Ｘ線画像検査装置
【課題】Ｘ線吸収の少ない材質で構成される試料を、高分解能で撮影可能としたＸ線画像検査装置を提供する。
【解決手段】Ｘ線画像検査装置１００は、１０ｋｅＶ以下のＫα特性Ｘ線を発生するＸ線ターゲット５を有する特性Ｘ線発生器１０と、ペルチエ素子２２により冷却される直接入射型冷却Ｘ線ＣＣＤ検出器２０と、を備える。特性Ｘ線発生器１０とＸ線ＣＣＤ検出器との間に配置された試料４０を回転させ、試料４０を透過したＸ線を検出することにより撮像する。Ｘ線ターゲット５は、原子番号が２０から３０までの金属で形成することができる。さらにクロム、銅、ニッケル、鉄のいずれか１つを選択することができる。
【解決手段】Ｘ線画像検査装置１００は、１０ｋｅＶ以下のＫα特性Ｘ線を発生するＸ線ターゲット５を有する特性Ｘ線発生器１０と、ペルチエ素子２２により冷却される直接入射型冷却Ｘ線ＣＣＤ検出器２０と、を備える。特性Ｘ線発生器１０とＸ線ＣＣＤ検出器との間に配置された試料４０を回転させ、試料４０を透過したＸ線を検出することにより撮像する。Ｘ線ターゲット５は、原子番号が２０から３０までの金属で形成することができる。さらにクロム、銅、ニッケル、鉄のいずれか１つを選択することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線画像検査装置に関し、特に、特性Ｘ線を用いて検査対象を撮像するＸ線画像検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
物質の透過力が高いＸ線を使ったイメージングは、医療診断のほか、工業材料、電子部品等の非破壊検査の分野で幅広く使われている。特に、非破壊検査の分野では、焦点サイズがミクロンオーダーのマイクロフォーカスＸ線発生器の開発が進み、空間分解能が大幅に向上してきた。マイクロフォーカスＸ線発生器は、加速した電子線をターゲット金属上に収束させ、ターゲット金属上のＸ線焦点のサイズをミクロンオーダーとすることによって、Ｘ線透過像の高分解能化を図るものである。
【０００３】
従来、工業用非破壊検査の分野で広く使われているＸ線検査装置の測定対象は、金属部材や電子部品、半導体基板などで、厚みのある金属やＸ線減衰の大きな金、スズ、鉛など原子番号の大きい材質からなるものが多かった。このようなＸ線検査装置は、透過力の大きな高エネルギーＸ線発生器と、高エネルギーＸ線を効率よく捕集して可視光に変換するシンチレータ付きの検出器で構成されるものが一般的であり、空間分解能の追求が行われてきた。
【０００４】
今日、測定対象が従来の金属部品から錠剤、生体、高分子、繊維、ファインセラミックスなどに移行し、バイオ医薬、化粧品、食品関連での応用が広がっている。これらの柔らかい物質は原子番号の低い元素、すなわちＸ線吸収の少ない材質で構成されることが多い。Ｘ線画像での分解能はＸ線吸収差にも依存するため、空間分解能の評価に加え、Ｘ線吸収のわずかな差異を識別するための、濃度またはコントラスト分解能を同時に向上させることが必要となる。
【０００５】
しかし、現在の高分解能のＸ線画像検査装置では、タングステンをターゲットとした白色スペクトルのＸ線発生器を使用している（下記特許文献１参照）。タングステンは融点も高く（３６６０Ｋ）、温度拡散率も比較的高い（銅の約４６％）ので、電子線収束による局所的な温度上昇に対して損傷することが少ない。したがって、診断用Ｘ線発生器としても、工業用非破壊検査のＸ線発生器のターゲットとしても、広く一般的に用いられている。
【０００６】
図１は、タングステンターゲットのＸ線管スペクトルを示す図である。図１から分かるように、タングステンターゲットから発生するスペクトルは、加速電子の印加電圧の範囲で広く分布する制動放射による連続Ｘ線と、元素外殻電子の遷移による単一波長の特性Ｘ線（Ｋα１＝５９．３ＫｅＶ、Ｋβ１＝６７．２ＫｅＶ）が合成されたスペクトルとなっている。したがって、通常のＸ線検査装置では、Ｘ線発生器からのＸ線は白色スペクトルのＸ線となり、様々な波長のＸ線成分が交じり合ったＸ線となって被写体を透過し、検出面に透過画像を形成する。
【０００７】
一方、ある物質のＸ線吸収率は、Ｘ線フォトンのエネルギーによって異なる。このため、画像の輝度変化すなわちコントラストが、物質の密度ないし成分を反映したものとはならず、同じ物質であってもＸ線エネルギーによって画像の輝度が変化してしまう。Ｘ線スペクトルが通常のＸ線管のように異なるエネルギー成分の総和である場合、結果として検出器に記録される輝度は、これらの透過成分の積分値となる。検出されるＸ線強度はエネルギーに依存するため、異なるエネルギーの積分値で決まる輝度は、被写体の成分や透過距離に一意の輝度値ではなくなり、被写体のコントラスト分解能が低下することとなる。
【０００８】
従来のように測定対象が電子部品や金属部品である場合、構成成分はＸ線減衰の大きな原子番号の大きな元素であることが多く、多少のコントラストの誤差は検査結果に影響を及ぼすことは少なかった。しかし、測定対象が生体材料や高分子、医薬品の場合、構成元素は炭素、酸素、水素、窒素など原子番号の小さい材料からなる場合が多く、高いコントラスト分解能が必要となる。
【０００９】
コントラストを高める方法として、単色Ｘ線を発生する放射光施設で行われている単色Ｘ線イメージングがある（下記非特許文献１参照）。放射光施設では、連続スペクトルのＸ線からモノクロメーターにより単一波長のＸ線を取り出す事が可能であり、Ｘ線管の１０3〜１０6倍もの高輝度なＸ線が得られる。また、Ｂｒａｇｇ反射角度を適切に設定することで、任意の波長のＸ線を取り出すことができる。しかしながら、実験設備を放射光施設内に持ち込んで設置することや、限られた機会のマシンタイム内にデータを取得する必要性のため、単色Ｘ線によるイメージングには多くの制約が課される。
【００１０】
実験室での単色Ｘ線を利用したイメージングの試みは、レーザープラズマＸ線源を用いたＸ線顕微鏡の分野で開発が進んでいる（下記非特許文献２参照）。全反射を利用したウォルター型や、多層膜反射鏡を用いたシュバルツシルト型、ゾーンプレート型のＸ線顕微鏡があり、１ｋｅＶ以下の低エネルギーＸ線で、ユスリカの染色体やＨｅＬａ細胞のイメージングが行われている。これらのＸ線顕微鏡の空間分解能は０．１μｍのオーダーで、Ｘ線光学デバイスを用いて拡大撮影することにより、高い空間分解能を実現している。
【００１１】
図２は、質量減衰係数のＸ線エネルギー依存性を示す図で、図３は、空気中のＸ線の透過距離とＸ線強度の減衰との関係を示す図である。図２に示すように、Ｘ線吸収係数は、Ｘ線エネルギーの減少とともに大きく増加するため、１ｋｅＶ以下のＸ線は、単一の細胞が識別できる程度の高いコントラスト分解能となっている。一方、図３に示すように、１ｋｅＶ以下のＸ線は空気中で容易に減衰し、空気中に置かれる体積の大きな被写体の撮影には適していない。また、Ｘ線発生源となる高輝度レーザーや、Ｘ線波長オーダーの高精度の光学デバイスのコストが大きな負担となり、産業的に普及することが難しい。
【００１２】
なお、マイクロフォーカスＸ線と直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器の構成が公知であるが、タングステンターゲットのマイクロフォーカスＸ線発生器で空間伝播の位相コントラスト撮影を目的としたものである（下記非特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００７−４２５１６号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】兵藤一行、安藤正海, 放射光単色X線を用いた冠動脈診断システムの開発, Photon Factory News, 2001 Vol.18, No.3, 2001
【非特許文献２】W. Chao, B.D. Harteneck, J.A. Liddle, E.H. Anderson and D.T. Attwood, "Soft X-ray Microscopy at a Spatial Resolution better than 15 nm," Nature, 435, 1210-1213 (2005).
【非特許文献３】Uchida H., Torii K., Tsunemi H., “Quantitative Method of Measuring Spot Size of Microfocus X-ray Generator”, Japanese Journal of Applied Physics, Vol.45, No.5A, 2006, pp.5277-5283
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、上記問題に鑑み、原子番号の低い元素、すなわちＸ線吸収の少ない材質で構成される試料を、高分解能で撮影可能としたＸ線画像検査装置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】
【００１６】
本発明のＸ線画像検査装置は、上記目的を達成するために、１０ｋｅＶ以下のＫα特性Ｘ線を発生するＸ線ターゲットを有する特性Ｘ線発生器と、直接入射型冷却Ｘ線ＣＣＤ検出器と、を備え、前記Ｋα特性Ｘ線発生器と前記直接入射型冷却Ｘ線ＣＣＤ検出器との間に配置された試料を透過したＸ線を検出することにより撮像することを特徴とする。
【００１７】
前記Ｘ線ターゲットは、原子番号が２０から３０までの金属から形成されることができ、さらに、クロム、銅、ニッケル、鉄のいずれか１つとすることができる。
【００１８】
前記Ｘ線ターゲットのＸ線焦点サイズは、１μｍ以上で５０μｍ以下とすることができる。
【００１９】
前記特性Ｘ線発生器と直接入射型冷却Ｘ線ＣＣＤ検出器との間のＸ線経路中に、両端にＸ線透過膜を備えた、真空の密閉容器またはヘリウムガスを充填した密閉容器を配置することもできる。
【発明の効果】
【００２０】
１０ｋｅＶ以下の特性Ｘ線を強く発生するターゲット材を有するＸ線発生器と、直接入力ＣＣＤ検出器とを組み合わせることにより、Ｘ線発生器では単色Ｘ線に近い準単色Ｘ線を発生させ、検出器側では特性Ｘ線より高いスペクトル成分を除去して単色性を高めることができ、数ｍｍオーダーの被写体をミクロンオーダーの空間分解能で撮影が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】タングステンターゲットのＸ線スペクトルを示す図である。
【図２】質量減衰係数のＸ線エネルギー依存性を示す図である。
【図３】空気中のＸ線透過距離とＸ線強度の減衰を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態であるＸ線画像検査装置を示す図である。
【図５】１０ｋｅＶ以下の特性Ｘ線を発生する元素の伝熱特性の表を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に使用される透過型Ｘ線発生装置を示す図である。
【図７】Ｘ線ＣＣＤ検出器の受光感度を示す図である。
【図８】直接入射型X線ＣＣＤ検出器とシンチレータ型フラットパネル検出器の撮影条件を比較した表を示す図である。
【図９】Ｘ線の真空透過経路である密閉容器を付加した本発明の一実施形態の特性Ｘ線画像検査装置を示す図である。
【図１０】（ａ）（ｂ）は、空気減衰によるクロムターゲットＸ線発生器スペクトルの変化を示す図である。
【図１１】クロムターゲットのマイクロフォーカスＸ線発生器による空間分解能の確認を示す図である。
【図１２】クロムターゲットの特性Ｘ線スペクトルを示す図である。
【図１３】銅ターゲットの特性Ｘ線スペクトルを示す図である。
【図１４】１０ｋｅＶ以下における銅とタングステンターゲットの特性Ｘ線スペクトル強度の比較を示す図である。
【図１５】シンチレータ付フラットパネル検出器と直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器の画像比較（銅ターゲットＸ線発生器使用）を示す図である。
【図１６】タングステンターゲットとクロムターゲットＸ線発生器による画像比較（直接入射型Ｘ線ＣＣＤカメラ使用）を示す図である。
【図１７】ポリ塩化ビニリデンフィルムステップによるコントラスト感度比較を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図４は、本発明の一実施形態であるＸ線画像検査装置を示す図である。Ｘ線画像検査装置１００は、特性Ｘ線を発生するＸ線発生器１０と、試料４０を透過したＸ線を検出するＸ線検出器２０とからなる。
【００２３】
Ｘ線発生器１０は、内部を真空に排気した後密封して形成された密封管９を有する。密封管９内の一端には、電子線４を発生するカソード１、電子線４を制御するグリッド２、加速された電子線４を収束する静電レンズ３が備えられる。さらに、密封管９内には、収束した電子線４が衝突するアノードとなるターゲット５、ターゲット５を支持するとともに冷却を行うターゲット支持部材６が配置されている。ターゲット支持部材６は、冷却水８が流れる冷却通路７を備える。密封管９は、ターゲット５から発生するＸ線を管外に取り出すためのＸ線窓９１を備える。
【００２４】
なお、電子線４を発生するカソード１は、電子を放出するカソードとカソードを加熱するコイルとに代えることもできる。また、グリッドは複数個用いてもよい。さらに、ターゲット支持部材は、図４に示すものに限定されず、無酸素銅ロッドを用い、無酸素銅ロッドの傾斜した端面にターゲット材を埋め込むようなものでもよい。
【００２５】
電源（図示せず）に接続されて加熱されたカソード１から発生した電子線４は、アノードであるターゲット５に向かって、高圧電界で加速される。加速された電子線４は静電レンズ３により、ターゲット５上の一点に収束する。収束電子線４が衝突するターゲット５上の一点からＸ線が発生し、Ｘ線窓９１から外部へ照射される。
【００２６】
Ｘ線発生装置１０から照射されたＸ線は、試料台３０にセットされた試料４０を透過してＸ線検出器２０に入射する。試料台３０は試料４０を回転可能に構成され、試料４０を回転させることにより試料を透過したＸ線のＣＴ画像を得ることができる。本実施形態では、Ｘ線検出器２０は、直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器を使用する。このＸ線ＣＣＤ検出器は、ペルチエ素子２２により冷却される。
【００２７】
従来から使用されているタングステンターゲットのＫα特性Ｘ線は５７ｋｅＶ以上にあるため、５７ｋｅＶ以下では連続Ｘ線の白色スペクトルが発生し、低エネルギー領域でのコントラストの向上は期待できない。本実施形態のターゲット５は、１０ＫｅＶ以下の単一波長の特性Ｘ線を発生させ、被写体となる生体材料や高分子材料の厚さ数ｍｍを透過する強度を有し、かつ高コントラストの画像を得ることができるようなターゲット材料を用いる。
【００２８】
ところで、Ｘ線発生用ターゲットに衝突する加速電子の運動エネルギーのうち、Ｘ線フォトンに伝えられるのはわずか１％未満であり、残りのエネルギーは熱としてターゲットに蓄積される。タングステンターゲットは、Ｘ線融点が高く、伝熱特性に優れているので、従来の画像形成用のＸ線発生装置用に用いられている。しかし、特性Ｘ線に着目すると、タングステンのような原子番号が大きい元素では、発生する特性Ｘ線のエネルギーも高い（タングステンのＫα１＝５９．３ＫｅＶ、Ｋβ１＝６７．２ＫｅＶ、図１参照）。
【００２９】
本実施形態が測定対象とする生体材料や高分子化合物の減衰係数は、Ｘ線のエネルギーが高くなるほど減少する（図２参照）。そのため、タングステンから発生するＸ線でのイメージングでは、Ｘ線エネルギーが高く、コントラストがつきにくい。
【００３０】
図５は、１０ｋｅＶ以下の特性Ｘ線を発生する元素の伝熱特性の評価の表を示す図である。１０ｋｅＶ以下の特性Ｘ線を発生するターゲット材質として原子番号が２０〜３０番の材質が挙げられる。図５では、原子番号が２０〜３０番の元素のうち、チタン（原子番号２２）、クロム（原子番号２４）、鉄（原子番号２６）、ニッケル（原子番号２８）、銅（原子番号２９）、亜鉛（原子番号３０）の伝熱特性が評価されている。表の最下段には、参考のためにタングステン（原子番号７２）の特性が記載されている。
【００３１】
なお、原子番号２０〜３０番の間には、図５に挙げた元素以外に、カルシウム（原子番号２０）、スカンジウム（原子番号２１）、バナジウム（原子番号２３）、マンガン（原子番号２５）、コバルト（原子番号２７）がある。しかしながら、特に加工性に優れ、バルク材として安価に市販されているのは、図５の表に示した金属群である。
【００３２】
ターゲット上に収束する電子線のサイズがＸ線の発生点、すなわちＸ線焦点であるが、これが小さいほど、ピンポイントの光源となり、投影像は鮮鋭になる。ちなみに、今日、タングステンターゲットのマイクロフォーカスＸ線発生器の焦点サイズは、数１０μｍ以下が一般的で、１μｍ以下の装置も市販されている。
【００３３】
しかしながら、鮮鋭な画像を得る目的で、焦点サイズを小さくしていくと、局所的にターゲット材に蓄積する熱量が増加する。局所的に温度が上昇して融点をこえると、ターゲット材の融解と損傷がおきる。そこで、ターゲット材の伝熱性能を考慮して、実用的な範囲で焦点サイズを決定し、ターゲット材の許容熱容量の範囲内で、管電圧と管電流を決定する必要がある。
【００３４】
１０ｋｅＶ以下の特性Ｘ線を使ったイメージングの場合、ターゲット材の熱的制限の目安となるのが、図５に示す伝熱係数と融点係数の積である。図５の表では、温度拡散率の最も高い銅との比を基準として伝熱係数を定義し、融点の最も高いタングステン（３６６０Ｋ）との比を基準として融点係数を定義した。これらの積を比較することにより、熱伝導と融点の観点からＸ線ターゲット材として優位な金属の順位付けが可能となる。参考に記載したタングステンを除き、最も熱的な特性に優れているのが銅で、クロム、ニッケル、亜鉛、チタン、鉄の順となる。
【００３５】
具体的に伝熱係数と融点係数の積をみると、タングステンの場合に比べ、銅では約１／２の出力、クロム、ニッケル、亜鉛では１／８の出力となる。一方、鉄やチタンは１／１６から１／２０の出力に制限される。この場合、主としてＸ線の管電流が制限されることとなり、Ｘ線フラックスが減少し、Ｘ線透過像の画質の低下につながる。
【００３６】
しかし、銅、クロム、ニッケル、亜鉛などの金属ターゲットからのＸ線を、直接入射型Ｘ線ＣＣＤで検出する場合は、Ｘ線フラックスが低下しても、検出器側で比較的長い露光時間を設定することで画質の低下を防ぎつつ、１０ｋｅＶ以下の特性Ｘ線でのコントラスト分解能の高い透過像を得ることが可能となる。本実施形態においては、Ｘ線焦点のサイズは、５０μｍ以下で、１μｍ以上とするのが好適である。
【００３７】
クロムおよび銅にはＫα特性Ｘ線よりエネルギーは高いが強度の低いＫβ特性Ｘ線のピークがある。Ｘ線スペクトルの単色化を図るには、これらの成分を除去し、できるだけ単一ピークのＸ線スペクトルを利用することが望ましい。しかし、Ｘ線イメージングの場合はコントラスト造影に寄与するフォトン数が減少するので、フォトン数を確保しつつ、フィルターを最適化していく必要がある。これはＸ線回折に用いられるＸ線発生器の最適化と異なる点である。
【００３８】
一方で、図２に示されるように、イメージングに適した強度の強い特性Ｘ線（Ｋα１）を見ると、銅は８．１ｋｅＶと、他の金属よりエネルギーが高く、クロムは５．４ｋｅＶ、最も低いのがチタンの４．５ｋｅＶとなる。数ｍｍのバルク被写体を透過するためには、エネルギーが高い方が望ましいが、一方でコントラスト分解能を高めるには、エネルギーが低いほうが望ましい。
【００３９】
したがって、ターゲット材質としては、銅、クロム、ニッケル、亜鉛、チタン、鉄を採用するのが好ましく、その中でも銅、クロムが望ましい。銅とクロムは、測定対象に応じて選択するのがよい。例えば、比較的大きなＸ線強度の必要な、例えば薄い骨などは銅のターゲットを使用するのが有利である。これに対して、やわらかいスポンジ、コラーゲンなどにはクロムのターゲットを使用するのが有利である。
【００４０】
生体材料や高分子材料は、ミクロンオーダーの微細構造が配向性を持っていたり、分散材や結晶構造が方向性を持っていたり、多孔質構造であったりするので、コントラスト分解能に加えて、高い空間分解能も必要となる。本実施形態では、１０ｋｅＶ以下のＫα特性Ｘ線を発生するクロム、銅などのターゲットによるマイクロフォーカス化を実現した。これによって、特性Ｘ線の準単色化によるコントラスト分解能向上させるとともに、ミクロンオーダーの空間分解能を達成することが可能となった。
【００４１】
Ｘ線発生器には、本実施形態で採用した密封管と、真空ポンプを備え、真空引きして使用する開放管があるが、開放管であっても本発明を適用することができる。また、Ｘ線発生器は、ターゲット構造により分類され、本実施形態で採用した反射型ターゲットを有する反射型Ｘ線発生器と、透過型ターゲットを有する透過型Ｘ線発生装置がある。透過型Ｘ線発生装置であっても本発明を適用することができる。
【００４２】
図６は、透過型Ｘ線発生装置を示す図で、図４の反射型Ｘ線発生装置と同様の参照番号を付してある。
【００４３】
透過型Ｘ線発生装置では、電子線が照射されるターゲット５５を薄く形成し、Ｘ線透過窓を兼用する。ターゲット５の電子が衝突する面とは反対の面からＸ線を発生させる。すなわちＸ線をターゲットを透過させて発生させる。透過型Ｘ線発生装置は、測定物あるいは検査物をＸ線発生点の極近傍めで近づけることができるので、大きな拡大が可能である。ただし、Ｘ線の出力は小さい。これに対して、本実施形態の反射型ターゲットは、厚く形成することができ、大容量の電子線を照射できるので大出力のＸ線を発生することができる。
【００４４】
本発明は、反射型ターゲットを有する密封管、透過型ターゲットを有する密封管、反射型ターゲットを有する開放管、透過型ターゲットを有する開放管、のいずれにも適用できる。
【００４５】
以下、本実施形態で採用した直接入射型のＣＣＤ検出器について説明する。直接入射型のＣＣＤ検出器は常温で動作させると熱雑音を発生し、蓄積した画素の輝度値を乱すので、熱雑音を下げるために、−２０℃以下に冷却して使用する。
【００４６】
従来使用されているＸ線画像検出器としては、Ｘ線フィルムのほかに、イメージインテンシファイア（ＣＣＤ型）、フラットパネル（ＣＭＯＳ型）などがあり、これらの検出器には、シンチレータとしてＣｓＩ：Ｔｌ、ＧＯＳ（Ｇｄ2Ｏ2Ｓ：Ｔｂ）、ＣｄＷＯ4等が用いられている。シンチレータは固有のＸ線エネルギー感度曲線をもち、高エネルギーＸ線に対する応答は良いが、低エネルギーＸ線に対しては感度が低い特性をもつ。したがって、生体材料や高分子材料のコントラストを高めるために、低エネルギーの特性Ｘ線を使用すると、これらのシンチレータでは発光強度が弱く、暗い画像となってしまう。
【００４７】
また、シンチレータを介したＸ線イメージング装置では、Ｘ線が一旦可視光に変換され、その可視光を可視領域のＣＭＯＳまたはＣＣＤカメラで画像化する。しかし、Ｘ線から輝度値までの２段階の信号変換は、入射Ｘ線エネルギーに対して、非線形な応答を示す。そのため、入射Ｘ線フォトンエネルギーに比例したコントラストが得られない。
【００４８】
これに対して、直接入射型のＣＣＤ検出器は、各画素において、入射Ｘ線フォトンエネルギーに比例した電荷を発生し、これを直接検出できる。これによりコントラスト分解能を高めることができる。
【００４９】
図７は、直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器の受光感度を示す図である。ＣＣＤの受感部となる空乏層は厚さ数μｍのシリコンであるため、入射Ｘ線エネルギーが大きいと、貫通してしまい、Ｘ線を検出できない。また、Ｘ線エネルギーが小さすぎると受感部に到達するフォトン数が減少し、電荷発生量が低下する。
【００５０】
図７に示す直接入射型ＣＣＤ検出器の受光感度すなわち検出効率の特性は、本実施形態のコントラスト分解能を高める上で大きな役割を果たす。直接入射型Ｘ線ＣＣＤの場合、約３〜４ｋｅＶに検出効率のピークがある。したがって、検出効率からみると、クロム（Ｋα１：５．４ｋｅＶ）、チタン（Ｋα１：４．５ｋｅＶ）が好ましい。これより大きなＸ線エネルギーでは、検出効率は低下し、例えば銅のＫα１（＝８．１ｋｅＶ）では、５〜６％の検出効率となる。つまり、直接入射型Ｘ線ＣＣＤでは、１０ｋｅＶ以上のＸ線を透過させてしまう、高エネルギーＸ線透過フィルターの役割を果たす。
【００５１】
１０ｋｅＶ以上のＸ線を透過するというのは、従来のＸ線フィルターにはない直接入射型Ｘ線ＣＣＤの特徴である。従来、Ｘ線スペクトルの帯域通過フィルターとして用いられてきたのは、Ｘ線回折等に用いられてきた金属元素のＫ殻吸収端を利用したフィルターであるが、これらは白色Ｘ線スペクトルの高エネルギー成分を十分に低下させることができなかった。
【００５２】
ところが、１０ｋｅＶ以下の特性Ｘ線を強く発生させる金属をターゲットとした特性Ｘ線発生器と、１０ｋｅＶ以上の高エネルギーＸ線を透過させる直接入射型Ｘ線ＣＣＤで構成される特性Ｘ線検査装置は、Ｘ線発生器側と検出器側での２段階の単色化によって、準単色特性Ｘ線イメージングが実現できる。この構成は、原子番号の低い元素で構成される生体材料や高分子を透過し、かつ、コントラスト分解能を高めるのに適している。
【００５３】
図８は、直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器とシンチレータ型フラットパネル検出器の撮影条件を比較した表を示す図である。
【００５４】
図８の表により、直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器とシンチレータ型フラットパネル検出器の撮影条件を比較すると、シンチレータ型フラットパネル検出器が、透過画像露光のために、より高強度のＸ線を必要とすることがわかる。フラットパネル検出器は、画素サイズがＣＣＤに比べて１０倍以上大きく受光面積も大きいものではあるが、シンチレータから可視光への変換、可視光からＣＣＤ電荷発生への信号変換を行うために、１０倍以上の高い管電流を必要とする。すなわち、フラットパネル検出器は、高出力のＸ線（ＣＣＤ検出器０．３２ワット、フラットパネル検出器６ワット）を必要とする。これは、Ｘ線発生器に大きな負荷を与え、発生器寿命を短縮させる可能性があるとともに、検出機器のＸ線損傷確率も高くなる。これは、特性Ｘ線画像検査装置の検出器として、直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器との組み合わせが適していることを示している。
【００５５】
なお、Ｘ線回折では、元素ごとの蛍光Ｘ線検出を高精度化するために、Ｋα特性Ｘ線の強度を低下させても、金属フィルターによる単色化を行う場合がある。これはバランストフィルターと呼ばれ、ＫαＸ線のみを取り出す方法として知られている。しかし、画像化を目的としたＸ線イメージングでは、厚みの大きいフィルターによる特性Ｘ線の粒子束低下は、検出素子の露光時間の延伸や画素値の変動をもたらす。本実施形態では、高コントラスト化に寄与するＫα特性Ｘ線成分の強度を維持しつつ、コントラストの低下をもたらす高エネルギー成分のみを、直接入射型Ｘ線ＣＣＤの検出特性を利用して排除する。従来のシンチレータ型検出器は、特性Ｘ線とともに高エネルギーＸ線も捕獲して可視光に変換してしまうため、このような高エネルギー成分のみのフィルタリングはできなかった。
【００５６】
ところで、図３に示されているように、１０ｋｅＶ以下の特性Ｘ線は空気によって大きく減衰する。Ｘ線焦点と検出面までの距離が３０ｃｍを超えると、１０ｋｅＶでは透過率が約９０％だが、８ｋｅＶでは約８０％、５ｋｅＶでは約３０％、２ｋｅＶではほとんど検出器にＸ線は到達しない。したがって、特性Ｘ線発生器と検出器までの距離を３０ｃｍ以下とすれば、特性Ｘ線の空気による減衰を抑制することができる。しかし、点光源から投影するＸ線透視画像では、Ｘ線焦点から被写体までの距離Ｌ１とＸ線焦点から検出器までの距離Ｌ２で幾何学的倍率Ｍがきまる（Ｍ＝Ｌ２／Ｌ１）ので、高分解能撮影のために拡大撮影する際に、Ｘ線発生器と検出器の距離をできるだけ離して設置することが必要となる。
【００５７】
Ｘ線発生器と検出器の距離が大きい場合、特に低エネルギーの特性Ｘ線成分の減衰が顕著となる。空気は窒素７８％、酸素２１％を含むので、クロムターゲットを使用した場合、画像化に必要な５．４ｋｅＶの特性Ｘ線成分の減衰が相対的に大きくなる。したがって、Ｘ線スペクトルが変化し、単色化の効果が妨げられ、コントラスト分解能が低下する。
【００５８】
図９は、空気中のＸ線通過経路を短くするために、Ｘ線焦点と検出器の間に配置された密閉容器を有する特性Ｘ線画像検査装置を示す図である。低エネルギーの特性Ｘ線成分の減衰を防ぐためには、Ｘ線焦点と検出器の間の距離を小さくするようにしてもよいが、拡大撮影の場合には、図９に示すように、空気中のＸ線通過経路を短くするために、試料４０とＣＣＤ検出器２０の間に、両端にＸ線透過窓６１、６２を備え、内部を真空に排気した密閉容器６０を配置する。
【００５９】
試料４０から出射したＸ線は、密閉容器６０の一端のＸ線透過窓６１から密閉容器６０に入り、密閉容器６０の他端のＸ線透過窓６２を通って、ＣＣＤ検出器２０に入る。Ｘ線透過窓６１、６２は、Ｘ線が透過しやすいポリイミド等からなる膜で外気と容器内部を隔てている。Ｘ線透過窓６１、６２は、矩形の開口を有する２枚の枠体によりポリイミド膜を挟むことにより作成することができる。ポリイミドは窒素、炭素、酸素等で構成される強度の高いフィルムなので、５０−１００μｍ厚さの膜で真空を維持しながら、低エネルギーＸ線を透過させることができる。
【００６０】
密閉容器６０は、真空ポンプ（図示せず）に接続される真空排気弁６３とヘリウムガス導入弁６５を備えている。密閉容器６０は、真空排気することにより０．１Ｐａ〜１０4Ｐａの範囲の気圧に調整可能である。密閉容器６０を配置することにより、Ｘ線の経路は、Ｘ線がＸ線発生器１０から試料４０を透過するまでの空気経路４５と、その後の密閉容器６０を通る真空経路４７となる。空気経路４５では空気によるＸ線の減衰があるが、空気経路４５は短いので、Ｘ線の減衰はほとんどなく、したがってコントラスト分解能の低下を抑えることができる。密閉容器６０には、ヘリウムガス導入弁６５によりヘリウムガスを導入してもよい。
【００６１】
以上のように、ポリイミド膜で両端を外気と隔てた密閉容器をＸ線通路に配置することにより、特性Ｘ線成分を低減させることなく、検出器に到達させることができる。この効果は、Ｘ線減衰の少ない原子番号の小さいヘリウムガス等を充填しても、等価的な効果を実現できる。
【００６２】
図１０（ａ）（ｂ）は、空気減衰によるクロムターゲットＸ線発生器スペクトルの変化を示す図である。具体的には、クロムターゲットＸ線発生器の焦点からの距離を変えた場合のスペクトル変化を、空気中で測定したものである。図１０（ａ）は、クロムターゲットＸ線発生器の焦点から３０ｃｍに検出器を配置して測定したものであり、図１０（ｂ）は、クロムターゲットＸ線発生器の焦点から１００ｃｍに検出器を配置して測定したものである。
【００６３】
空気による減衰が大きいのは、Ｘ線スペクトル成分のうち、低エネルギー成分なので、空気中の透過距離が大きくなると、Ｘ線スペクトルが変化する。図１０（ａ）（ｂ）を比較すると、空気層の影響を受けにくい高エネルギーの連続Ｘ線成分が相対的に増加していることがわかる。この連続Ｘ線成分の増加は特性Ｘ線画像のコントラストを低下させる要因と成る。したがって、図９に示す密閉容器を用いることにより、連続Ｘ線成分の相対的な増加を抑え、低エネルギーの特性Ｘ線による解像度を維持することができる。
【実施例】
【００６４】
（特性Ｘ線マイクロフォーカス管球）
１０ｋｅＶ以下のＫα特性Ｘ線を高強度で出力するクロムターゲットのマイクロフォーカスＸ線発生器と銅ターゲットのマイクロフォーカスＸ線発生器を作成した。アノードは、真空中で高電圧に印加されるとともに、Ｘ線に変換されない電子の運動エネルギーを蓄積するので、熱伝導のよい無酸素銅ロッドで構成し、放射窓方向に傾斜した端面にターゲット材を埋め込んだ。ターゲット上のＸ線焦点サイズは、１０μｍであり、照射角は３０度である。クロムターゲットを埋め込んだアノードは、６×６ｍｍ角、厚さ２ｍｍに成形したクロム（９９．９５％）片がアノードの傾斜端面に埋め込まれ、厚さ０．１ｍｍのＢｅ窓を通して放射状にＸ線が放出される。焦点から窓までの焦点窓距離は、１４．５ｍｍとした。
【００６５】
なお、管球容器外形は、９０×２７７×１３８．５ｍｍであり、最大管電圧は４０ｋＶ、最大管電流は４００μＡ、焦点熱容量は１０Ｗである。
【００６６】
図１１は、日本検査機器工業会（ＪＩＭＡ）のマイクロフォーカスＸ線用試験片ＲＲＣ−２を、直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器と、実施例として作成したクロムターゲットのマイクロフォーカス特性Ｘ線発生器で透視撮影し、３〜４μｍのスリットパターンが識別できた例である。撮影条件は、管電圧２０ｋＶ、管電流５０μＡ、Ｘ線焦点と検出器までの距離ＳＤ＝２０ｃｍ、拡大率２．０倍、検出器の蓄積時間５．０秒であった。この画像では、拡大率２０倍で、検出器画素サイズが８μｍであることから、１画素は約４μｍに相当する。したがって、３−４μｍのチャートパターンが撮影できたことから、実施例のクロムターゲットの焦点サイズは数ミクロン程度であり、高い空間分解能を持ったマイクロフォーカス特性Ｘ線発生器であることが確認できた。
【００６７】
（クロムと銅のＸ線スペクトルの計測）
図１２、図１３は、Ｘ線焦点から３０ｃｍの位置にスペクトル計測用の検出器を設置し、電子の加速電圧を変化させたときのＸ線スペクトルを計測した例を示す。図１２は、クロムターゲットによるものであり、図１３は、銅ターゲットによるものである。
【００６８】
クロムターゲットＸ線管の管電圧は１０ｋＶから３０ｋＶまで、銅ターゲットＸ線管の管電圧は１０ｋＶから４０ｋＶまで変化させた。検出器には入射フォトン数を調節するため、それぞれ１．０ｍと０．３ｍｍのコリメータを設置した。スペクトル検出器として、低エネルギーＸ線のスペクトル測定に適したシリコン検出器を用いた。この検出器は、ベリリウム窓厚さ２５μｍ、有効受光面積、５ｍｍ２、受感部厚さ０．５ｍｍ、エネルギー分解能１８５ｅＶ（ＦＷＨＭ）、適用エネルギー範囲１〜３０ｋｅＶ、という仕様のもので、１０ｋｅＶ以下のＸ線スペクトル計測に適している。
【００６９】
クロムのＫα１Ｘ線（＝５．４ｋｅＶ）、銅のＫαＸ線（＝５．４ｋｅＶ）とＫβ１Ｘ線（＝６．０ｋｅＶ）のピークが他の連続Ｘ線スペクトルに比べて顕著であることがわかる。これは、図１のタングステンＸ線発生器のスペクトルと比べて、単色性が著しく向上していることを示している。
【００７０】
なお、原子番号２０〜３０の元素の特性Ｘ線ほど強度は大きくないが、原子番号の大きい元素の特性Ｘ線Ｌα１、Ｌβ１が１０ｋｅＶとなる元素も、本発明のターゲット材料として利用可能である。例えば、タングステン（原子番号７４）ではＬα１＝８．４０ｋｅＶ、Ｌβ１＝９．６７ＫｅＶ、タンタル（原子番号７３）ではＬα１＝８．１４ｋｅＶ、Ｌβ１＝９．３４ＫｅＶ、レニウム（原子番号７５）ではＬα１＝８．６５ｋｅＶ、Ｌβ１＝１０．０ＫｅＶである。
【００７１】
図１４は、１０ｋｅＶ以下における銅とタングステンターゲットの特性Ｘ線スペクトル強度の比較を示す図である。図１４には、銅のＫα１とＫβ１Ｘ線のピークと、タングステンのＬα１Ｘ線とＬβ１Ｘ線のピーク（Ｌα＝８．４ｋｅＶ、Ｌβ＝９．７ｋｅＶ）が示されている。図１４によると、１０ｋｅＶ以下における銅とタングステンターゲットの特性Ｘ線スペクトル強度は、銅の方が数倍高く、フォトン粒子束が必要なＸ線イメージングには、銅やクロムのＫαＸ線を用いるほうが強度と単色性の点で適していることが分かる。
【００７２】
（Ｘ線ＣＣＤ画像検出器）
直接入射型のＸ線ＣＣＤ画像検出器は、１）高エネルギーＸ線に感度がないためＸ線スペクトルの単色性が高まる（図７参照）、２）Ｘ線フォトンを直接電荷に変換できるため、フォトンエネルギーに比例した電荷発生によって、１０ｋｅＶ以下のＸ線でコントラスト分解能が高い、という特徴がある。
【００７３】
従来のシンチレータ検出器は、シンチレータ材が低エネルギーＸ線のみならず、１０ｋｅＶ以上の連続Ｘ線も捕獲してしまうため、特性Ｘ線の単色性が損なわれ、コントラストが低下する。また、Ｘ線エネルギー、フォトン数、シンチレータで変換される可視光量、ＣＣＤ素子の応答の間に、非線形的な関係があり、被写体の構成成分を反映した輝度値が出にくいため、コントラスト分解能をあげることが難しい。
【００７４】
また、実施例で使用したＣＣＤ検出器の画素サイズは８μｍなので、マイクロフォーカスＸ線発生器との組み合わせることにより、少なくとも８μｍ以下の空間分解能を達成することが可能である。なお、ＣＣＤ検出器では、露光時間の設定が数ミリ秒〜１０秒の範囲で設定可能なので、入射するＸ線強度に合わせて、最適な撮影条件を選択することができる。
【００７５】
（Ｘ線画像）
本実施例の装置の特徴を示すため、１０ｋｅＶ以下のＫα特性Ｘ線を発生する銅およびクロムターゲットと従来のタングステンターゲット、シンチレータ付きフラットパネル検出器と直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器による画像の比較を行った。組み合わせたシステムとして、以下の４種類の透過Ｘ線撮像装置を準備した。実施例の装置は装置構成２および装置構成４である。
【００７６】
装置構成１（比較例）：銅ターゲットのＸ線発生器とシンチレータ付きフラットパネル検出器
装置構成２（実施例）：銅ターゲットのＸ線発生器と直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器
装置構成３（比較例）：タングステンターゲットのＸ線発生器と直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器
装置構成４（実施例）：クロムターゲットのＸ線発生器と直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器
【００７７】
測定試料として、厚さ１０μｍのポリ塩化ビニリデンを１ｍｍづつずらして重ねたフィルムステップ（以下、ＰＣＶフィルムステップ）、および、体長７ｍｍのアリ（クロヤマアリ、学名：Ｆｏｒｍｉｃａ （Ｓｅｒｖｉｆｏｒｍｉｃａ） ｊａｐｏｎｉｃａ Ｍｏｔｓｃｈｕｌｓｋｙ、以下、アリ）を準備した。
【００７８】
図１５(ａ)〜（ｄ）は、ＰＣＶフィルムステップとアリを、装置構成１（比較例）と装置構成２（実施例）で撮影し、同じ銅ターゲットのＸ線発生器を用いて、検出器の違いを比較した図である。図１５（ａ）は、直接入射型Ｘ線検出器を用いて撮影されたＰＣＶフィルムステップであり、図１５（ｂ）は、直接入射型Ｘ線検出器を用いて撮影されたアリである。これに対して、図１５（ｃ）は、シンチレータ付きフラットパネル検出器を用いて撮影されたＰＣＶフィルムステップであり、図１５（ｄ）は、シンチレータ付フラットパネル検出器を用いて撮影されたアリである。なお、撮影条件は、図８に示す表のとおりである。
【００７９】
ＰＣＶフィルムでは、図１５(ａ)（ｃ）ともに、厚みの増加に対応して輝度値が領域ごとに低下する画像が得られているが、図１５(ａ)の直接入射型Ｘ線ＣＣＤカメラに比べて、図１５(ｃ)のシンチレータ付きフラットパネルは、厚みの変化に対する輝度の変化が小さくコントラストが低いこと、領域の境界が滲んでいて空間分解能が低いことがわかる。空間分解能に関しては、ＣＣＤ検出器の画素サイズ８μｍに対しフラットパネルは１００μｍであるため、ＣＣＤ検出器の方が空間分解能は高い。
【００８０】
また、図１５(ｂ)（ｄ）のアリの投影画像を比較することで、銅ターゲットＸ線発生器のＸ線エネルギー範囲においては、空間分解能とコントラスト分解能とも、直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器が優れていることが分かる。
【００８１】
なお、これらの画像を取得するにあたり、直接入射型Ｘ線ＣＣＤでは管電圧２０ｋＶ管電流１６μＡ（出力０．３２Ｗ）の条件に対し、シンチレータ型フラットパネルでは管電圧３０ｋＶ管電流３００μＡ（出力９Ｗ）が必要であった。これは、Ｘ線ＣＣＤがフォトンエネルギーを直接的に電荷に変換するのに対し、シンチレータ型フラットパネルでは、シンチレータを発光させるために高いＸ線強度が必要であることによる。したがって、Ｘ線ＣＣＤ検出器の使用により、Ｘ線発生器の負荷を大幅に軽減できる効果がある。
【００８２】
図１６(ａ)〜（ｄ）は、タングステンターゲットとクロムターゲットＸ線発生器による画像比較（直接入射型Ｘ線ＣＣＤカメラ使用）を示す図である。すなわち、図１６(ａ)（ｂ）は、装置構成３（比較例：タングステンターゲット）による画像であり、図１６(ｃ)（ｄ）は、装置構成４（実施例：クロムターゲット）による画像である。
【００８３】
図１６(ａ)〜（ｄ）に示すように、同じ直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器を使った場合、特性Ｘ線のエネルギーが異なるタングステンターゲットとクロムターゲットでは、クロムターゲットを使用した図１６(ｃ)（ｄ）の方が、コントラスト分解能が高い。すなわち、ＰＣＶフィルムステップとアリの透過画像双方において、クロムターゲットを使用した図１６(ｃ)（ｄ）に見られるように、濃淡の明瞭な画像が獲られている。
【００８４】
３０ｋＶ以下の加速電圧でもタングステンターゲットからＬαの特性Ｘ線が発生するが、その強度は、図１４にあるように、クロムのＫαＸ線（＝５．４ｋｅＶ）よりもかなり低く、また、ＬαＸ線（＝８．４ｋｅＶ）自体のＸ線ＣＣＤ検出器に対する感度が低いので、クロムターゲットＸ線発生器の画像のほうが、高画質になっている。
【００８５】
図１７（ａ）〜（ｃ）は、ＰＣＶフィルムステップの厚さに対する輝度の変化率、すなわちコントラスト感度を示すグラフである。図１７（ａ）がタングステンターゲットによるものであり、図１７（ｂ）が銅ターゲットによるものであり、図１７（ｃ）がクロムターゲットによるものである。
【００８６】
試料が投影された透過画像を、試料がない場合のバックグランド画像で画素ごとに割り算をし、そのＬｏｇを求め、それぞれの厚さの画像領域における平均値を示した。エラーバーは分散を示す。グラフの横軸は、フィルム厚さであり、Ｌｏｇを計算することで、各画素での線吸収係数が算出される。
【００８７】
このプロットの傾きは、厚みに対する検出器の輝度の変化率を表している。この傾きが大きいほど、厚みの変化に対する輝度の感度、すなわちコントラスト分解能が高いということを示す。図１７（ａ）のタングステンターゲットの傾きは０．６／７０μｍであるのに対し、図１７（ｂ）（ｃ）の銅およびクロムターゲットでは、それぞれ、０．７／７０μｍ、１．３／７０μｍとなっている。特に図１７（ｃ）のクロムターゲットのコントラスト分解能が高いことがわかる。
【００８８】
このように、実施例である装置構成２および装置構成４によって、炭素、窒素、酸素、水素等の元素で構成される生体試料や高分子材料が、従来のＸ線検査装置に比べて、より明瞭に判別できることが示された。これまでの高エネルギーＸ線検査装置では、このような低コントラスト試料を識別することは難しかった。これらの例から、１）１０ｋｅＶ以下の特性Ｘ線を放出するターゲット材質の伝熱特性を考慮したマイクロフォーカス化、２）Ｋα特性Ｘ線の放出と直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器の高エネルギー連続Ｘ線成分の排除効果による準単色化、によって、生体材料や高分子材料に対して、従来の装置では得られなかった高いコントラスト化と高空間分解能化が実現できることが示された。
【符号の説明】
【００８９】
１００ Ｘ線画像検査装置
１０ Ｘ線発生器
１ カソード
２ グリッド
３ 静電レンズ
４ 電子線
９ 密封管９
５、５５ ターゲット
６ ターゲット支持部材
７ 冷却通路
８ 冷却水
９ 密封管
９１ Ｘ線窓
２０ Ｘ線検出器
２２ ペルチエ素子
３０ 試料台
４０ 試料
４５ 空気経路
４７ 真空経路
６０ 密閉容器
６１、６２ Ｘ線透過窓
６３ 真空排気弁
６５ 空気導入弁
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線画像検査装置に関し、特に、特性Ｘ線を用いて検査対象を撮像するＸ線画像検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
物質の透過力が高いＸ線を使ったイメージングは、医療診断のほか、工業材料、電子部品等の非破壊検査の分野で幅広く使われている。特に、非破壊検査の分野では、焦点サイズがミクロンオーダーのマイクロフォーカスＸ線発生器の開発が進み、空間分解能が大幅に向上してきた。マイクロフォーカスＸ線発生器は、加速した電子線をターゲット金属上に収束させ、ターゲット金属上のＸ線焦点のサイズをミクロンオーダーとすることによって、Ｘ線透過像の高分解能化を図るものである。
【０００３】
従来、工業用非破壊検査の分野で広く使われているＸ線検査装置の測定対象は、金属部材や電子部品、半導体基板などで、厚みのある金属やＸ線減衰の大きな金、スズ、鉛など原子番号の大きい材質からなるものが多かった。このようなＸ線検査装置は、透過力の大きな高エネルギーＸ線発生器と、高エネルギーＸ線を効率よく捕集して可視光に変換するシンチレータ付きの検出器で構成されるものが一般的であり、空間分解能の追求が行われてきた。
【０００４】
今日、測定対象が従来の金属部品から錠剤、生体、高分子、繊維、ファインセラミックスなどに移行し、バイオ医薬、化粧品、食品関連での応用が広がっている。これらの柔らかい物質は原子番号の低い元素、すなわちＸ線吸収の少ない材質で構成されることが多い。Ｘ線画像での分解能はＸ線吸収差にも依存するため、空間分解能の評価に加え、Ｘ線吸収のわずかな差異を識別するための、濃度またはコントラスト分解能を同時に向上させることが必要となる。
【０００５】
しかし、現在の高分解能のＸ線画像検査装置では、タングステンをターゲットとした白色スペクトルのＸ線発生器を使用している（下記特許文献１参照）。タングステンは融点も高く（３６６０Ｋ）、温度拡散率も比較的高い（銅の約４６％）ので、電子線収束による局所的な温度上昇に対して損傷することが少ない。したがって、診断用Ｘ線発生器としても、工業用非破壊検査のＸ線発生器のターゲットとしても、広く一般的に用いられている。
【０００６】
図１は、タングステンターゲットのＸ線管スペクトルを示す図である。図１から分かるように、タングステンターゲットから発生するスペクトルは、加速電子の印加電圧の範囲で広く分布する制動放射による連続Ｘ線と、元素外殻電子の遷移による単一波長の特性Ｘ線（Ｋα１＝５９．３ＫｅＶ、Ｋβ１＝６７．２ＫｅＶ）が合成されたスペクトルとなっている。したがって、通常のＸ線検査装置では、Ｘ線発生器からのＸ線は白色スペクトルのＸ線となり、様々な波長のＸ線成分が交じり合ったＸ線となって被写体を透過し、検出面に透過画像を形成する。
【０００７】
一方、ある物質のＸ線吸収率は、Ｘ線フォトンのエネルギーによって異なる。このため、画像の輝度変化すなわちコントラストが、物質の密度ないし成分を反映したものとはならず、同じ物質であってもＸ線エネルギーによって画像の輝度が変化してしまう。Ｘ線スペクトルが通常のＸ線管のように異なるエネルギー成分の総和である場合、結果として検出器に記録される輝度は、これらの透過成分の積分値となる。検出されるＸ線強度はエネルギーに依存するため、異なるエネルギーの積分値で決まる輝度は、被写体の成分や透過距離に一意の輝度値ではなくなり、被写体のコントラスト分解能が低下することとなる。
【０００８】
従来のように測定対象が電子部品や金属部品である場合、構成成分はＸ線減衰の大きな原子番号の大きな元素であることが多く、多少のコントラストの誤差は検査結果に影響を及ぼすことは少なかった。しかし、測定対象が生体材料や高分子、医薬品の場合、構成元素は炭素、酸素、水素、窒素など原子番号の小さい材料からなる場合が多く、高いコントラスト分解能が必要となる。
【０００９】
コントラストを高める方法として、単色Ｘ線を発生する放射光施設で行われている単色Ｘ線イメージングがある（下記非特許文献１参照）。放射光施設では、連続スペクトルのＸ線からモノクロメーターにより単一波長のＸ線を取り出す事が可能であり、Ｘ線管の１０3〜１０6倍もの高輝度なＸ線が得られる。また、Ｂｒａｇｇ反射角度を適切に設定することで、任意の波長のＸ線を取り出すことができる。しかしながら、実験設備を放射光施設内に持ち込んで設置することや、限られた機会のマシンタイム内にデータを取得する必要性のため、単色Ｘ線によるイメージングには多くの制約が課される。
【００１０】
実験室での単色Ｘ線を利用したイメージングの試みは、レーザープラズマＸ線源を用いたＸ線顕微鏡の分野で開発が進んでいる（下記非特許文献２参照）。全反射を利用したウォルター型や、多層膜反射鏡を用いたシュバルツシルト型、ゾーンプレート型のＸ線顕微鏡があり、１ｋｅＶ以下の低エネルギーＸ線で、ユスリカの染色体やＨｅＬａ細胞のイメージングが行われている。これらのＸ線顕微鏡の空間分解能は０．１μｍのオーダーで、Ｘ線光学デバイスを用いて拡大撮影することにより、高い空間分解能を実現している。
【００１１】
図２は、質量減衰係数のＸ線エネルギー依存性を示す図で、図３は、空気中のＸ線の透過距離とＸ線強度の減衰との関係を示す図である。図２に示すように、Ｘ線吸収係数は、Ｘ線エネルギーの減少とともに大きく増加するため、１ｋｅＶ以下のＸ線は、単一の細胞が識別できる程度の高いコントラスト分解能となっている。一方、図３に示すように、１ｋｅＶ以下のＸ線は空気中で容易に減衰し、空気中に置かれる体積の大きな被写体の撮影には適していない。また、Ｘ線発生源となる高輝度レーザーや、Ｘ線波長オーダーの高精度の光学デバイスのコストが大きな負担となり、産業的に普及することが難しい。
【００１２】
なお、マイクロフォーカスＸ線と直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器の構成が公知であるが、タングステンターゲットのマイクロフォーカスＸ線発生器で空間伝播の位相コントラスト撮影を目的としたものである（下記非特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００７−４２５１６号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】兵藤一行、安藤正海, 放射光単色X線を用いた冠動脈診断システムの開発, Photon Factory News, 2001 Vol.18, No.3, 2001
【非特許文献２】W. Chao, B.D. Harteneck, J.A. Liddle, E.H. Anderson and D.T. Attwood, "Soft X-ray Microscopy at a Spatial Resolution better than 15 nm," Nature, 435, 1210-1213 (2005).
【非特許文献３】Uchida H., Torii K., Tsunemi H., “Quantitative Method of Measuring Spot Size of Microfocus X-ray Generator”, Japanese Journal of Applied Physics, Vol.45, No.5A, 2006, pp.5277-5283
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、上記問題に鑑み、原子番号の低い元素、すなわちＸ線吸収の少ない材質で構成される試料を、高分解能で撮影可能としたＸ線画像検査装置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】
【００１６】
本発明のＸ線画像検査装置は、上記目的を達成するために、１０ｋｅＶ以下のＫα特性Ｘ線を発生するＸ線ターゲットを有する特性Ｘ線発生器と、直接入射型冷却Ｘ線ＣＣＤ検出器と、を備え、前記Ｋα特性Ｘ線発生器と前記直接入射型冷却Ｘ線ＣＣＤ検出器との間に配置された試料を透過したＸ線を検出することにより撮像することを特徴とする。
【００１７】
前記Ｘ線ターゲットは、原子番号が２０から３０までの金属から形成されることができ、さらに、クロム、銅、ニッケル、鉄のいずれか１つとすることができる。
【００１８】
前記Ｘ線ターゲットのＸ線焦点サイズは、１μｍ以上で５０μｍ以下とすることができる。
【００１９】
前記特性Ｘ線発生器と直接入射型冷却Ｘ線ＣＣＤ検出器との間のＸ線経路中に、両端にＸ線透過膜を備えた、真空の密閉容器またはヘリウムガスを充填した密閉容器を配置することもできる。
【発明の効果】
【００２０】
１０ｋｅＶ以下の特性Ｘ線を強く発生するターゲット材を有するＸ線発生器と、直接入力ＣＣＤ検出器とを組み合わせることにより、Ｘ線発生器では単色Ｘ線に近い準単色Ｘ線を発生させ、検出器側では特性Ｘ線より高いスペクトル成分を除去して単色性を高めることができ、数ｍｍオーダーの被写体をミクロンオーダーの空間分解能で撮影が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】タングステンターゲットのＸ線スペクトルを示す図である。
【図２】質量減衰係数のＸ線エネルギー依存性を示す図である。
【図３】空気中のＸ線透過距離とＸ線強度の減衰を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態であるＸ線画像検査装置を示す図である。
【図５】１０ｋｅＶ以下の特性Ｘ線を発生する元素の伝熱特性の表を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に使用される透過型Ｘ線発生装置を示す図である。
【図７】Ｘ線ＣＣＤ検出器の受光感度を示す図である。
【図８】直接入射型X線ＣＣＤ検出器とシンチレータ型フラットパネル検出器の撮影条件を比較した表を示す図である。
【図９】Ｘ線の真空透過経路である密閉容器を付加した本発明の一実施形態の特性Ｘ線画像検査装置を示す図である。
【図１０】（ａ）（ｂ）は、空気減衰によるクロムターゲットＸ線発生器スペクトルの変化を示す図である。
【図１１】クロムターゲットのマイクロフォーカスＸ線発生器による空間分解能の確認を示す図である。
【図１２】クロムターゲットの特性Ｘ線スペクトルを示す図である。
【図１３】銅ターゲットの特性Ｘ線スペクトルを示す図である。
【図１４】１０ｋｅＶ以下における銅とタングステンターゲットの特性Ｘ線スペクトル強度の比較を示す図である。
【図１５】シンチレータ付フラットパネル検出器と直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器の画像比較（銅ターゲットＸ線発生器使用）を示す図である。
【図１６】タングステンターゲットとクロムターゲットＸ線発生器による画像比較（直接入射型Ｘ線ＣＣＤカメラ使用）を示す図である。
【図１７】ポリ塩化ビニリデンフィルムステップによるコントラスト感度比較を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図４は、本発明の一実施形態であるＸ線画像検査装置を示す図である。Ｘ線画像検査装置１００は、特性Ｘ線を発生するＸ線発生器１０と、試料４０を透過したＸ線を検出するＸ線検出器２０とからなる。
【００２３】
Ｘ線発生器１０は、内部を真空に排気した後密封して形成された密封管９を有する。密封管９内の一端には、電子線４を発生するカソード１、電子線４を制御するグリッド２、加速された電子線４を収束する静電レンズ３が備えられる。さらに、密封管９内には、収束した電子線４が衝突するアノードとなるターゲット５、ターゲット５を支持するとともに冷却を行うターゲット支持部材６が配置されている。ターゲット支持部材６は、冷却水８が流れる冷却通路７を備える。密封管９は、ターゲット５から発生するＸ線を管外に取り出すためのＸ線窓９１を備える。
【００２４】
なお、電子線４を発生するカソード１は、電子を放出するカソードとカソードを加熱するコイルとに代えることもできる。また、グリッドは複数個用いてもよい。さらに、ターゲット支持部材は、図４に示すものに限定されず、無酸素銅ロッドを用い、無酸素銅ロッドの傾斜した端面にターゲット材を埋め込むようなものでもよい。
【００２５】
電源（図示せず）に接続されて加熱されたカソード１から発生した電子線４は、アノードであるターゲット５に向かって、高圧電界で加速される。加速された電子線４は静電レンズ３により、ターゲット５上の一点に収束する。収束電子線４が衝突するターゲット５上の一点からＸ線が発生し、Ｘ線窓９１から外部へ照射される。
【００２６】
Ｘ線発生装置１０から照射されたＸ線は、試料台３０にセットされた試料４０を透過してＸ線検出器２０に入射する。試料台３０は試料４０を回転可能に構成され、試料４０を回転させることにより試料を透過したＸ線のＣＴ画像を得ることができる。本実施形態では、Ｘ線検出器２０は、直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器を使用する。このＸ線ＣＣＤ検出器は、ペルチエ素子２２により冷却される。
【００２７】
従来から使用されているタングステンターゲットのＫα特性Ｘ線は５７ｋｅＶ以上にあるため、５７ｋｅＶ以下では連続Ｘ線の白色スペクトルが発生し、低エネルギー領域でのコントラストの向上は期待できない。本実施形態のターゲット５は、１０ＫｅＶ以下の単一波長の特性Ｘ線を発生させ、被写体となる生体材料や高分子材料の厚さ数ｍｍを透過する強度を有し、かつ高コントラストの画像を得ることができるようなターゲット材料を用いる。
【００２８】
ところで、Ｘ線発生用ターゲットに衝突する加速電子の運動エネルギーのうち、Ｘ線フォトンに伝えられるのはわずか１％未満であり、残りのエネルギーは熱としてターゲットに蓄積される。タングステンターゲットは、Ｘ線融点が高く、伝熱特性に優れているので、従来の画像形成用のＸ線発生装置用に用いられている。しかし、特性Ｘ線に着目すると、タングステンのような原子番号が大きい元素では、発生する特性Ｘ線のエネルギーも高い（タングステンのＫα１＝５９．３ＫｅＶ、Ｋβ１＝６７．２ＫｅＶ、図１参照）。
【００２９】
本実施形態が測定対象とする生体材料や高分子化合物の減衰係数は、Ｘ線のエネルギーが高くなるほど減少する（図２参照）。そのため、タングステンから発生するＸ線でのイメージングでは、Ｘ線エネルギーが高く、コントラストがつきにくい。
【００３０】
図５は、１０ｋｅＶ以下の特性Ｘ線を発生する元素の伝熱特性の評価の表を示す図である。１０ｋｅＶ以下の特性Ｘ線を発生するターゲット材質として原子番号が２０〜３０番の材質が挙げられる。図５では、原子番号が２０〜３０番の元素のうち、チタン（原子番号２２）、クロム（原子番号２４）、鉄（原子番号２６）、ニッケル（原子番号２８）、銅（原子番号２９）、亜鉛（原子番号３０）の伝熱特性が評価されている。表の最下段には、参考のためにタングステン（原子番号７２）の特性が記載されている。
【００３１】
なお、原子番号２０〜３０番の間には、図５に挙げた元素以外に、カルシウム（原子番号２０）、スカンジウム（原子番号２１）、バナジウム（原子番号２３）、マンガン（原子番号２５）、コバルト（原子番号２７）がある。しかしながら、特に加工性に優れ、バルク材として安価に市販されているのは、図５の表に示した金属群である。
【００３２】
ターゲット上に収束する電子線のサイズがＸ線の発生点、すなわちＸ線焦点であるが、これが小さいほど、ピンポイントの光源となり、投影像は鮮鋭になる。ちなみに、今日、タングステンターゲットのマイクロフォーカスＸ線発生器の焦点サイズは、数１０μｍ以下が一般的で、１μｍ以下の装置も市販されている。
【００３３】
しかしながら、鮮鋭な画像を得る目的で、焦点サイズを小さくしていくと、局所的にターゲット材に蓄積する熱量が増加する。局所的に温度が上昇して融点をこえると、ターゲット材の融解と損傷がおきる。そこで、ターゲット材の伝熱性能を考慮して、実用的な範囲で焦点サイズを決定し、ターゲット材の許容熱容量の範囲内で、管電圧と管電流を決定する必要がある。
【００３４】
１０ｋｅＶ以下の特性Ｘ線を使ったイメージングの場合、ターゲット材の熱的制限の目安となるのが、図５に示す伝熱係数と融点係数の積である。図５の表では、温度拡散率の最も高い銅との比を基準として伝熱係数を定義し、融点の最も高いタングステン（３６６０Ｋ）との比を基準として融点係数を定義した。これらの積を比較することにより、熱伝導と融点の観点からＸ線ターゲット材として優位な金属の順位付けが可能となる。参考に記載したタングステンを除き、最も熱的な特性に優れているのが銅で、クロム、ニッケル、亜鉛、チタン、鉄の順となる。
【００３５】
具体的に伝熱係数と融点係数の積をみると、タングステンの場合に比べ、銅では約１／２の出力、クロム、ニッケル、亜鉛では１／８の出力となる。一方、鉄やチタンは１／１６から１／２０の出力に制限される。この場合、主としてＸ線の管電流が制限されることとなり、Ｘ線フラックスが減少し、Ｘ線透過像の画質の低下につながる。
【００３６】
しかし、銅、クロム、ニッケル、亜鉛などの金属ターゲットからのＸ線を、直接入射型Ｘ線ＣＣＤで検出する場合は、Ｘ線フラックスが低下しても、検出器側で比較的長い露光時間を設定することで画質の低下を防ぎつつ、１０ｋｅＶ以下の特性Ｘ線でのコントラスト分解能の高い透過像を得ることが可能となる。本実施形態においては、Ｘ線焦点のサイズは、５０μｍ以下で、１μｍ以上とするのが好適である。
【００３７】
クロムおよび銅にはＫα特性Ｘ線よりエネルギーは高いが強度の低いＫβ特性Ｘ線のピークがある。Ｘ線スペクトルの単色化を図るには、これらの成分を除去し、できるだけ単一ピークのＸ線スペクトルを利用することが望ましい。しかし、Ｘ線イメージングの場合はコントラスト造影に寄与するフォトン数が減少するので、フォトン数を確保しつつ、フィルターを最適化していく必要がある。これはＸ線回折に用いられるＸ線発生器の最適化と異なる点である。
【００３８】
一方で、図２に示されるように、イメージングに適した強度の強い特性Ｘ線（Ｋα１）を見ると、銅は８．１ｋｅＶと、他の金属よりエネルギーが高く、クロムは５．４ｋｅＶ、最も低いのがチタンの４．５ｋｅＶとなる。数ｍｍのバルク被写体を透過するためには、エネルギーが高い方が望ましいが、一方でコントラスト分解能を高めるには、エネルギーが低いほうが望ましい。
【００３９】
したがって、ターゲット材質としては、銅、クロム、ニッケル、亜鉛、チタン、鉄を採用するのが好ましく、その中でも銅、クロムが望ましい。銅とクロムは、測定対象に応じて選択するのがよい。例えば、比較的大きなＸ線強度の必要な、例えば薄い骨などは銅のターゲットを使用するのが有利である。これに対して、やわらかいスポンジ、コラーゲンなどにはクロムのターゲットを使用するのが有利である。
【００４０】
生体材料や高分子材料は、ミクロンオーダーの微細構造が配向性を持っていたり、分散材や結晶構造が方向性を持っていたり、多孔質構造であったりするので、コントラスト分解能に加えて、高い空間分解能も必要となる。本実施形態では、１０ｋｅＶ以下のＫα特性Ｘ線を発生するクロム、銅などのターゲットによるマイクロフォーカス化を実現した。これによって、特性Ｘ線の準単色化によるコントラスト分解能向上させるとともに、ミクロンオーダーの空間分解能を達成することが可能となった。
【００４１】
Ｘ線発生器には、本実施形態で採用した密封管と、真空ポンプを備え、真空引きして使用する開放管があるが、開放管であっても本発明を適用することができる。また、Ｘ線発生器は、ターゲット構造により分類され、本実施形態で採用した反射型ターゲットを有する反射型Ｘ線発生器と、透過型ターゲットを有する透過型Ｘ線発生装置がある。透過型Ｘ線発生装置であっても本発明を適用することができる。
【００４２】
図６は、透過型Ｘ線発生装置を示す図で、図４の反射型Ｘ線発生装置と同様の参照番号を付してある。
【００４３】
透過型Ｘ線発生装置では、電子線が照射されるターゲット５５を薄く形成し、Ｘ線透過窓を兼用する。ターゲット５の電子が衝突する面とは反対の面からＸ線を発生させる。すなわちＸ線をターゲットを透過させて発生させる。透過型Ｘ線発生装置は、測定物あるいは検査物をＸ線発生点の極近傍めで近づけることができるので、大きな拡大が可能である。ただし、Ｘ線の出力は小さい。これに対して、本実施形態の反射型ターゲットは、厚く形成することができ、大容量の電子線を照射できるので大出力のＸ線を発生することができる。
【００４４】
本発明は、反射型ターゲットを有する密封管、透過型ターゲットを有する密封管、反射型ターゲットを有する開放管、透過型ターゲットを有する開放管、のいずれにも適用できる。
【００４５】
以下、本実施形態で採用した直接入射型のＣＣＤ検出器について説明する。直接入射型のＣＣＤ検出器は常温で動作させると熱雑音を発生し、蓄積した画素の輝度値を乱すので、熱雑音を下げるために、−２０℃以下に冷却して使用する。
【００４６】
従来使用されているＸ線画像検出器としては、Ｘ線フィルムのほかに、イメージインテンシファイア（ＣＣＤ型）、フラットパネル（ＣＭＯＳ型）などがあり、これらの検出器には、シンチレータとしてＣｓＩ：Ｔｌ、ＧＯＳ（Ｇｄ2Ｏ2Ｓ：Ｔｂ）、ＣｄＷＯ4等が用いられている。シンチレータは固有のＸ線エネルギー感度曲線をもち、高エネルギーＸ線に対する応答は良いが、低エネルギーＸ線に対しては感度が低い特性をもつ。したがって、生体材料や高分子材料のコントラストを高めるために、低エネルギーの特性Ｘ線を使用すると、これらのシンチレータでは発光強度が弱く、暗い画像となってしまう。
【００４７】
また、シンチレータを介したＸ線イメージング装置では、Ｘ線が一旦可視光に変換され、その可視光を可視領域のＣＭＯＳまたはＣＣＤカメラで画像化する。しかし、Ｘ線から輝度値までの２段階の信号変換は、入射Ｘ線エネルギーに対して、非線形な応答を示す。そのため、入射Ｘ線フォトンエネルギーに比例したコントラストが得られない。
【００４８】
これに対して、直接入射型のＣＣＤ検出器は、各画素において、入射Ｘ線フォトンエネルギーに比例した電荷を発生し、これを直接検出できる。これによりコントラスト分解能を高めることができる。
【００４９】
図７は、直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器の受光感度を示す図である。ＣＣＤの受感部となる空乏層は厚さ数μｍのシリコンであるため、入射Ｘ線エネルギーが大きいと、貫通してしまい、Ｘ線を検出できない。また、Ｘ線エネルギーが小さすぎると受感部に到達するフォトン数が減少し、電荷発生量が低下する。
【００５０】
図７に示す直接入射型ＣＣＤ検出器の受光感度すなわち検出効率の特性は、本実施形態のコントラスト分解能を高める上で大きな役割を果たす。直接入射型Ｘ線ＣＣＤの場合、約３〜４ｋｅＶに検出効率のピークがある。したがって、検出効率からみると、クロム（Ｋα１：５．４ｋｅＶ）、チタン（Ｋα１：４．５ｋｅＶ）が好ましい。これより大きなＸ線エネルギーでは、検出効率は低下し、例えば銅のＫα１（＝８．１ｋｅＶ）では、５〜６％の検出効率となる。つまり、直接入射型Ｘ線ＣＣＤでは、１０ｋｅＶ以上のＸ線を透過させてしまう、高エネルギーＸ線透過フィルターの役割を果たす。
【００５１】
１０ｋｅＶ以上のＸ線を透過するというのは、従来のＸ線フィルターにはない直接入射型Ｘ線ＣＣＤの特徴である。従来、Ｘ線スペクトルの帯域通過フィルターとして用いられてきたのは、Ｘ線回折等に用いられてきた金属元素のＫ殻吸収端を利用したフィルターであるが、これらは白色Ｘ線スペクトルの高エネルギー成分を十分に低下させることができなかった。
【００５２】
ところが、１０ｋｅＶ以下の特性Ｘ線を強く発生させる金属をターゲットとした特性Ｘ線発生器と、１０ｋｅＶ以上の高エネルギーＸ線を透過させる直接入射型Ｘ線ＣＣＤで構成される特性Ｘ線検査装置は、Ｘ線発生器側と検出器側での２段階の単色化によって、準単色特性Ｘ線イメージングが実現できる。この構成は、原子番号の低い元素で構成される生体材料や高分子を透過し、かつ、コントラスト分解能を高めるのに適している。
【００５３】
図８は、直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器とシンチレータ型フラットパネル検出器の撮影条件を比較した表を示す図である。
【００５４】
図８の表により、直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器とシンチレータ型フラットパネル検出器の撮影条件を比較すると、シンチレータ型フラットパネル検出器が、透過画像露光のために、より高強度のＸ線を必要とすることがわかる。フラットパネル検出器は、画素サイズがＣＣＤに比べて１０倍以上大きく受光面積も大きいものではあるが、シンチレータから可視光への変換、可視光からＣＣＤ電荷発生への信号変換を行うために、１０倍以上の高い管電流を必要とする。すなわち、フラットパネル検出器は、高出力のＸ線（ＣＣＤ検出器０．３２ワット、フラットパネル検出器６ワット）を必要とする。これは、Ｘ線発生器に大きな負荷を与え、発生器寿命を短縮させる可能性があるとともに、検出機器のＸ線損傷確率も高くなる。これは、特性Ｘ線画像検査装置の検出器として、直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器との組み合わせが適していることを示している。
【００５５】
なお、Ｘ線回折では、元素ごとの蛍光Ｘ線検出を高精度化するために、Ｋα特性Ｘ線の強度を低下させても、金属フィルターによる単色化を行う場合がある。これはバランストフィルターと呼ばれ、ＫαＸ線のみを取り出す方法として知られている。しかし、画像化を目的としたＸ線イメージングでは、厚みの大きいフィルターによる特性Ｘ線の粒子束低下は、検出素子の露光時間の延伸や画素値の変動をもたらす。本実施形態では、高コントラスト化に寄与するＫα特性Ｘ線成分の強度を維持しつつ、コントラストの低下をもたらす高エネルギー成分のみを、直接入射型Ｘ線ＣＣＤの検出特性を利用して排除する。従来のシンチレータ型検出器は、特性Ｘ線とともに高エネルギーＸ線も捕獲して可視光に変換してしまうため、このような高エネルギー成分のみのフィルタリングはできなかった。
【００５６】
ところで、図３に示されているように、１０ｋｅＶ以下の特性Ｘ線は空気によって大きく減衰する。Ｘ線焦点と検出面までの距離が３０ｃｍを超えると、１０ｋｅＶでは透過率が約９０％だが、８ｋｅＶでは約８０％、５ｋｅＶでは約３０％、２ｋｅＶではほとんど検出器にＸ線は到達しない。したがって、特性Ｘ線発生器と検出器までの距離を３０ｃｍ以下とすれば、特性Ｘ線の空気による減衰を抑制することができる。しかし、点光源から投影するＸ線透視画像では、Ｘ線焦点から被写体までの距離Ｌ１とＸ線焦点から検出器までの距離Ｌ２で幾何学的倍率Ｍがきまる（Ｍ＝Ｌ２／Ｌ１）ので、高分解能撮影のために拡大撮影する際に、Ｘ線発生器と検出器の距離をできるだけ離して設置することが必要となる。
【００５７】
Ｘ線発生器と検出器の距離が大きい場合、特に低エネルギーの特性Ｘ線成分の減衰が顕著となる。空気は窒素７８％、酸素２１％を含むので、クロムターゲットを使用した場合、画像化に必要な５．４ｋｅＶの特性Ｘ線成分の減衰が相対的に大きくなる。したがって、Ｘ線スペクトルが変化し、単色化の効果が妨げられ、コントラスト分解能が低下する。
【００５８】
図９は、空気中のＸ線通過経路を短くするために、Ｘ線焦点と検出器の間に配置された密閉容器を有する特性Ｘ線画像検査装置を示す図である。低エネルギーの特性Ｘ線成分の減衰を防ぐためには、Ｘ線焦点と検出器の間の距離を小さくするようにしてもよいが、拡大撮影の場合には、図９に示すように、空気中のＸ線通過経路を短くするために、試料４０とＣＣＤ検出器２０の間に、両端にＸ線透過窓６１、６２を備え、内部を真空に排気した密閉容器６０を配置する。
【００５９】
試料４０から出射したＸ線は、密閉容器６０の一端のＸ線透過窓６１から密閉容器６０に入り、密閉容器６０の他端のＸ線透過窓６２を通って、ＣＣＤ検出器２０に入る。Ｘ線透過窓６１、６２は、Ｘ線が透過しやすいポリイミド等からなる膜で外気と容器内部を隔てている。Ｘ線透過窓６１、６２は、矩形の開口を有する２枚の枠体によりポリイミド膜を挟むことにより作成することができる。ポリイミドは窒素、炭素、酸素等で構成される強度の高いフィルムなので、５０−１００μｍ厚さの膜で真空を維持しながら、低エネルギーＸ線を透過させることができる。
【００６０】
密閉容器６０は、真空ポンプ（図示せず）に接続される真空排気弁６３とヘリウムガス導入弁６５を備えている。密閉容器６０は、真空排気することにより０．１Ｐａ〜１０4Ｐａの範囲の気圧に調整可能である。密閉容器６０を配置することにより、Ｘ線の経路は、Ｘ線がＸ線発生器１０から試料４０を透過するまでの空気経路４５と、その後の密閉容器６０を通る真空経路４７となる。空気経路４５では空気によるＸ線の減衰があるが、空気経路４５は短いので、Ｘ線の減衰はほとんどなく、したがってコントラスト分解能の低下を抑えることができる。密閉容器６０には、ヘリウムガス導入弁６５によりヘリウムガスを導入してもよい。
【００６１】
以上のように、ポリイミド膜で両端を外気と隔てた密閉容器をＸ線通路に配置することにより、特性Ｘ線成分を低減させることなく、検出器に到達させることができる。この効果は、Ｘ線減衰の少ない原子番号の小さいヘリウムガス等を充填しても、等価的な効果を実現できる。
【００６２】
図１０（ａ）（ｂ）は、空気減衰によるクロムターゲットＸ線発生器スペクトルの変化を示す図である。具体的には、クロムターゲットＸ線発生器の焦点からの距離を変えた場合のスペクトル変化を、空気中で測定したものである。図１０（ａ）は、クロムターゲットＸ線発生器の焦点から３０ｃｍに検出器を配置して測定したものであり、図１０（ｂ）は、クロムターゲットＸ線発生器の焦点から１００ｃｍに検出器を配置して測定したものである。
【００６３】
空気による減衰が大きいのは、Ｘ線スペクトル成分のうち、低エネルギー成分なので、空気中の透過距離が大きくなると、Ｘ線スペクトルが変化する。図１０（ａ）（ｂ）を比較すると、空気層の影響を受けにくい高エネルギーの連続Ｘ線成分が相対的に増加していることがわかる。この連続Ｘ線成分の増加は特性Ｘ線画像のコントラストを低下させる要因と成る。したがって、図９に示す密閉容器を用いることにより、連続Ｘ線成分の相対的な増加を抑え、低エネルギーの特性Ｘ線による解像度を維持することができる。
【実施例】
【００６４】
（特性Ｘ線マイクロフォーカス管球）
１０ｋｅＶ以下のＫα特性Ｘ線を高強度で出力するクロムターゲットのマイクロフォーカスＸ線発生器と銅ターゲットのマイクロフォーカスＸ線発生器を作成した。アノードは、真空中で高電圧に印加されるとともに、Ｘ線に変換されない電子の運動エネルギーを蓄積するので、熱伝導のよい無酸素銅ロッドで構成し、放射窓方向に傾斜した端面にターゲット材を埋め込んだ。ターゲット上のＸ線焦点サイズは、１０μｍであり、照射角は３０度である。クロムターゲットを埋め込んだアノードは、６×６ｍｍ角、厚さ２ｍｍに成形したクロム（９９．９５％）片がアノードの傾斜端面に埋め込まれ、厚さ０．１ｍｍのＢｅ窓を通して放射状にＸ線が放出される。焦点から窓までの焦点窓距離は、１４．５ｍｍとした。
【００６５】
なお、管球容器外形は、９０×２７７×１３８．５ｍｍであり、最大管電圧は４０ｋＶ、最大管電流は４００μＡ、焦点熱容量は１０Ｗである。
【００６６】
図１１は、日本検査機器工業会（ＪＩＭＡ）のマイクロフォーカスＸ線用試験片ＲＲＣ−２を、直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器と、実施例として作成したクロムターゲットのマイクロフォーカス特性Ｘ線発生器で透視撮影し、３〜４μｍのスリットパターンが識別できた例である。撮影条件は、管電圧２０ｋＶ、管電流５０μＡ、Ｘ線焦点と検出器までの距離ＳＤ＝２０ｃｍ、拡大率２．０倍、検出器の蓄積時間５．０秒であった。この画像では、拡大率２０倍で、検出器画素サイズが８μｍであることから、１画素は約４μｍに相当する。したがって、３−４μｍのチャートパターンが撮影できたことから、実施例のクロムターゲットの焦点サイズは数ミクロン程度であり、高い空間分解能を持ったマイクロフォーカス特性Ｘ線発生器であることが確認できた。
【００６７】
（クロムと銅のＸ線スペクトルの計測）
図１２、図１３は、Ｘ線焦点から３０ｃｍの位置にスペクトル計測用の検出器を設置し、電子の加速電圧を変化させたときのＸ線スペクトルを計測した例を示す。図１２は、クロムターゲットによるものであり、図１３は、銅ターゲットによるものである。
【００６８】
クロムターゲットＸ線管の管電圧は１０ｋＶから３０ｋＶまで、銅ターゲットＸ線管の管電圧は１０ｋＶから４０ｋＶまで変化させた。検出器には入射フォトン数を調節するため、それぞれ１．０ｍと０．３ｍｍのコリメータを設置した。スペクトル検出器として、低エネルギーＸ線のスペクトル測定に適したシリコン検出器を用いた。この検出器は、ベリリウム窓厚さ２５μｍ、有効受光面積、５ｍｍ２、受感部厚さ０．５ｍｍ、エネルギー分解能１８５ｅＶ（ＦＷＨＭ）、適用エネルギー範囲１〜３０ｋｅＶ、という仕様のもので、１０ｋｅＶ以下のＸ線スペクトル計測に適している。
【００６９】
クロムのＫα１Ｘ線（＝５．４ｋｅＶ）、銅のＫαＸ線（＝５．４ｋｅＶ）とＫβ１Ｘ線（＝６．０ｋｅＶ）のピークが他の連続Ｘ線スペクトルに比べて顕著であることがわかる。これは、図１のタングステンＸ線発生器のスペクトルと比べて、単色性が著しく向上していることを示している。
【００７０】
なお、原子番号２０〜３０の元素の特性Ｘ線ほど強度は大きくないが、原子番号の大きい元素の特性Ｘ線Ｌα１、Ｌβ１が１０ｋｅＶとなる元素も、本発明のターゲット材料として利用可能である。例えば、タングステン（原子番号７４）ではＬα１＝８．４０ｋｅＶ、Ｌβ１＝９．６７ＫｅＶ、タンタル（原子番号７３）ではＬα１＝８．１４ｋｅＶ、Ｌβ１＝９．３４ＫｅＶ、レニウム（原子番号７５）ではＬα１＝８．６５ｋｅＶ、Ｌβ１＝１０．０ＫｅＶである。
【００７１】
図１４は、１０ｋｅＶ以下における銅とタングステンターゲットの特性Ｘ線スペクトル強度の比較を示す図である。図１４には、銅のＫα１とＫβ１Ｘ線のピークと、タングステンのＬα１Ｘ線とＬβ１Ｘ線のピーク（Ｌα＝８．４ｋｅＶ、Ｌβ＝９．７ｋｅＶ）が示されている。図１４によると、１０ｋｅＶ以下における銅とタングステンターゲットの特性Ｘ線スペクトル強度は、銅の方が数倍高く、フォトン粒子束が必要なＸ線イメージングには、銅やクロムのＫαＸ線を用いるほうが強度と単色性の点で適していることが分かる。
【００７２】
（Ｘ線ＣＣＤ画像検出器）
直接入射型のＸ線ＣＣＤ画像検出器は、１）高エネルギーＸ線に感度がないためＸ線スペクトルの単色性が高まる（図７参照）、２）Ｘ線フォトンを直接電荷に変換できるため、フォトンエネルギーに比例した電荷発生によって、１０ｋｅＶ以下のＸ線でコントラスト分解能が高い、という特徴がある。
【００７３】
従来のシンチレータ検出器は、シンチレータ材が低エネルギーＸ線のみならず、１０ｋｅＶ以上の連続Ｘ線も捕獲してしまうため、特性Ｘ線の単色性が損なわれ、コントラストが低下する。また、Ｘ線エネルギー、フォトン数、シンチレータで変換される可視光量、ＣＣＤ素子の応答の間に、非線形的な関係があり、被写体の構成成分を反映した輝度値が出にくいため、コントラスト分解能をあげることが難しい。
【００７４】
また、実施例で使用したＣＣＤ検出器の画素サイズは８μｍなので、マイクロフォーカスＸ線発生器との組み合わせることにより、少なくとも８μｍ以下の空間分解能を達成することが可能である。なお、ＣＣＤ検出器では、露光時間の設定が数ミリ秒〜１０秒の範囲で設定可能なので、入射するＸ線強度に合わせて、最適な撮影条件を選択することができる。
【００７５】
（Ｘ線画像）
本実施例の装置の特徴を示すため、１０ｋｅＶ以下のＫα特性Ｘ線を発生する銅およびクロムターゲットと従来のタングステンターゲット、シンチレータ付きフラットパネル検出器と直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器による画像の比較を行った。組み合わせたシステムとして、以下の４種類の透過Ｘ線撮像装置を準備した。実施例の装置は装置構成２および装置構成４である。
【００７６】
装置構成１（比較例）：銅ターゲットのＸ線発生器とシンチレータ付きフラットパネル検出器
装置構成２（実施例）：銅ターゲットのＸ線発生器と直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器
装置構成３（比較例）：タングステンターゲットのＸ線発生器と直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器
装置構成４（実施例）：クロムターゲットのＸ線発生器と直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器
【００７７】
測定試料として、厚さ１０μｍのポリ塩化ビニリデンを１ｍｍづつずらして重ねたフィルムステップ（以下、ＰＣＶフィルムステップ）、および、体長７ｍｍのアリ（クロヤマアリ、学名：Ｆｏｒｍｉｃａ （Ｓｅｒｖｉｆｏｒｍｉｃａ） ｊａｐｏｎｉｃａ Ｍｏｔｓｃｈｕｌｓｋｙ、以下、アリ）を準備した。
【００７８】
図１５(ａ)〜（ｄ）は、ＰＣＶフィルムステップとアリを、装置構成１（比較例）と装置構成２（実施例）で撮影し、同じ銅ターゲットのＸ線発生器を用いて、検出器の違いを比較した図である。図１５（ａ）は、直接入射型Ｘ線検出器を用いて撮影されたＰＣＶフィルムステップであり、図１５（ｂ）は、直接入射型Ｘ線検出器を用いて撮影されたアリである。これに対して、図１５（ｃ）は、シンチレータ付きフラットパネル検出器を用いて撮影されたＰＣＶフィルムステップであり、図１５（ｄ）は、シンチレータ付フラットパネル検出器を用いて撮影されたアリである。なお、撮影条件は、図８に示す表のとおりである。
【００７９】
ＰＣＶフィルムでは、図１５(ａ)（ｃ）ともに、厚みの増加に対応して輝度値が領域ごとに低下する画像が得られているが、図１５(ａ)の直接入射型Ｘ線ＣＣＤカメラに比べて、図１５(ｃ)のシンチレータ付きフラットパネルは、厚みの変化に対する輝度の変化が小さくコントラストが低いこと、領域の境界が滲んでいて空間分解能が低いことがわかる。空間分解能に関しては、ＣＣＤ検出器の画素サイズ８μｍに対しフラットパネルは１００μｍであるため、ＣＣＤ検出器の方が空間分解能は高い。
【００８０】
また、図１５(ｂ)（ｄ）のアリの投影画像を比較することで、銅ターゲットＸ線発生器のＸ線エネルギー範囲においては、空間分解能とコントラスト分解能とも、直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器が優れていることが分かる。
【００８１】
なお、これらの画像を取得するにあたり、直接入射型Ｘ線ＣＣＤでは管電圧２０ｋＶ管電流１６μＡ（出力０．３２Ｗ）の条件に対し、シンチレータ型フラットパネルでは管電圧３０ｋＶ管電流３００μＡ（出力９Ｗ）が必要であった。これは、Ｘ線ＣＣＤがフォトンエネルギーを直接的に電荷に変換するのに対し、シンチレータ型フラットパネルでは、シンチレータを発光させるために高いＸ線強度が必要であることによる。したがって、Ｘ線ＣＣＤ検出器の使用により、Ｘ線発生器の負荷を大幅に軽減できる効果がある。
【００８２】
図１６(ａ)〜（ｄ）は、タングステンターゲットとクロムターゲットＸ線発生器による画像比較（直接入射型Ｘ線ＣＣＤカメラ使用）を示す図である。すなわち、図１６(ａ)（ｂ）は、装置構成３（比較例：タングステンターゲット）による画像であり、図１６(ｃ)（ｄ）は、装置構成４（実施例：クロムターゲット）による画像である。
【００８３】
図１６(ａ)〜（ｄ）に示すように、同じ直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器を使った場合、特性Ｘ線のエネルギーが異なるタングステンターゲットとクロムターゲットでは、クロムターゲットを使用した図１６(ｃ)（ｄ）の方が、コントラスト分解能が高い。すなわち、ＰＣＶフィルムステップとアリの透過画像双方において、クロムターゲットを使用した図１６(ｃ)（ｄ）に見られるように、濃淡の明瞭な画像が獲られている。
【００８４】
３０ｋＶ以下の加速電圧でもタングステンターゲットからＬαの特性Ｘ線が発生するが、その強度は、図１４にあるように、クロムのＫαＸ線（＝５．４ｋｅＶ）よりもかなり低く、また、ＬαＸ線（＝８．４ｋｅＶ）自体のＸ線ＣＣＤ検出器に対する感度が低いので、クロムターゲットＸ線発生器の画像のほうが、高画質になっている。
【００８５】
図１７（ａ）〜（ｃ）は、ＰＣＶフィルムステップの厚さに対する輝度の変化率、すなわちコントラスト感度を示すグラフである。図１７（ａ）がタングステンターゲットによるものであり、図１７（ｂ）が銅ターゲットによるものであり、図１７（ｃ）がクロムターゲットによるものである。
【００８６】
試料が投影された透過画像を、試料がない場合のバックグランド画像で画素ごとに割り算をし、そのＬｏｇを求め、それぞれの厚さの画像領域における平均値を示した。エラーバーは分散を示す。グラフの横軸は、フィルム厚さであり、Ｌｏｇを計算することで、各画素での線吸収係数が算出される。
【００８７】
このプロットの傾きは、厚みに対する検出器の輝度の変化率を表している。この傾きが大きいほど、厚みの変化に対する輝度の感度、すなわちコントラスト分解能が高いということを示す。図１７（ａ）のタングステンターゲットの傾きは０．６／７０μｍであるのに対し、図１７（ｂ）（ｃ）の銅およびクロムターゲットでは、それぞれ、０．７／７０μｍ、１．３／７０μｍとなっている。特に図１７（ｃ）のクロムターゲットのコントラスト分解能が高いことがわかる。
【００８８】
このように、実施例である装置構成２および装置構成４によって、炭素、窒素、酸素、水素等の元素で構成される生体試料や高分子材料が、従来のＸ線検査装置に比べて、より明瞭に判別できることが示された。これまでの高エネルギーＸ線検査装置では、このような低コントラスト試料を識別することは難しかった。これらの例から、１）１０ｋｅＶ以下の特性Ｘ線を放出するターゲット材質の伝熱特性を考慮したマイクロフォーカス化、２）Ｋα特性Ｘ線の放出と直接入射型Ｘ線ＣＣＤ検出器の高エネルギー連続Ｘ線成分の排除効果による準単色化、によって、生体材料や高分子材料に対して、従来の装置では得られなかった高いコントラスト化と高空間分解能化が実現できることが示された。
【符号の説明】
【００８９】
１００ Ｘ線画像検査装置
１０ Ｘ線発生器
１ カソード
２ グリッド
３ 静電レンズ
４ 電子線
９ 密封管９
５、５５ ターゲット
６ ターゲット支持部材
７ 冷却通路
８ 冷却水
９ 密封管
９１ Ｘ線窓
２０ Ｘ線検出器
２２ ペルチエ素子
３０ 試料台
４０ 試料
４５ 空気経路
４７ 真空経路
６０ 密閉容器
６１、６２ Ｘ線透過窓
６３ 真空排気弁
６５ 空気導入弁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１０ｋｅＶ以下のＫα特性Ｘ線を発生するＸ線ターゲットを有する特性Ｘ線発生器と、
直接入射型冷却Ｘ線ＣＣＤ検出器と、を備え、
前記Ｋα特性Ｘ線発生器と前記直接入射型冷却Ｘ線ＣＣＤ検出器との間に配置された試料を透過したＸ線を検出することにより撮像することを特徴とするＸ線画像検査装置。
【請求項２】
前記Ｘ線ターゲットは、原子番号が２０から３０までの金属から形成されることを特徴とする請求項１に記載のＸ線画像検査装置。
【請求項３】
前記Ｘ線ターゲットは、クロム、銅、ニッケル、鉄のいずれか１つであることを特徴とする請求項２に記載のＸ線画像検査装置。
【請求項４】
前記Ｘ線ターゲットのＸ線焦点サイズは、１μｍ以上で５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか1項に記載されたＸ線画像検査装置。
【請求項５】
前記特性Ｘ線発生器と直接入射型冷却Ｘ線ＣＣＤ検出器との間のＸ線経路中に、両端にＸ線透過膜を備えた、真空の密閉容器またはヘリウムガスを充填した密閉容器を配置したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載されたＸ線画像検査装置。
【請求項１】
１０ｋｅＶ以下のＫα特性Ｘ線を発生するＸ線ターゲットを有する特性Ｘ線発生器と、
直接入射型冷却Ｘ線ＣＣＤ検出器と、を備え、
前記Ｋα特性Ｘ線発生器と前記直接入射型冷却Ｘ線ＣＣＤ検出器との間に配置された試料を透過したＸ線を検出することにより撮像することを特徴とするＸ線画像検査装置。
【請求項２】
前記Ｘ線ターゲットは、原子番号が２０から３０までの金属から形成されることを特徴とする請求項１に記載のＸ線画像検査装置。
【請求項３】
前記Ｘ線ターゲットは、クロム、銅、ニッケル、鉄のいずれか１つであることを特徴とする請求項２に記載のＸ線画像検査装置。
【請求項４】
前記Ｘ線ターゲットのＸ線焦点サイズは、１μｍ以上で５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか1項に記載されたＸ線画像検査装置。
【請求項５】
前記特性Ｘ線発生器と直接入射型冷却Ｘ線ＣＣＤ検出器との間のＸ線経路中に、両端にＸ線透過膜を備えた、真空の密閉容器またはヘリウムガスを充填した密閉容器を配置したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載されたＸ線画像検査装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１７】
【図１１】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１７】
【図１１】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１０−２１７０９８（Ｐ２０１０−２１７０９８Ａ）
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−６６５８４（Ｐ２００９−６６５８４）
【出願日】平成２１年３月１８日（２００９．３．１８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度、経済産業省「中小・ベンチャー企業の検査・計測機器等の調達に向けた実証研究事業（「産業技術研究開発事業（中小企業支援型）」）、生体材料構造評価装置の開発」産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【出願人】（５９１１４６７９０）ソフテックス株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１８日（２００９．３．１８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度、経済産業省「中小・ベンチャー企業の検査・計測機器等の調達に向けた実証研究事業（「産業技術研究開発事業（中小企業支援型）」）、生体材料構造評価装置の開発」産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【出願人】（５９１１４６７９０）ソフテックス株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
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