためには、半値幅がＫ吸収端を含む範囲で狭くすることが有効である。また、半値幅が広い場合、その範囲内に対象となる元素以外の元素の吸収端がある場合には、その影響を受けることも明らかである。
【００３７】
これに対して、上記のレーザーコンプトン光１００は、上記の構成により、スペクトルの半値幅を５％程度とすることができる。この場合の上記と同様の試料の透過前後のスペクトルが図３である。この場合には、不要な箇所のＸ線が検出されないために、検出された光子数の透過前後の比率は高くなり、組成分析の精度が高まる。図２と図３の例では、図３の例（半値幅５％）の方が、図２の例（半値幅３０％）よりもＳ／Ｎ比が６倍高まる。
【００３８】
すなわち、準単色のレーザーコンプトン光１００のピークをＫ吸収端と一致させ、半値幅を５％程度とすることにより、Ｋ吸収端計測法における組成分析の精度が高まる。
【００３９】
次に、単色のレーザーコンプトン光１００を用いる場合について説明する。この場合には、２種類の単色の（単色とみなせる）レーザーコンプトン光１００を用いてＫ吸収端計測法を行う。この２つのエネルギーは、Ｋ吸収端を跨ぐ近接したエネルギーとされる。ここでは、このエネルギーをＥ１、Ｅ２とし、Ｅ１＜Ｋ吸収端エネルギー＜Ｅ２とする。測定対象となる元素を含まない試料（参照試料）を準備し、各々の２種類のレーザーコンプトン光１００の透過率からこの元素の組成を算出することができる。エネルギーＥ１をもつレーザーコンプトン光１００の試料２００における透過強度をＩ１（Ｅ１）とし、エネルギーＥ２をもつレーザーコンプトン光１００の試料２００における透過強度をＩ１（Ｅ２）とする。エネルギーＥ１をもつレーザーコンプトン光１００の参照資料における透過強度をＩ２（Ｅ１）とし、エネルギーＥ２をもつレーザーコンプトン光１００の参照資料における透過強度をＩ２（Ｅ２）とする。この場合、Ｅ１における試料２００の透過率Ｔ（Ｅ１）をＩ１（Ｅ１）／Ｉ２（Ｅ１）とし、Ｅ２における試料２００の透過率Ｔ（Ｅ２）をＩ１（Ｅ２）／Ｉ２（Ｅ２）とすることができる。この場合、対象とする元素のエネルギーＥのＸ線の吸収係数をμ（Ｅ）（ｃｍ２・ｇ）とすると、対象となる元素の濃度ρ（ｇ／ｌ）は、以下の式（１）で表される。ここで、Δμ＝μ（Ｅ１）−μ（Ｅ２）であり、ｄ（ｃｍ）は試料２００及び参照資料の光軸方向の厚さである。
【００４０】
【数１】
【００４１】
例えば非特許文献１に記載される分析方法においては、連続スペクトルが用いられるため、Ｘ線検出器１２０の出力において、スペクトルの波高分析が必要になるため、幅広いエネルギー範囲で検出された検出信号（イベント）を信号処理回路が全て計数する必要がある。これに対して、上記の場合には、予め定められた狭い範囲（Ｅ１近傍とＥ２近傍）で検出されたイベントのみを信号処理回路１３１で計数すればよい。このため、結局、単位時間に計数できるイベント数が、非特許文献１における連続スペクトルを用いる場合には例えば２×１０４／ｓ程度であった。これに対して、上記の場合には、１０９／ｓ程度のイベント数の場合も計数することができる。計数速度は、Ｘ線（レーザーコンプトン光１００）の輝度に依存するが、上記の構成のレーザーコンプトン光発生装置２０においては、１０７ｐｈｏｔｏｎ／ｋｅＶ／ｓとすることも可能であり、計数率を５×１０２倍とすることができる。
【００４２】
図４は、ウラン２００ｇ／ｌと、プルトニウム２０ｇ／ｌを含む３Ｎ−ＨＮＯ３溶液（ｄ＝２ｃｍ）を試料とし、ウランのＫ吸収端である１１５．６ｋｅＶに対応して、Ｅ１＝１１４．４ｋｅＶ（点線）、Ｅ２＝１１６．８ｋｅＶ（実線）とした場合（点線）の、試料における透過後のスペクトルである。どちらにおいても半値幅は１％である。図５は、参照試料となる、プルトニウム２０ｇ／ｌのみを含む３Ｎ−ＨＮＯ３溶液に対する同様の２つのＸ線の透過後のスペクトルである。この結果より、（１）式におけるＴ（Ｅ１）／Ｔ（Ｅ２）が算出でき、ρが算出できる。
【００４３】
ここで用いられるような、近接したピークエネルギーをもち、単色とみなせるＸ線を上記の構成のレーザーコンプトン光発生装置２０で発生させることが可能である。
【００４４】
こうした測定を行う場合には、２つのレーザーコンプトン光１００のピークエネルギーをＫ吸収端の前後とするが、２つのレーザーコンプトン光１００のスペクトルを離すことが好ましい。このため、具体的には、これらのピークエネルギーの差分を、それぞれの半値幅の２倍程度とすることが好ましい。例えば、半値幅が１％である場合には、Ｅ２とＥ１の差分はＫ吸収端エネルギーの２％程度とすればよい。こうした設定は、上記の通り、このレーザーコンプトン光発生装置２０においては容易に行われる。
【００４５】
また、この場合、統計誤差を低減して高精度の結果を得るためには、ピークがＥ１のレーザーコンプトン光１００とＥ２のレーザーコンプトン光１００とを例えば数秒程度の間隔で交互に切り替えることが好ましい。これにより、レーザーコンプトン光１００の強度変動等がある場合等にも、高精度で分析を行うことが可能である。また、こうした構成は、例えば交差角調整部３０によってレーザー光２２の交差角を変化（振動）させることによって容易に行うことができる。
【００４６】
なお、上記の例では、高エネルギー電子２１とレーザー光２２との衝突によってレーザーコンプトン光を発生させる例について記載した。しかしながら、電子の代わりに、準単色の高エネルギービームとすることができる他の粒子、例えば陽電子を用いても同様にレーザーコンプトン光が得られることは明らかである。すなわち、他の高エネルギー粒子線とレーザー光との衝突によって発生したレーザーコンプトン光を用いることも可能である。
【００４７】
また、上記以外の構成であっても、（１）高エネルギー粒子線とレーザー光とを衝突部において衝突させた際のコンプトン効果によって発生した高エネルギー光であり、分析対象元素の吸収端前後のエネルギーを含むスペクトルをもつレーザーコンプトン光を、記試料に照射する照射工程、（２）このレーザーコンプトン光が試料を透過した後の透過光の強度を検出する検出工程、（３）この透過光の強度を用いて元素の組成分析を行う解析工程、を具備する元素分析方法が行えることは明らかである。この場合においても、レーザーコンプトン光の性質により、重元素、軽元素等、各種の元素のＫ吸収端計測法を高精度で行うことができる。
【００４８】
また、上記の例では、分析対象となる元素のＫ吸収端を用いるＫ吸収端計測法として説明したが、他の吸収端を用いても、同様の分析を行うことができることは明らかである。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 元素分析装置
２０ レーザーコンプトン光発生装置（レーザーコンプトン光発生手段）
２１ 高エネルギー電子
２２ レーザー光
２３ 衝突部
２４ 電子入射器
２５ 合流磁石
２６ 線形加速器
２７ １８０度偏向磁石
２８ 偏向磁石
２９ レーザー光源
３０ 交差角調整部
３１ 分岐磁石
３２ ビームダンプ
１００ レーザーコンプトン光
１１０ 透過光
１２０ Ｘ線検出器（検出手段）
１３０ データ処理部（データ処理手段）
１３１ 信号処理回路
１３２ データ記録装置
１４０ 制御部
２００ 試料
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線の透過率を測定することによって試料の元素分析を行う元素分析装置、元素分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
試料における組成（元素）の分析を行う方法としては、各種が知られている。その中で、Ｘ線を用いて高精度に分析を行う方法として、Ｋ吸収端計測法が知られている。Ｋ吸収端計測法の詳細は、例えば非特許文献１に記載されている。
【０００３】
物質における１５０ｋｅＶ以下のエネルギーのＸ線の吸収は、主に光電効果による。光電効果は、原子を構成する電子にそのエネルギー全部を与えることによってＸ線が消滅し、このエネルギーを受け取った電子が軌道外に放出される現象である。Ｋ殻電子を放出させるには、その結合エネルギーを越えるエネルギーをもつＸ線が必要であり、この結合エネルギーがＫ吸収端のエネルギーに対応する。
【０００４】
Ｋ吸収端のエネルギーは各元素に特有であり、Ｘ線領域のエネルギー範囲（重元素においては１０〜１３０ｋｅＶ程度）にある。このＫ吸収端を境にして、これよりも高いエネルギーでの吸収は急激に大きくなり、これよりも低いエネルギーでの吸収は小さくなる。Ｋ吸収端計測法においては、ある特定の元素のＫ吸収端の前後でのＸ線の吸収の比較をすることにより、この元素の組成やその分布を測定する。上記のエネルギー範囲のＸ線は、例えば半導体検出器等を用いて測定が可能であり、Ｘ線のエネルギーを測定することも可能である。Ｋ吸収端計測法は、アクチノイド等の重元素の分析に有効であり、例えば原子炉の使用済核燃料の再処理過程における溶液に含まれる２３５Ｕや２３９Ｐｕ等の分析に用いられている。なお、Ｋ吸収端以外にも、他の吸収端、例えばＬ吸収端、Ｍ吸収端を用いることもできるが、一般には最も高いコントラストが得られるＫ吸収端が好ましい。
【０００５】
Ｋ吸収端計測法においては、使用するＸ線の特性、あるいはこれを発するＸ線源が重要となり、このエネルギーは上記の範囲となる。この範囲のエネルギーのＸ線源として、従来は、放射性同位元素が用いられていた。この場合には、Ｋ吸収端の前後のエネルギーをもつＸ線（ガンマ線）を発する２種類の放射性同位元素が使用される。
【０００６】
また、Ｘ線管等を用いて生成した制動放射光等も用いられている。この場合、１５０ｋｅＶ程度（Ｘ線のエネルギーよりも充分高いエネルギー）にまで電子を加速し、これをタングステン等の金属に照射することによって減速する際に発せられる制動放射光が用いられる。また、特許文献１には、線形加速器で加速された電子をシリコン単結晶に照射することにより、Ｋ吸収端を跨ぐ２種類のエネルギーのパラメトリックＸ線を発生させ、分析に用いる技術が記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｈ．Ｏｔｔｍａｒ、Ｈ．Ｅｂｅｒｌｅ、「Ｔｈｅ Ｈｙｂｒｉｄ Ｋ−Ｅｄｇｅ／Ｋ−ＸＲＦ Ｄｅｎｓｉｔｏｍｅｔｅｒ：Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ−Ｄｅｓｉｇｎ・Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ」、ドイツ、カールスルーエ、ＫｆＫ、ｐ４５９０、１９９１年
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−１９５８８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
放射性同位元素を用いる場合には、ガンマ線は常時発せられ、その制御は困難であり、その取り扱いは容易ではない。また、ガンマ線は単色となるために、解析は比較的容易となるものの、そのエネルギーは放射性同位元素の種類によって定まるため、各元素の分析に適したエネルギーが得られるとは限らない。加速器や原子炉を使用して放射性同位元素を生成することができるため、多数種の放射性同位元素を生成することができるものの、これによっても所望のエネルギーのガンマ線が得られるとは限らない。更に、これを生成するためには多大な時間とコストを要する。
【００１０】
制動放射光の場合には、そのスペクトルは単色ではなく、連続的であるため、大部分の元素の吸収端（Ｋ吸収端）をカバーすることが可能である。しかしながら、制動放射光を発する際に発熱が生ずるため、Ｘ線の特性（強度やスペクトル）が安定しないという問題がある。
【００１１】
また、制動放射光のように連続スペクトルのＸ線が用いられる場合には、その中に複数の元素の吸収端が含まれる場合に、測定の精度が低くなる、あるいは元素の識別が困難となることは明らかである。更に、試料内部や検出器内部において、より低いエネルギーのＸ線が２次的に発生することがあり、その補正も必要となる。こうした点においては、特許文献１に記載のパラメトリックＸ線を用いる技術は有効である。しかしながら、パラメトリックＸ線において、アクチノイドのＫ吸収端エネルギーに相当する１００ｋｅＶ以上のエネルギーで充分な輝度を得ることは困難である。
【００１２】
すなわち、簡易な構成で重元素に対する組成分析を行うことは困難であった。
【００１３】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の元素分析装置は、試料における分析対象となる元素の吸収端の前後のエネルギーにおけるＸ線吸収特性から、前記元素の組成分析を行う元素分析装置であって、高エネルギー粒子線とレーザー光とを衝突部において衝突させた際のコンプトン効果によって高エネルギー光となったレーザーコンプトン光を発生させ、前記試料に照射するレーザーコンプトン光発生手段と、前記レーザーコンプトン光が前記試料を透過した透過光の強度を検出する検出手段と、当該検出手段の検出結果を用いて前記元素の組成分析を行うデータ処理手段と、を具備することを特徴とする。
本発明の元素分析装置において、前記レーザーコンプトン光発生手段は、前記衝突部における前記レーザー光と前記高エネルギー粒子線との交差角を調整する交差角調整部を具備することを特徴とする。
本発明の元素分析装置において、前記レーザーコンプトン光発生手段は、２個の１８０度偏向磁石と、当該２個の１８０度偏向磁石との間に配置された線形加速器の間で前記高エネルギー粒子線を周回軌道に乗せて加速するマイクロトロン型の加速器を具備することを特徴とする。
本発明の元素分析装置において、前記線形加速器には、前記高エネルギー粒子線を構成する２つのバンチが同時に入射する構成とされ、前記線形加速器における高周波加速に用いられる高周波が、一方のバンチを加速する位相とされ、かつ他方のバンチを減速させる位相とされることを特徴とする。
本発明の元素分析方法は、試料における分析対象となる元素の吸収端の前後のエネルギーにおけるＸ線吸収特性から、前記元素の組成分析を行う元素分析方法であって、高エネルギー粒子線とレーザー光とを衝突部において衝突させた際のコンプトン効果によって発生した高エネルギー光であり前記吸収端前後のエネルギーを含むスペクトルをもつレーザーコンプトン光を、前記試料に照射する照射工程と、前記レーザーコンプトン光が前記試料を透過した後の透過光の強度を検出する検出工程と、前記透過光の強度を用いて前記元素の組成分析を行う解析工程と、を具備することを特徴とする。
本発明の元素分析方法は、半値幅の中に前記吸収端のエネルギーを含むスペクトルをもつ準単色のレーザーコンプトン光が用いられることを特徴とする。
本発明の元素分析方法は、前記吸収端のエネルギーを跨ぐ２つのエネルギーをそれぞれのピークエネルギーとする単色の２つのレーザーコンプトン光が用いられることを特徴とする。
本発明の元素分析方法は、前記衝突部における前記レーザー光と前記高エネルギー粒子線との交差角を調整することによってピークエネルギーが設定された前記２つのレーザーコンプトン光が用いられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は以上のように構成されているので、簡易な構成で重元素に対する組成分析を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態となる元素分析装置の構成を示す図である。
【図２】ウランのＫ吸収端近傍付近のピークをもつ半値幅３０％のＸ線を試料に透過させた前後のスペクトルである。
【図３】ウランのＫ吸収端近傍付近のピークをもつ半値幅５％のＸ線を試料に透過させた前後のスペクトルである。
【図４】ウランを含む試料に対して２種類の単色のＸ線を透過させた後のスペクトルである。
【図５】ウランを含まない参照資料に対して２種類の単色のＸ線を透過させた後のスペクトルである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態に係る元素分析装置の構成について説明する。この元素分析装置においては、レーザーコンプトン光発生手段によって発生した準単色あるいは単色のＸ線（ガンマ線）が試料に対して照射され、試料におけるこのＸ線の吸収が測定される。そのスペクトルは、分析対象の元素のＫ吸収端に応じて適宜設定される。なお、ここで、準単色の光（Ｘ線、ガンマ線）とは、エネルギースペクトルにおいて単一のピークをもつがその広がり（半値幅）が無視できないものを意味し、単色の光とは、単一のピークをもち、その広がりが実質的に無視できるものを意味する。あるいは、単色の光は、準単色の光のうち半値幅が特に小さな光を意味する。また、吸収端としては、Ｋ吸収端以外にも他の吸収端（Ｌ吸収端、Ｍ吸収端等）があり、同様に適用することができるが、以下ではＫ吸収端として説明する。
【００１８】
図１は、この元素分析装置１０の構成を示す。この元素分析装置１０においては、レーザーコンプトン光発生装置（レーザーコンプトン光発生手段）２０によって生成されたレーザーコンプトン光１００が試料２００に照射される。このレーザーコンプトン光１００及びこのレーザーコンプトン光１００が試料２００を透過した後の透過光１１０がＸ線検出器（検出手段）１２０で検出され、その検出信号がデータ処理部（データ処理手段）１３０で処理される。データ処理部１３０においては、まずこの検出信号が信号処理回路１３１で読み出され、データ記録装置１３２に記録される。ここで演算処理が行われ、Ｋ吸収端付近の吸収特性が分析される。なお、レーザーコンプトン光発生装置（レーザーコンプトン光発生手段）２０、Ｘ線検出器（検出手段）１２０、データ処理部（データ処理手段）１３０は、例えばコンピュータからなる制御部１４０によって制御される。
【００１９】
なお、実際には、試料２００として、本来の分析対象の試料と参照資料の２種類を用いることができる。それぞれの測定結果をデータ記録装置１４０で記憶し、解析に用いることができる。
【００２０】
この際の光源として用いられるレーザーコンプトン光発生装置２０の構成について説明する。このレーザーコンプトン光発生装置２０は、準単色あるいは単色のＸ線をレーザーコンプトン光１００として出力する。ここでは、周回軌道で加速された高エネルギー電子２１とレーザー光２２とが衝突部２３で衝突する設定とされ、この際に、可視光あるいは近赤外光であるレーザー光２２が高エネルギー電子２１からエネルギーを受け取ることにより、高エネルギー化（短波長化）し、Ｘ線、ガンマ線となったレーザーコンプトン光１００となる。後述するように、そのエネルギー、スペクトルの広がり（半値幅）を制御することが可能である。
【００２１】
電子入射器２４で発生した低エネルギー（例えば７ＭｅＶ以下）の電子は、合流磁石２５によってその進路が曲げられ、周回軌道内に投入される。この際、電子は、進行方向に対して有限な長さをもつバンチの形態とされる。この電子は、周回軌道における直線部（図１中の下側直線部）に設置された線形加速器２６で高周波加速される。すなわち、高周波の電界によって電子（バンチ）が加速される位相とされる。
【００２２】
周回軌道における両端には、１８０度偏向磁石２７が設置され、両端で電子はその進行方向を１８０度変えることにより、周回軌道とされ、繰り返し線形加速器２６に入射し、加速される。この際の加速に用いられる高周波に対し、電子が加速される位相となるように入射させることにより、線形加速器２６を通過させる毎にそのエネルギーを高めることができる。この際、エネルギーが高まる毎、すなわち線形加速器２６を通過する毎に、１８０度偏向磁石２７によって偏向する曲率半径が大きくなる。このため、図においては模式的に６回毎の周回軌道が示されている。この動作は、一般的にマイクロトロンとして知られる加速器と同様である。
【００２３】
これにより高エネルギー（例えば５０ＭｅＶ以上）とされた高エネルギー電子２１は、このうちの最も外側の軌道を通り、２つの偏向磁石２８によってその軌道が曲げられ、衝突部２３に導入される。
【００２４】
レーザー光源２９から発せられたレーザー光２２は、交差角調整部３０でその交差角（高エネルギー電子２１の進行方向に対する入射角度）が制御され、衝突部２３に導入され、高エネルギー電子２１と衝突する。この際の（逆）コンプトン効果により、レーザー光２２はレーザーコンプトン光１００として出力される。交差角調整部３０におけるこの交差角の制御は、反射鏡等の光学素子を機械的に移動させることによって容易に行われる。
【００２５】
この際、マイクロトロン型となる図１の構成においては、２個の１８０度偏向磁石２７を用いたコンパクトな構成によって例えば８０ＭｅＶ程度の高エネルギー電子２１を得ることができ、このエネルギーの高エネルギー電子２１から、１０〜１３０ｋｅＶ程度のエネルギーをもつレーザーコンプトン光１００（Ｘ線）を充分な輝度で得ることができる。すなわち、重元素のＫ吸収端エネルギーと同等のエネルギーをもつ高輝度のＸ線をコンパクトな構成で得ることができる。
【００２６】
その後、２つの偏向磁石２８を経て、高エネルギー電子２１は、再び線形加速器２６に入射するが、この際には、前記の加速の際と逆に、高周波電界によってこれが減速される位相で入射させる。すなわち、これに線形加速器２６を通過させることによってこれを減速する。この際、この減速されるバンチ（電子群）と共に、新たに電子入射器２４から入射したバンチを、これを加速する位相で線形加速器２６を通過させる。これにより、減速されるバンチのエネルギーを新たに加速するバンチに移行させることができる。この動作は、例えば特開２００４−１１９０９７号公報に記載されているエネルギー回収型線形加速器（ＥＲＬ：Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｌｉｎａｃ）と同様である。この際、古いバンチを減速させる度に新しいバンチを加速するという動作を行わせることが可能である。すなわち、このレーサーコンプトン光発生装置１０は、マイクロトロン型エネルギー回収型線形加速器として動作する。これにより、高効率の加速器として動作する。
【００２７】
その後、減速して低エネルギーとされた電子は、分岐磁石３１で周回軌道から外れるように偏向され、金属等でできたビームダンプ３２で吸収される。この際、充分に減速された（低エネルギー化された）状態でビームダンプ３２に吸収されるため、Ｘ線管で発生されるような高強度の制動放射光は発生しない。一方で、新たに加速されたバンチは、高エネルギー電子２１となって、再びレーザー光２２と衝突させ、レーザーコンプトン光１００を発生させることができる。このため、分析に直接用いるレーザーコンプトン光１００以外の放射線の発生は低減され、測定の精度を高めることが可能である。あるいは、放射線遮蔽設備を軽減することができる。
【００２８】
また、一般にレーザー光２２は単色であり、そのエネルギー（波長）は、レーザー光源２９の種類によって定まる。これに対して、高エネルギー電子２１のエネルギーは、線形加速器２６の動作条件（高周波条件）を変え、１８０度偏向磁石２７の磁界強度を変えること等により、設定できる。このため、線形加速器２６の動作条件等を設定することにより、レーザーコンプトン光１００のエネルギーを制御することが可能である。
【００２９】
単色の高エネルギー電子２１と単色のレーザー光２２とが正面衝突した場合には、その軌道上で得られるレーザーコンプトン光１００は単色となる。ただし、この軌道からはずれた方向にもレーザーコンプトン光１００は発せられ、この軌道からはずれた方向ではこれよりも低いエネルギーとなる。すなわち、レーザーコンプトン光１００のエネルギーにはこの発散角依存性がある。
【００３０】
同様に、高エネルギー電子２１とレーザー光２２とが正面衝突せず、ある交差角をもって衝突する場合には、試料２００に照射されるレーザーコンプトン光１００のエネルギーはこの交差角依存性をもつ。このため、交差角調整部３０によってこの交差角を制御することによっても、レーザーコンプトン光１００のエネルギーを制御することができる。
【００３１】
また、バンチ長が長い場合、バンチ内の電子のエネルギーは厳密には一定ではなく、例えばその進行方向に対するその先端部、中央部、末端部ではエネルギーは異なる。すなわち、高エネルギー電子２１は厳密には単色ではなく、準単色である。このスペクトルの広がりはバンチ長に依存する。このバンチ長は、電子入射器２４、線形加速器２６等で設定が可能である。このため、これによってレーザーコンプトン光１００を準単色とすることができ、そのスペクトルの広がりを制御することも可能である。この際、レーザー光２２の交差角を制御すれば、これによりレーザーコンプトン光１００のエネルギー（スペクトルのピーク）と単色性（スペクトルの広がり）を同時に制御することも可能である。
【００３２】
すなわち、このレーザーコンプトン光発生装置２０を用いて、準単色あるいは単色であり特に重元素に対するＫ吸収端計測法に好適なＸ線、ガンマ線をレーザーコンプトン光１００として得ることができる。
【００３３】
図１の構成においては、このレーザーコンプトン光１００、透過光１１０は、Ｘ線検出器１２０で検出される。Ｘ線検出器１２０は、半導体（ゲルマニウム）検出器や、シンチレーション検出器等、Ｘ線光子及びそのエネルギーを検出できる検出器が用いられる。信号処理回路１３１では、１個のＸ線光子の検出は、１個のパルスとして認識され、Ｘ線のエネルギーはこのパルス高として認識される。Ｘ線の強度は、単位時間当たりのパルス数として認識される。
【００３４】
以下では、実際にこのＸ線を用いた分析の例について説明する。
【００３５】
まず、準単色のＸ線を用いる場合について説明する。この場合には、レーザーコンプトン光１００のスペクトルのピークエネルギーを測定対象とする元素のＫ吸収端のエネルギーとほぼ一致させ、かつその前後の狭い領域もこのスペクトル中に含まれる設定とする。図２は、ウラン２００ｇ／ｌと、プルトニウム２０ｇ／ｌを含む３Ｎ−ＨＮＯ３溶液（厚さ２ｃｍ）を試料とし、ウランのＫ吸収端（エネルギー１１５．６ｋｅＶ）付近において、半値幅が３０％のＸ線が透過する前（実線）と後（点線）の計算結果である。
【００３６】
ここで、信号処理回路１３１によってＸ線はパルスとして認識されて計数される。この計数率（単位時間当たりの処理数）には上限があるため、元素の組成解析に必要なイベントのみが検出されることが好ましい。ここで、この元素の組成分析に必要なのは、Ｋ吸収端の前後の極近傍のみの結果である。Ｋ吸収端から離れたエネルギーのＸ線は不要であると共に、この検出によって本来検出したいエネルギー（Ｋ吸収端の極近傍）のＸ線の測定の障害となる。すなわち、図３においては、この不要なＸ線が多く含まれている。この元素の組成分析において用いられるのは、この検出された光子数の透過前後の比率であるが、これがこの不要なＸ線の影響を受けることは明らかである。また、検出強度自身は統計誤差をもち、この不要なＸ線の検出によっても統計誤差が発生する。このため、この比率が大きくなる方が組成分析の精度は高くなる。このためには、半値幅がＫ吸収端を含む範囲で狭くすることが有効である。また、半値幅が広い場合、その範囲内に対象となる元素以外の元素の吸収端がある場合には、その影響を受けることも明らかである。
【００３７】
これに対して、上記のレーザーコンプトン光１００は、上記の構成により、スペクトルの半値幅を５％程度とすることができる。この場合の上記と同様の試料の透過前後のスペクトルが図３である。この場合には、不要な箇所のＸ線が検出されないために、検出された光子数の透過前後の比率は高くなり、組成分析の精度が高まる。図２と図３の例では、図３の例（半値幅５％）の方が、図２の例（半値幅３０％）よりもＳ／Ｎ比が６倍高まる。
【００３８】
すなわち、準単色のレーザーコンプトン光１００のピークをＫ吸収端と一致させ、半値幅を５％程度とすることにより、Ｋ吸収端計測法における組成分析の精度が高まる。
【００３９】
次に、単色のレーザーコンプトン光１００を用いる場合について説明する。この場合には、２種類の単色の（単色とみなせる）レーザーコンプトン光１００を用いてＫ吸収端計測法を行う。この２つのエネルギーは、Ｋ吸収端を跨ぐ近接したエネルギーとされる。ここでは、このエネルギーをＥ１、Ｅ２とし、Ｅ１＜Ｋ吸収端エネルギー＜Ｅ２とする。測定対象となる元素を含まない試料（参照試料）を準備し、各々の２種類のレーザーコンプトン光１００の透過率からこの元素の組成を算出することができる。エネルギーＥ１をもつレーザーコンプトン光１００の試料２００における透過強度をＩ１（Ｅ１）とし、エネルギーＥ２をもつレーザーコンプトン光１００の試料２００における透過強度をＩ１（Ｅ２）とする。エネルギーＥ１をもつレーザーコンプトン光１００の参照資料における透過強度をＩ２（Ｅ１）とし、エネルギーＥ２をもつレーザーコンプトン光１００の参照資料における透過強度をＩ２（Ｅ２）とする。この場合、Ｅ１における試料２００の透過率Ｔ（Ｅ１）をＩ１（Ｅ１）／Ｉ２（Ｅ１）とし、Ｅ２における試料２００の透過率Ｔ（Ｅ２）をＩ１（Ｅ２）／Ｉ２（Ｅ２）とすることができる。この場合、対象とする元素のエネルギーＥのＸ線の吸収係数をμ（Ｅ）（ｃｍ２・ｇ）とすると、対象となる元素の濃度ρ（ｇ／ｌ）は、以下の式（１）で表される。ここで、Δμ＝μ（Ｅ１）−μ（Ｅ２）であり、ｄ（ｃｍ）は試料２００及び参照資料の光軸方向の厚さである。
【００４０】
【数１】
【００４１】
例えば非特許文献１に記載される分析方法においては、連続スペクトルが用いられるため、Ｘ線検出器１２０の出力において、スペクトルの波高分析が必要になるため、幅広いエネルギー範囲で検出された検出信号（イベント）を信号処理回路が全て計数する必要がある。これに対して、上記の場合には、予め定められた狭い範囲（Ｅ１近傍とＥ２近傍）で検出されたイベントのみを信号処理回路１３１で計数すればよい。このため、結局、単位時間に計数できるイベント数が、非特許文献１における連続スペクトルを用いる場合には例えば２×１０４／ｓ程度であった。これに対して、上記の場合には、１０９／ｓ程度のイベント数の場合も計数することができる。計数速度は、Ｘ線（レーザーコンプトン光１００）の輝度に依存するが、上記の構成のレーザーコンプトン光発生装置２０においては、１０７ｐｈｏｔｏｎ／ｋｅＶ／ｓとすることも可能であり、計数率を５×１０２倍とすることができる。
【００４２】
図４は、ウラン２００ｇ／ｌと、プルトニウム２０ｇ／ｌを含む３Ｎ−ＨＮＯ３溶液（ｄ＝２ｃｍ）を試料とし、ウランのＫ吸収端である１１５．６ｋｅＶに対応して、Ｅ１＝１１４．４ｋｅＶ（点線）、Ｅ２＝１１６．８ｋｅＶ（実線）とした場合（点線）の、試料における透過後のスペクトルである。どちらにおいても半値幅は１％である。図５は、参照試料となる、プルトニウム２０ｇ／ｌのみを含む３Ｎ−ＨＮＯ３溶液に対する同様の２つのＸ線の透過後のスペクトルである。この結果より、（１）式におけるＴ（Ｅ１）／Ｔ（Ｅ２）が算出でき、ρが算出できる。
【００４３】
ここで用いられるような、近接したピークエネルギーをもち、単色とみなせるＸ線を上記の構成のレーザーコンプトン光発生装置２０で発生させることが可能である。
【００４４】
こうした測定を行う場合には、２つのレーザーコンプトン光１００のピークエネルギーをＫ吸収端の前後とするが、２つのレーザーコンプトン光１００のスペクトルを離すことが好ましい。このため、具体的には、これらのピークエネルギーの差分を、それぞれの半値幅の２倍程度とすることが好ましい。例えば、半値幅が１％である場合には、Ｅ２とＥ１の差分はＫ吸収端エネルギーの２％程度とすればよい。こうした設定は、上記の通り、このレーザーコンプトン光発生装置２０においては容易に行われる。
【００４５】
また、この場合、統計誤差を低減して高精度の結果を得るためには、ピークがＥ１のレーザーコンプトン光１００とＥ２のレーザーコンプトン光１００とを例えば数秒程度の間隔で交互に切り替えることが好ましい。これにより、レーザーコンプトン光１００の強度変動等がある場合等にも、高精度で分析を行うことが可能である。また、こうした構成は、例えば交差角調整部３０によってレーザー光２２の交差角を変化（振動）させることによって容易に行うことができる。
【００４６】
なお、上記の例では、高エネルギー電子２１とレーザー光２２との衝突によってレーザーコンプトン光を発生させる例について記載した。しかしながら、電子の代わりに、準単色の高エネルギービームとすることができる他の粒子、例えば陽電子を用いても同様にレーザーコンプトン光が得られることは明らかである。すなわち、他の高エネルギー粒子線とレーザー光との衝突によって発生したレーザーコンプトン光を用いることも可能である。
【００４７】
また、上記以外の構成であっても、（１）高エネルギー粒子線とレーザー光とを衝突部において衝突させた際のコンプトン効果によって発生した高エネルギー光であり、分析対象元素の吸収端前後のエネルギーを含むスペクトルをもつレーザーコンプトン光を、記試料に照射する照射工程、（２）このレーザーコンプトン光が試料を透過した後の透過光の強度を検出する検出工程、（３）この透過光の強度を用いて元素の組成分析を行う解析工程、を具備する元素分析方法が行えることは明らかである。この場合においても、レーザーコンプトン光の性質により、重元素、軽元素等、各種の元素のＫ吸収端計測法を高精度で行うことができる。
【００４８】
また、上記の例では、分析対象となる元素のＫ吸収端を用いるＫ吸収端計測法として説明したが、他の吸収端を用いても、同様の分析を行うことができることは明らかである。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 元素分析装置
２０ レーザーコンプトン光発生装置（レーザーコンプトン光発生手段）
２１ 高エネルギー電子
２２ レーザー光
２３ 衝突部
２４ 電子入射器
２５ 合流磁石
２６ 線形加速器
２７ １８０度偏向磁石
２８ 偏向磁石
２９ レーザー光源
３０ 交差角調整部
３１ 分岐磁石
３２ ビームダンプ
１００ レーザーコンプトン光
１１０ 透過光
１２０ Ｘ線検出器（検出手段）
１３０ データ処理部（データ処理手段）
１３１ 信号処理回路
１３２ データ記録装置
１４０ 制御部
２００ 試料
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料における分析対象となる元素の吸収端の前後のエネルギーにおけるＸ線吸収特性から、前記元素の組成分析を行う元素分析装置であって、
高エネルギー粒子線とレーザー光とを衝突部において衝突させた際のコンプトン効果によって高エネルギー光となったレーザーコンプトン光を発生させ、前記試料に照射するレーザーコンプトン光発生手段と、
前記レーザーコンプトン光が前記試料を透過した透過光の強度を検出する検出手段と、
当該検出手段の検出結果を用いて前記元素の組成分析を行うデータ処理手段と、
を具備することを特徴とする元素分析装置。
【請求項２】
前記レーザーコンプトン光発生手段は、
前記衝突部における前記レーザー光と前記高エネルギー粒子線との交差角を調整する交差角調整部を具備することを特徴とする請求項１に記載の元素分析装置。
【請求項３】
前記レーザーコンプトン光発生手段は、
２個の１８０度偏向磁石と、当該２個の１８０度偏向磁石との間に配置された線形加速器の間で前記高エネルギー粒子線を周回軌道に乗せて加速するマイクロトロン型の加速器を具備することを特徴とする請求項１又は２に記載の元素分析装置。
【請求項４】
前記線形加速器には、前記高エネルギー粒子線を構成する２つのバンチが同時に入射する構成とされ、
前記線形加速器における高周波加速に用いられる高周波が、一方のバンチを加速する位相とされ、かつ他方のバンチを減速させる位相とされることを特徴とする請求項３に記載の元素分析装置。
【請求項５】
試料における分析対象となる元素の吸収端の前後のエネルギーにおけるＸ線吸収特性から、前記元素の組成分析を行う元素分析方法であって、
高エネルギー粒子線とレーザー光とを衝突部において衝突させた際のコンプトン効果によって発生した高エネルギー光であり前記吸収端前後のエネルギーを含むスペクトルをもつレーザーコンプトン光を、前記試料に照射する照射工程と、
前記レーザーコンプトン光が前記試料を透過した後の透過光の強度を検出する検出工程と、
前記透過光の強度を用いて前記元素の組成分析を行う解析工程と、
を具備することを特徴とする元素分析方法。
【請求項６】
半値幅の中に前記吸収端のエネルギーを含むスペクトルをもつ準単色のレーザーコンプトン光が用いられることを特徴とする請求項５に記載の元素分析方法。
【請求項７】
前記吸収端のエネルギーを跨ぐ２つのエネルギーをそれぞれのピークエネルギーとする単色の２つのレーザーコンプトン光が用いられることを特徴とする請求項５に記載の元素分析方法。
【請求項８】
前記衝突部における前記レーザー光と前記高エネルギー粒子線との交差角を調整することによってピークエネルギーが設定された前記２つのレーザーコンプトン光が用いられることを特徴とする請求項７に記載の元素分析方法。
【請求項１】
試料における分析対象となる元素の吸収端の前後のエネルギーにおけるＸ線吸収特性から、前記元素の組成分析を行う元素分析装置であって、
高エネルギー粒子線とレーザー光とを衝突部において衝突させた際のコンプトン効果によって高エネルギー光となったレーザーコンプトン光を発生させ、前記試料に照射するレーザーコンプトン光発生手段と、
前記レーザーコンプトン光が前記試料を透過した透過光の強度を検出する検出手段と、
当該検出手段の検出結果を用いて前記元素の組成分析を行うデータ処理手段と、
を具備することを特徴とする元素分析装置。
【請求項２】
前記レーザーコンプトン光発生手段は、
前記衝突部における前記レーザー光と前記高エネルギー粒子線との交差角を調整する交差角調整部を具備することを特徴とする請求項１に記載の元素分析装置。
【請求項３】
前記レーザーコンプトン光発生手段は、
２個の１８０度偏向磁石と、当該２個の１８０度偏向磁石との間に配置された線形加速器の間で前記高エネルギー粒子線を周回軌道に乗せて加速するマイクロトロン型の加速器を具備することを特徴とする請求項１又は２に記載の元素分析装置。
【請求項４】
前記線形加速器には、前記高エネルギー粒子線を構成する２つのバンチが同時に入射する構成とされ、
前記線形加速器における高周波加速に用いられる高周波が、一方のバンチを加速する位相とされ、かつ他方のバンチを減速させる位相とされることを特徴とする請求項３に記載の元素分析装置。
【請求項５】
試料における分析対象となる元素の吸収端の前後のエネルギーにおけるＸ線吸収特性から、前記元素の組成分析を行う元素分析方法であって、
高エネルギー粒子線とレーザー光とを衝突部において衝突させた際のコンプトン効果によって発生した高エネルギー光であり前記吸収端前後のエネルギーを含むスペクトルをもつレーザーコンプトン光を、前記試料に照射する照射工程と、
前記レーザーコンプトン光が前記試料を透過した後の透過光の強度を検出する検出工程と、
前記透過光の強度を用いて前記元素の組成分析を行う解析工程と、
を具備することを特徴とする元素分析方法。
【請求項６】
半値幅の中に前記吸収端のエネルギーを含むスペクトルをもつ準単色のレーザーコンプトン光が用いられることを特徴とする請求項５に記載の元素分析方法。
【請求項７】
前記吸収端のエネルギーを跨ぐ２つのエネルギーをそれぞれのピークエネルギーとする単色の２つのレーザーコンプトン光が用いられることを特徴とする請求項５に記載の元素分析方法。
【請求項８】
前記衝突部における前記レーザー光と前記高エネルギー粒子線との交差角を調整することによってピークエネルギーが設定された前記２つのレーザーコンプトン光が用いられることを特徴とする請求項７に記載の元素分析方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１８１３６（Ｐ２０１２−１８１３６Ａ）
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５７１１５（Ｐ２０１０−１５７１１５）
【出願日】平成２２年７月９日（２０１０．７．９）
【出願人】（５０５３７４７８３）独立行政法人日本原子力研究開発機構 (727)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月９日（２０１０．７．９）
【出願人】（５０５３７４７８３）独立行政法人日本原子力研究開発機構 (727)
【Ｆターム（参考）】
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