JP2019029273A - Ｘ線管、ｘ線検査装置、およびｘ線検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の電源の電圧を切り替えることなく、かつ複数の陰極を用いることなく、異なるＸ線光子エネルギーのＸ線を照射できるＸ線管を得る。【解決手段】Ｘ線管１５０は、少なくとも２種類の材質の陽極材を具備し、２種類の材質の陽極材が並ぶ陽極２と、陽極２における陰極線照射領域に陰極線１１を照射して、陽極材の材質に対応したＸ線光子エネルギーを有する特性Ｘ線を陰極線照射領域から発生させる陰極１とを備えたものである。【選択図】 図１

Description

この発明はＸ線管、このＸ線管を用いたＸ線検査装置、およびこのＸ線検査装置を用いたＸ線検査方法に関する。

Ｘ線透視やＸ線ＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）検査で行われるＸ線画像診断では、あるエネルギーを持った照射Ｘ線が物体を透過する際に一部吸収されて生じる透過Ｘ線の減衰効果を利用して、透過Ｘ線画像を撮影する撮影手法であるＸ線撮影手法が用いられる。このＸ線撮影手法は一種の影絵であるため、Ｘ線撮影手法によって、被験体を非侵襲および非破壊で観察可能である。よって、Ｘ線撮影手法は、生体組織のレントゲン撮影や、工業製品の非破壊検査などに従来から用いられている。また、この撮影手法は、産業分野においては、電子部品の非破壊検査手法の代表格となっている。

従来のＸ線撮影手法では、Ｘ線管から照射されるＸ線のＸ線光子エネルギーを変化させて物質の材質を識別するデュアルエナジーＸ線イメージングと称される方法があった。このデュアルエナジーＸ線イメージングでは、高電圧電源を用いてＸ線管に印加される管電圧を調整することによって、陽極から発生するＸ線のＸ線光子エネルギーを制御していた。

従来のＸ線管においては、Ｘ線管の高電圧電源の出力電圧を切り替えるために、異なる条件の高電圧電源の出力電圧の設定を２つ設けている。そして、このＸ線管は、データの収集装置の収集タイミングに合わせて、Ｘ線管に印加される電圧である管電圧の大きさに対応する高電圧電源の出力電圧の設定に切り替えることによって、Ｘ線管の管電圧の変更を達成していた（例えば、特許文献１参照）。

また、従来の別のＸ線管は、１つの陽極材に対して、予め異なる出力電圧に設定しておいた複数の高電圧電源のそれぞれに接続された陰極を複数備えている。このＸ線管は、これらの複数の陰極のそれぞれから陰極線を陽極材に照射して異なるＸ線光子エネルギーのＸ線を得ていた（例えば、特許文献２参照）。

また、従来の別のＸ線管は、１種類の合金からなる陽極材で構成される回転する陽極に対して、陽極から発生するＸ線の強度の切替を行うために、高電圧発生部によってＸ線管に印加される管電圧を制御していた（例えば、特許文献３参照）。

特開２００４−３６３１０９号公報 特開２０１３−２３３号公報 特開２０１４−６１２８７号公報

特許文献１および特許文献３における従来技術によるデュアルエナジーＸ線イメージングでは、高電圧電源の出力電圧を変化させて所望の管電圧の値を得るため、低い管電圧の値と高い管電圧の値との切り替えに時間がかかり、照射されるＸ線のＸ線光子エネルギーが安定するまでに時間を要する欠点があった。

また、電圧変動に伴うＸ線の安定性に関する課題を解決すべく考案された特許文献２における従来技術においても、陰極が複数設置され、高電圧電源も増えてしまうため、Ｘ線管が高コストとなる欠点があった。

本発明は、前述のような課題を解決するためになされたものであり、複数の電源の電圧を切り替えることなく、かつ複数の陰極を用いることなく、異なるＸ線光子エネルギーのＸ線を照射できるＸ線管を得ることを目的とする。

この発明に係るＸ線管は、
少なくとも２種類の材質の陽極材を具備し、２種類の材質の陽極材が並ぶ陽極と、
陽極における陰極線照射領域に陰極線を照射して、陽極材の材質に対応したＸ線光子エネルギーを有する特性Ｘ線を陰極線照射領域から発生させる陰極とを備えたものである。

上記のように構成されたＸ線管において、複数の電源の電圧を切り替えることなく、かつ複数の陰極を用いることなく、異なるＸ線光子エネルギーのＸ線を照射できる。

この発明の実施の形態１におけるＸ線管の構成図である。 この発明の実施の形態１における図１のＸ線管における陽極駆動部の側面図である。 この発明の実施の形態１における図１のＸ線管における陽極駆動部の正面図である。 この発明の実施の形態１において図２の陽極駆動部の動作後の図である。 この発明の実施の形態１における図３の陽極駆動部の動作後の図である。 この発明の実施の形態１における図１のＸ線管における陽極の側面図である。 この発明の実施の形態１における図１のＸ線管における陽極の正面図である。 この発明の実施の形態１における図１のＸ線管における陽極の第１変形例の正面図である。 この発明の実施の形態１における図１のＸ線管における陽極の第２変形例の側面図である。 この発明の実施の形態１における図１のＸ線管における陽極の第２変形例の正面図である。 この発明の実施の形態１におけるＸ線管の陽極にインジウムを用いた場合の陽極から発生するＸ線のＸ線光子エネルギー分布である。 この発明の実施の形態１におけるＸ線管の陽極にタングステンを用いた場合の陽極から発生するＸ線のＸ線光子エネルギー分布である。 この発明の実施の形態１におけるＸ線管の陽極に金を用いた場合の陽極から発生するＸ線のＸ線光子エネルギー分布である。 この発明の実施の形態１における図１の陽極の変位に対応した２次元センサへのレーザ光入射位置の変化図である。 この発明の実施の形態２におけるＸ線検査装置の構成図である。 この発明の実施の形態２におけるＸ線検査装置の制御フロー図である。 この発明の実施の形態２におけるＸ線検査装置の変形例の構成図である。

以下、図を参照してこの発明の実施の形態に係るＸ線管、Ｘ線検査装置、およびＸ線検査方法について詳細を説明する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１を説明する。以下の図の記載において、同一又は類似に相当する部分には同一又は類似の参照番号を付し、説明を省略する。また、以下の説明で用いられる図は理解の容易のために用いる模式的な図であり、各寸法の比率は実際とは異なる場合がある。各図の相互間においても寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることも勿論である。なお、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更して実施が可能なものである。

図１は、この発明を実施するための実施の形態１におけるＸ線管の構成図である。
本実施の形態のＸ線管１５０は、陰極１と、陽極２と、陽極駆動部３と、レーザ光源４と、２次元センサ５からなる変位センサ５と、Ｘ線管ケース６とを備えている。Ｘ線管ケース６内には、陰極１と、陽極２と、陽極駆動部３と、レーザ光源４と、２次元センサ５とが収められている。陰極１は、Ｘ線管ケース６に固定されている。

また、陰極１は、高電圧電源７の負極側と接続されている。陽極２は、高電圧電源７の正極側と接続されている。ここで、高電圧電源７は、数十ｋＶから数百ｋＶの電圧を印加する電源のことをいい、以下では単に電源と呼ぶ。陰極１と陽極２との間には、電源７によって、数十ｋＶから数百ｋＶの電圧が印加される。

陰極１と陽極２との間には、２個の電磁レンズ８が設けられている。２個の電磁レンズ８の間を、陰極１および陽極２の間に高電圧が印加されて陰極１から出射された陰極線１１が通る。２個の電磁レンズ８の間に電圧をかけて電場を発生させることによって、陰極線１１が陽極２の表面で焦点となって集束する。

陽極２の表面には、レーザ光源４から出射されたレーザ光４１が照射される。レーザ光４１が陽極２の表面で反射してレーザ反射光４２が発生する。２次元センサ５は、レーザ反射光４２を受光し、陽極２における反射位置を検出している。陰極線１１が陽極２に照射されることにより、Ｘ線１２が陽極２表面から発生する。発生したＸ線１２は、Ｘ線透視やＣＴ解析に利用される。Ｘ線１２は、Ｘ線管ケース６に設けられたＸ線窓６１を通過してＸ線管１５０の外に出射する。また、Ｘ線窓６１は、Ｘ線を吸収しにくい材料で構成されている必要がある。例えば、Ｘ線窓６１の材料としては、ベリリウムなどの材料が適当である。

陽極２は、陽極駆動部３によって回転支持されている。陽極２には電源７によって高電圧が印加される。このため、陽極２と陽極駆動部３との接触部は、電気的に絶縁された状態である必要がある。例えば、接触部に電気伝導性が低いセラミックス製のインシュレータ２１を設置することが考えられる。なお、陽極２と陽極駆動部３との接触部は、電源７によって印加される数百ｋＶの電圧が絶縁される構造であれば、絶縁の構造は問わない。

図２は、本実施の形態における図１のＸ線管における陽極駆動部の側面図である。図３は、本実施の形態における図１のＸ線管における陽極駆動部の正面図である。ここで、側面図は、回転軸３２およびＹ軸駆動部３４の駆動方向を含む平面に垂直な方向から見た図である。また、正面図は、回転軸３２に沿う方向であって、かつ回転軸３２からモータ３１に向かう方向に見た図である。図２および図３を参照しながら、本実施の形態の陽極駆動部３の構成について説明する。

陽極駆動部３は、Ｘ線管ケース６に固定されており、モータ３１を支持している。モータ３１は、回転軸３２を回転させる。回転軸３２の先端部には、陽極２が取り付けられる。モータ３１を支持する陽極駆動部３は、少なくとも互いに直交する３軸の自由度を有している。すなわち、陽極駆動部３は、Ｘ軸駆動部３３と、Ｙ軸駆動部３４と、Ｚ軸駆動部３５とを有する。Ｚ軸駆動部３５の駆動方向は、回転軸３２の軸方向に一致している。Ｘ軸駆動部３３と、Ｙ軸駆動部３４と、Ｚ軸駆動部３５とのそれぞれには、外部から駆動制御信号を供給するための配線が接続されている（図示せず）。このため、外部からの信号によって、Ｘ軸駆動部３３と、Ｙ軸駆動部３４と、Ｚ軸駆動部３５とを容易に駆動することが可能である。

図４は、本実施の形態における図２の陽極駆動部の動作後の図である。図５は、本実施の形態における図３の陽極駆動部の動作後の図である。図４および図５を参照しながら、陽極駆動部３の動作について説明する。
図４および図５は、Ｘ軸駆動部３３とＹ軸駆動部３４とＺ軸駆動部３５とがそれぞれ駆動して、モータ３１の位置が移動した後の図である。Ｘ軸駆動部３３が３３'、 Ｙ軸駆動部３４が３４'、およびＺ軸駆動部３５が３５'の位置まで駆動することによって、モータ３１の位置が、３１'に移動する。モータ３１の軸に連結された回転軸３２の位置が、３２'の位置に移動する。これに伴って、回転軸３２の先端に取り付けた陽極２に陰極線１１が照射する位置を変位させることができる。このため、陽極駆動部３は、陽極２に陰極線１１が照射する位置を、自在に変更可能である。なお、モータ３１が移動する位置は、図４および図５で示す位置に限らない。

図６は、本実施の形態における図１のＸ線管における陽極の側面図である。図７は、本実施の形態における図１のＸ線管における陽極の正面図である。図６および図７を参照しながら、本実施の形態における陽極２の構造を説明する。
図６および図７において、陽極２は、円錐台形状の側面である側面部と、円形状の上底と、上底より半径が大きい半径を有する円形状の下底とを有する構造体である。陽極２の形状は、円錐形状であってもよい。陽極２の下底の面の中心には、モータ３１の軸に連結された回転軸３２が取り付けられている。陽極２は、モータ３１の駆動によって回転する。このＸ線管１５０は、いわゆる回転陽極型の構造となっている。

本実施の形態における陽極２は、２種類の材質の陽極材である、２個の第１の陽極材２２、および２個の第２の陽極材２３を有している。第１の陽極材２２、および第２の陽極材２３が、陽極２の側面部において回転方向である周方向に交互に並んで陽極２が構成されている。陽極２は、少なくとも２種類の材質の陽極材を有していればよい。また、陽極２の回転は、連続回転でもよいし、時間を空けて回転するステップ回転でもよい。

回転する陽極２に対して陰極線１１が照射されると、陽極２が１回転する間に、２個の第１の陽極材２２に１回ずつの計２回、２個の第２の陽極材２３に１回ずつの計２回の陰極線１１の照射が行われる。よって、白色Ｘ線に特性Ｘ線が加えられたＸ線１２が、陽極２の側面部において陰極線１１が照射される陰極線照射領域から発生する。

図８は、本実施の形態における図１のＸ線管における陽極の第１変形例の正面図である。図８において、第１変形例の陽極２ａは、３種類の材質の陽極材である、１個の第１の陽極材２２、１個の第２の陽極材２３、および１個の第３の陽極材２４を有している。第１の陽極材２２、第２の陽極材２３、および第３の陽極材２４が、陽極２の側面部において、図８における反時計回りとなる回転方向である周方向に順番に並んで陽極２が構成されている。

回転する第１変形例の陽極２ａに対して陰極線１１が照射されると、第１変形例の陽極２ａが１回転する間に、第１の陽極材２２と、第２の陽極材２３と、第３の陽極材２４とに１回ずつ陰極線１１の照射が行われる。よって、陰極線１１が照射された陽極材の材質に対応する特性Ｘ線が白色Ｘ線に加えられたＸ線１２が、陽極２の側面部における陰極線照射領域から発生する。

なお、図６および図７では、２つのそれぞれ異なる第１の陽極材２２と第２の陽極材２３とを円環状に交互に並べて配置した例を示したが、図８で示すように、３種類以上の異なる材質の陽極材を任意の順序で取り付けてもよい。

図９は、本実施の形態における図１のＸ線管における陽極の第２変形例の側面図である。図１０は、本実施の形態における図１のＸ線管における陽極の第２変形例の正面図である。図９および図１０において、第２変形例の陽極２ｂは、台形断面の側面を含む側面部と、台形断面の上底を含む上底部と、台形断面の下底を含む下底部とからなり、台形断面に垂直な方向に予め定められた長さを有する四角柱の構造体である。また、第２変形例の陽極２ｂは、２種類の材質の陽極材である、第１の陽極材２２、および第２の陽極材２３を有している。第１の陽極材２２、および第２の陽極材２３は、陽極２の台形断面に垂直な方向に交互に並んでいる。第２変形例の陽極２ｂは、第１の陽極材２２、および第２の陽極材２３が並ぶ方向に沿って移動可能に、直線状のレールガイド２５で支持されている。第２変形例の陽極２ｂは、陽極駆動部３のＹ軸駆動部３４が駆動することによって、レールガイドに２５沿って、図１０で示すＲの矢印方向に直線状の往復運動をすることができる。なお、往復運動の手段は、Ｙ軸駆動部３４に限らず、例えば、油圧やエアシリンダーのような空気圧等によって駆動するものでもよい。

第２変形例の陽極２ｂが１往復の直線運動をする間に、第１の陽極材２２に４回、第２の陽極材２３に４回ずつ陰極線１１の照射が行われる。上記の他の例と同様に、白色Ｘ線に特性Ｘ線が加えられたＸ線１２が、陽極２の側面部における陰極線照射領域から発生する。

なお、陽極材の側面部に対して陰極線１１が照射されて側面部が発熱しても、陽極２の熱ひずみが問題とならないならば、陽極２の形状は、円錐台形状、円錐形状、または直線形状に限らない。

図１１は、本実施の形態におけるＸ線管の陽極にインジウムを用いた場合の陽極から発生するＸ線のＸ線光子エネルギー分布である。図１２は、本実施の形態におけるＸ線管の陽極にタングステンを用いた場合の陽極から発生するＸ線のＸ線光子エネルギー分布である。図１３は、本実施の形態におけるＸ線管の陽極に金を用いた場合の陽極から発生するＸ線のＸ線光子エネルギー分布である。図１１から図１３において、横軸は、Ｘ線光子エネルギーを表す。縦軸は、任意の光子数で規格化した相対光子数を表す。

図１１から図１３は、陽極材の候補となる高電圧電源の電圧の内、１００ｋＶの高電圧を陰極１に印加した際に、各陽極材から発生するＸ線１２のＸ線光子エネルギー分布をそれぞれ例示している。具体的には、図１１から図１３は、インジウム（図１１におけるIｎを指す）、タングステン（図１２におけるＷを指す）、金（図１３におけるＡｕを指す）を陽極材として用いた際に発生するＸ線光子エネルギー分布をそれぞれ示している。図１１のＩｎ：２８．５０８［ｋｅＶ］の値、図１２のＷ：５８．８５６［ｋｅＶ］の値、および図１３のＡｕ：６８．１７７［ｋｅＶ］の値は、それぞれ鋭いピークを持つ特性Ｘ線にあたる部分のＸ線光子エネルギーの値である。図１１から図１３において、広範囲に分布するブロードな部分が、制動Ｘ線由来の連続Ｘ線にあたるＸ線光子エネルギー分布である。連続Ｘ線は、白色Ｘ線とも呼ばれるため、以降では、連続Ｘ線を白色Ｘ線と呼ぶ。

連続Ｘ線の部分のみに着目した場合、最大Ｘ線光子エネルギー値と、最大光子数となるＸ線光子エネルギー値は、陰極と陽極との間に印加する高電圧電源の電圧値すなわち管電圧と、電流値すなわち管電流とで決まる。このため、陽極材を変更しても、白色Ｘ線のＸ線光子エネルギー分布は変化しない。

一方、特性Ｘ線は、発生源である陽極材の材質固有のＸ線光子エネルギーを有する。このことから、図１１から図１３の特性Ｘ線は、インジウム、タングステン、金のそれぞれの材質に由来する鋭いピークを示すＸ線光子エネルギー分布を持つため、陽極材ごとに特性Ｘ線由来のＸ線光子エネルギー値が変動する。これによって、第１の陽極材２２から発生するＸ線１２のＸ線光子エネルギー分布と、第２の陽極材２３から発生するＸ線１２のＸ線光子エネルギー分布は、各陽極材の特性Ｘ線のＸ線光子エネルギー分だけ異なる。

また、Ｘ線１２が試料を透過する際の透過能は、Ｘ線１２のＸ線光子エネルギーとＸ線１２が透過する試料となる物質のＸ線吸収係数とに依存する。物質固有の値であるＸ線吸収係数は、Ｘ線１２のＸ線光子エネルギーに依存している。また、Ｘ線吸収係数は、Ｘ線吸収端近傍で大きくなるという特徴を有する。この特徴を利用するため、まず複数の異なるＸ線光子エネルギー分布となる条件でＸ線１２を物質に照射して、複数の透過Ｘ線画像を取得する。そして、それぞれの透過Ｘ線画像の輝度からＸ線吸収係数を算出することによって、物質の材質を識別することができる。この識別方法は、デュアルエナジーＸ線イメージング（またはデュアルエナジーＸ線ＣＴ解析）と称される。

デュアルエナジーＸ線イメージングを行うには、複数のＸ線光子エネルギー分布となる条件で発生させたＸ線１２を個別に調査対象である試料へ照射する必要がある。このため、Ｘ線光子エネルギーを異なる値に制御可能なＸ線管が必要となる。Ｘ線管１５０では、陰極と陽極との間に外部電源から印加された高電圧により陰極線１１が発生する。そして、陰極線１１が陽極２に照射された箇所である焦点からＸ線１２が発生する。発生したＸ線１２は、調査対象の試料に照射される。試料に入射し所定のＸ線光子エネルギーを有するＸ線１２である入射Ｘ線の強度に対して、試料を透過したＸ線１２である透過Ｘ線の強度を計測する。そして、Ｘ線１２のＸ線光子エネルギーを変化させた入射Ｘ線に対して、同様に透過Ｘ線の強度を計測する。この２つの異なるＸ線光子エネルギーの入射Ｘ線に対して、入射Ｘ線の強度と透過Ｘ線の強度との比、およびＸ線吸収係数を求めて調査対象の試料の材質を特定できる。

したがって、本実施の形態におけるＸ線管１５０は、少なくとも２種類の材質の陽極材を具備し、２種類の材質の陽極材が並ぶ陽極２と、陽極２における陰極線照射領域に陰極線１１を照射して、陽極材の材質に対応したＸ線光子エネルギーを有する特性Ｘ線を陰極線照射領域から発生させる陰極１とを備えている。
そして、第１の種類の材質の陽極材から第２の種類の材質の陽極材へ陰極線照射領域が移動するとき、陽極２は、陽極材の材質に対応した互いに異なるＸ線光子エネルギーを有する特性Ｘ線を陰極線照射領域から発生する。

この構成によって、本実施の形態におけるＸ線管１５０は、複数の電源の電圧を切り替えることなく、かつ複数の陰極１を用いることなく、異なるＸ線光子エネルギーのＸ線を照射できるデュアルエナジーＸ線イメージングを行うことが可能となる。

また、本実施の形態の図６から図８において、陽極２は、モータ３１に連結された回転軸３２が回転することによって、第１の種類の材質の陽極材および第２の種類の材質の陽極材が並ぶ方向に陽極材を移動させる。
したがって、この構成によっても、本実施の形態におけるＸ線管１５０は、複数の電源の電圧を切り替えることなく、かつ複数の陰極１を用いることなく、異なるＸ線光子エネルギーのＸ線を照射できるデュアルエナジーＸ線イメージングを行うことが可能となる。

なお、陽極材を円盤状に成型し、陽極表面に陰極線を照射した際に陽極裏面から発生するＸ線１２を利用した透過型Ｘ線発生系でも、本発明の効果が理論的には得られる。しかしながら、Ｘ線１２を発生するためには、円盤状の陽極の厚みを薄くする必要がある。このため、陰極線の照射によって発生する発熱が原因で、陽極材の歪みが発生しやすい。 そのため、本実施の形態における回転型の陽極で発生するＸ線１２の強度は、透過型の陽極で発生するＸ線１２の強度よりも大きくすることができる。よって、本実施の形態の回転型の陽極は、所望のＸ線１２の積算量を得るまでに要する時間を、透過型の陽極よりも短縮できる利点がある。

図１４は、本実施の形態における図１の陽極の変位に対応した２次元センサへのレーザ光入射位置の変化図である。図１４を参照しながら、本実施の形態における２次元センサ５について説明する。
２次元センサ５は、陽極２の側面部の変位測定領域に向かってレーザ光４１を照射しＸ線管ケース６に固定されたレーザ光源４と、陽極２の側面部で反射したレーザ光４１に由来するレーザ反射光４２を受光しＸ線管ケース６に固定された２次元センサ５とを有する。２次元センサ５は、レーザ反射光４２の発光波長の領域に感度を持つ検出器であればよい。例えばＣＣＤカメラなどが適当である。また、陽極２とレーザ光源４と２次元センサ５との位置関係は、レーザ光源４と２次元センサ５とが陰極線１１とＸ線１２との光路を妨げない位置関係であればよい。さらに、レーザ光源４から照射されたレーザ光４１が陽極２の側面部に対して９０°未満の入射角を持って入射し、入射角と同角度で反射するレーザ反射光４２が２次元センサ５の中央部に垂直に入射する位置に２次元センサ５を設置すればよい。レーザ光４１の陽極２の側面部に対する入射角は、５°以上かつ３０°未満であるほうが好ましい。この結果、２次元センサ５が、陽極２の変位によるレーザ反射光４２の光路変動を敏感に検出できる。

また、陽極２の側面部においてレーザ光４１が照射される領域であるレーザ光照射領域の位置は問わない。レーザ光照射領域が、Ｘ線発生領域となる陰極線照射領域である焦点Ａと一致することで、陰極線１１が照射される位置である陰極線照射領域をモニタリングしていることと同義になる。このため、レーザ光４１と陰極線１１とが照射される位置が同一箇所となるように、２次元センサ５を設置することが好ましい。

同じく図１４を参照しながら、２次元センサ５の変位検出法、および２次元センサ５の変位発生時の障害について説明する。陰極１に対して基準となる位置に陽極２が存在していた場合、レーザ光４１は陽極２の側面部の焦点Ａに向かって照射される。焦点Ａで入射角と同角度で反射したレーザ反射光４２は、図１４において２次元センサ５の受光面に沿う方向の中心部Ｂ点に入射する。このとき、陰極線１１も焦点Ａにおいて集束するように調整されている。このため、陽極２の側面部から発生するＸ線１２も、焦点Ａから放射される。

次に、陽極２が陽極２'の位置にずれてしまった場合、レーザ光４１が照射される位置も焦点Ａから点Ａ'にずれてしまう。このため、点Ａ'で発生したレーザ反射光４２'は、本来のレーザ反射光４２が２次元センサ５に入射する点Ｂからずれた位置の点Ｂ'に入射することになる。この場合、陰極線１１が陽極２に照射される位置も、従来の焦点Ａから外れてしまう。このため、Ｘ線１２の安定性が大幅に損なわれる。

本実施の形態のＸ線管１５０では、陰極線１１の照射位置が焦点Ａからずれることを防止するために、２次元センサ５の信号を常時モニタリングし、レーザ反射光４２の入射点である点Ｂから点Ｂ’への変位量であるずれを検出する。この場合、入射点を点Ｂ’から点Ｂに戻すように駆動信号を出して、陽極駆動部３のＸ軸駆動部３３、Ｙ軸駆動部３４、およびＺ軸駆動部３５の少なくともいずれかを駆動させるよう修正する。そして、Ｘ線１２のＸ線光子エネルギーの切り替えを陽極２の回転によって行う。すなわち、本実施の形態のＸ線管１５０は、陽極２に接続されて陽極２を陰極線照射領域に対して移動させる陽極駆動部３と、陰極線１１の焦点Ａの位置である焦点位置と陰極線照射領域の位置とのずれを検出する焦点位置検出器である２次元センサ５とを備えている。陽極駆動部３は、焦点位置検出器である２次元センサ５が検知したずれに応じて陽極２を移動させて、陰極線照射領域の位置を焦点Ａの位置である焦点位置に移動させる。

この構成によって、Ｘ線１２の発生位置である図１４における焦点Ａが、陰極１、すなわち陰極１に固定されたＸ線管ケース６に設けられたＸ線窓６１を基準として所定の位置に保たれる。

電圧変動に伴うＸ線の安定性に関する課題を解決すべく考案された特許文献２における従来技術においては、陰極が複数設置されているため、陰極線が別々の方角から陽極に対して照射されることになる。このため、焦点から発生するＸ線の照射光軸が、同一光軸上ではなくなってしまう。Ｘ線イメージングの分野、特にコーンビーム型Ｘ線イメージングにおいては、Ｘ線発生領域である焦点の形状が像のフォーカスに強く影響する。したがって、焦点形状や焦点での陰極線の絞り具合といった状態変化を極力避けるようにしなければならない。さらに、単一透過像の撮影よりも長い撮影時間を要するＣＴ撮影の場合、撮影時間を通して照射Ｘ線の状態を一定に保つことが肝要である。

本実施の形態におけるＸ線管１５０は、上述した従来の課題を解決するものであり、陰極線１１が陽極材の側面部に対して動かないことによる熱の集中に伴う側面部のひずみの増大を抑制することができる。
また、Ｘ線１２のＸ線光子エネルギーを陽極駆動部３の駆動によって切り替えても、Ｘ線１２の光路を一定に保つことができる。また、モータ３１の回転速度を大きくすることによって、Ｘ線１２のＸ線光子エネルギーの切り替えを短時間で行うことができる。

なお、本実施の形態においては、モータ３１を駆動しながらＸ線１２を発生させることについて説明したが、停止させた状態でＸ線１２を発生させ、Ｘ線光子エネルギーを変更するときのみモータ３１を駆動するように、モータ３１の回転速度を調整してもよい。この陽極駆動部３の駆動方法は、Ｘ線１２のＸ線光子エネルギーを随時変更する必要がある。一方で、この陽極駆動部３の駆動方法は、高速切り替えを必要としない用途において適している。高速切り替えを必要としない用途として、例えば、透視検査や各種物理分析用として、本実施の形態のＸ線管１５０を利用することが考えられる。

また、本実施の形態において、陽極駆動部３を駆動させて陽極２を、Ｘ線管ケース６に固定された陰極１に対して相対的に移動可能な構成を説明したが、図１において、陽極２を固定させて、陰極１を陽極２に対して相対的に移動させてもよい。陰極１を移動させる手段は、陽極駆動部３における、Ｘ軸駆動部３３、Ｙ軸駆動部３４、およびＺ軸駆動部３５と同様の構成を有していてもよいし、Ｘ軸駆動部３３、Ｙ軸駆動部３４、およびＺ軸駆動部３５のいずれかの構成を有していてもよい。このため、陰極１が陽極２に対して相対的に移動することによって、陽極２における陰極線１１が照射する位置を変更可能となる。すなわち、陰極１は、第１の種類の材質の陽極材および第２の種類の材質の陽極材が並ぶ方向に陰極線照射領域を移動させる。

したがって、この構成によっても、本実施の形態におけるＸ線管１５０は、複数の電源の電圧を切り替えることなく、かつ複数の陰極１を用いることなく、異なるＸ線光子エネルギーのＸ線を照射できるデュアルエナジーＸ線イメージングを行うことが可能となる。

実施の形態２．
図１５は、この発明を実施するための実施の形態２におけるＸ線検査装置の構成図である。
図１５において、本実施の形態に係るＸ線検査装置２００におけるＸ線管１５０は、実施の形態１の図１におけるＸ線管１５０と以下に述べる点で異なる。
本実施の形態に係るＸ線検査装置２００は、実施の形態１の図１におけるＸ線管１５０と、試料１１０を移動させる試料ステージ１２０と、 Ｘ線管ケース６に設けられたＸ線窓６１を介して照射されるＸ線１２の光軸上に設置されたＸ線カメラ１００と、制御部９０とを備えている。

Ｘ線管１５０は、試料１１０においてＸ線１２が照射される領域であるＸ線照射領域にＸ線１２を照射する。
試料ステージ１２０は、モータ１２１と、モータ１２１の回転軸に連結され試料１１０を固定する試料固定部１２２とを有する。試料ステージ１２０のモータ１２１は、試料１１０を所望の角度だけ回転させることが可能である。
すなわち、試料ステージ１２０は、Ｘ線管１５０から出射されるＸ線１１が試料１１０に照射されるＸ線照射領域に対して試料１１０を移動させる。

Ｘ線強度検知部であるＸ線カメラ１００は、Ｘ線管１５０からＸ線照射領域に照射されて試料１２０を透過したＸ線１２の光子数であるＸ線強度を透過Ｘ線強度として検知する。また、Ｘ線カメラ１００が、実施の形態１において説明したＸ線管１５０から照射されるＸ線１２のＸ線光子エネルギーに対する測定感度を有すれば、Ｘ線カメラ１００の種類は問わない。例えば、Ｘ線カメラ１００の種類として、Ｘ線フラットパネルディテクタ、イメージインテンシファイヤ、またはＸ線シンチレータ付ＣＣＤカメラ等が用いられる。

制御部９０は、陽極駆動部３による陽極２の位置情報と、陽極２の回転角度情報であるモータ３１の回転角度情報と、２次元センサ５の位置情報と、Ｘ線カメラ１００の測定値と、試料ステージ１２０が取得した回転角度情報とを受け取って、陰極線照射位置に対応する陽極材の材質の種類と、試料ステージ１２０におけるＸ線照射領域の位置とを算出する。そして、制御部９０は、所望のＸ線光子エネルギーを有するＸ線１２が試料ステージ１２０のＸ線照射領域に照射されるような駆動信号を、陽極駆動部３のモータ３１および試料ステージ１２０のモータ１２１に送る。
すなわち、試料ステージ１２０は、異なるＸ線光子エネルギーを有する特性Ｘ線がＸ線照射領域に照射される照射回数に応じて試料１１０を移動させて、Ｘ線照射領域を試料１１０における目標位置に移動させる。

図１６は、本実施の形態におけるＸ線検査装置の制御フロー図である。図６および図７で示した陽極２の形状が円錐台形状のときの構成を例として、デュアルエナジーＸ線ＣＴ解析時のＸ線検査装置２００の動作状況を説明する。

図１６のステップＳ３０１において、試料ステージ１２０の試料固定部１２２に試料１１０を固定する。

次にステップＳ３０２において、第１の陽極材２２から照射されたＸ線１２により、透過Ｘ線画像ａを取得する。陽極２を回転させるモータ３１の回転速度は、Ｘ線カメラ１００が透過Ｘ線画像ａを取得する間において、陽極２に対して照射されている陰極線１１の照射位置が、第１の陽極材２２から第２の陽極材２３まで、または第２の陽極材２３から第１の陽極材２２まで跨がらない回転速度である必要がある。Ｘ線カメラ１００が透過Ｘ線画像ａを撮影している間、試料ステージ１２０に搭載のモータ１２１は、回転を停止している。

次に、ステップＳ３０３において、モータ３１が回転することによって、第１の陽極材２２から第２の陽極材２３へ陰極線１１が照射する陽極材の材質の種類を変更する。すなわち、陰極線照射位置が、第１の陽極材２２から第２の陽極材２３に移動する。

そして、ステップＳ３０４において、Ｘ線カメラ１００は、第２の陽極材２３から照射されたＸ線１２を検出して、透過Ｘ線画像ｂを取得する。この時、試料１２０は動かないため、引き続きモータ１２１は停止している。

次に、ステップＳ３０５において、試料１２０の所定の回転角度における所望のＸ線光子エネルギーのすべて、すなわち、陽極２が有する陽極材の材質の種類のすべてに対応するＸ線１２を用いて透過Ｘ線画像を取得したか判定する。本実施の形態においては、所望のＸ線光子エネルギーすべては、第１の陽極材２２および第２の陽極材２３から照射されるＸ線１２が有するＸ線光子エネルギーの２種類である。このため、ステップＳ３０５における判定結果はＹＥＳとなり、次のステップＳ３０６に進む。デュアルエナジーＸ線ＣＴ解析を行うには、Ｘ線１１が有するＸ線光子エネルギーを２種類変更すれば足りる。
なお、ステップＳ３０５における判定結果がＮＯの場合には、ステップＳ３０３に戻って動作を継続する。

次に、ステップＳ３０６において、第１の陽極材２２から発生するＸ線１２による試料１２０への照射に切り替えるため、モータ３１を駆動させて陽極２を回転させる。この時、モータ１２１を所望の回転角度だけ回転させ、透過Ｘ線画像ａおよび透過Ｘ線画像ｂを撮影したときの回転角度に対して試料１２０を回転させる。モータ１２１が駆動して試料１２０が回転する角度の間隔は、０．５°から１．０°の間隔が適当であるが、任意の値でもよい。

その後、ステップＳ３０７において、所望の試料１２０の回転角度の範囲で所望の透過Ｘ線画像をすべて取得できたかを判定する。ステップＳ３０７における判定結果がＹＥＳの場合には、ステップＳ３０８に進む。ステップＳ３０７における判定結果がＮＯの場合には、ステップＳ３０３に戻って動作を継続する。
具体的には、モータ１２１、すなわち試料１２０の回転角度が、最初の回転角度から１８０°または３６０°に達するまで、第１の陽極材２２を用いた透過Ｘ線画像ａの取得、第２の陽極材２３を用いた透過Ｘ線画像ｂの取得、およびモータ１２１の回転が繰り返される。この繰り返し動作によって、１つの試料１２０の回転角度の間隔に対して、複数のＸ線光子エネルギーのＸ線１２で撮影した複数枚の透過Ｘ線画像を撮影できる。

すなわち、Ｘ線検査装置２００を用いたＸ線検査方法は、Ｘ線カメラであるＸ線強度検知部１００を用いて、第１の透過Ｘ線強度を検知する第１のＸ線強度検知ステップＳ３０２と、第１のＸ線強度検知ステップＳ３０２の後に、陰極線照射位置に対応する陽極材の材質の種類に応じて陽極材を移動させて、陽極２における陰極線照射領域の位置を移動させる陽極移動ステップＳ３０３と、陽極移動ステップＳ３０３の後に、Ｘ線強度検知部１００を用いて、第２の透過Ｘ線強度を検知する第２のＸ線強度検知ステップＳ３０４と、第２のＸ線強度検知ステップＳ３０４の後に、試料１２０に入射されるＸ線の光子数であるＸ線強度、第１の透過Ｘ線強度、および第２の透過Ｘ線強度を用いて、Ｘ線吸収係数を算出して試料１２０の材質を判別する判別ステップＳ３０８とを備えている。

また、Ｘ線検査装置２００を用いたＸ線検査方法は、第２のＸ線強度検知ステップＳ３０４の後に、試料ステージ１２０を用いて、異なるＸ線光子エネルギーを有する特性Ｘ線がＸ線照射領域に照射される照射回数に応じて試料１２０を移動させて、Ｘ線照射領域を試料１２０における目標位置に移動させる試料移動ステップＳ３０６と、試料移動ステップＳ３０６の後に、Ｘ線強度検知部１００を用いて、第３の透過Ｘ線強度を検知する第３のＸ線強度検知ステップＳ３０４と、第３のＸ線強度検知ステップＳ３０４の後に、陽極移動ステップＳ３０３を行い、Ｘ線強度検知部１００を用いて、第４の透過Ｘ線強度を検知する第４のＸ線強度検知ステップＳ３０４とをさらに備えている。そして、判別ステップＳ３０８は、第４のＸ線強度検知ステップＳ３０４の後に、試料１２０に入射されるＸ線の光子数であるＸ線強度、第１の透過Ｘ線強度、第２の透過Ｘ線強度、第３の透過Ｘ線強度、および第４の透過Ｘ線強度を用いて、Ｘ線吸収係数を算出して試料１２０の材質を判別する。

したがって、本実施の形態によれば、実施の形態１で示したＸ線管１５０を用いてデュアルエナジーＸ線ＣＴ解析が可能である。そして、試料１２０の所望の角度において、デュアルエナジーＸ線ＣＴ解析が可能となるため、１つの試料１２０の回転角度においてデュアルエナジーＸ線ＣＴ解析を行うよりも、試料１２０の解析精度を向上させることができる。なお、デュアルエナジーＸ線ＣＴの画像解析法については、ここでは詳述しない。

図１７は、本実施の形態におけるＸ線検査装置の変形例の構成図である。
図１７で示すＸ線検査装置の変形例２００ａのＸ線管１５０ａは、直線状に運動する第２変形例の陽極２ｂの形状の構成（図９および図１０）を採用している。すなわち、第２変形例の陽極２ｂは、第１の陽極材２２、および第２の陽極材２３が並ぶ方向に沿って移動可能に、直線状のレールガイド２５で支持されている。第２変形例の陽極２ｂは、陽極駆動部３のＹ軸駆動部３４が駆動することによって、レールガイド２５に沿って直線状の往復運動することができる。

また、Ｘ線検査装置の変形例２００ａにおいて、Ｘ線管ケース６、Ｘ線カメラ１００、試料１１０、および試料ステージ１２０の位置関係は図１５と同じである。なお、上記以外の詳細構成については、上述した実施の形態１の構成と同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。

Ｘ線管１５０ａを用いた場合も、モータ１２１の回転のタイミングは、図１５に示す回転陽極型のＸ線管１５０を採用した時と同様である。すなわち、モータ１２１の回転のタイミングは、意図する陽極材のすべてにおいて、所望の透過Ｘ線画像を撮像し取得し終えたタイミングで回転するように制御されるべきである。
したがって、図１５と同様に、デュアルエナジーＸ線ＣＴ解析が可能である。

１ 陰極、 ２、２’、２ａ、２ｂ 陽極、 ３ 陽極駆動部、 ４ レーザ光源、 ５ ２次元センサ（変位センサ）、 ６ Ｘ線管ケース、 ７ 電源、 ８ 電磁レンズ、 １１ 陰極線、 １２ 白色Ｘ線、 ２１ インシュレータ、 ２２ 第１の陽極材、 ２３ 第２の陽極材、 ２４ 第３の陽極材、２５ レールガイド、 ３１ モータ、 ３２ 回転軸、 ３３、３３’ Ｘ軸駆動部、 ３４、３４’ Ｙ軸駆動部、 ３５ Ｚ軸駆動部、 ４１ レーザ光、 ４２、４２’ レーザ反射光、 ６１ Ｘ線窓、 ９０ 制御装置、 １００ Ｘ線カメラ、 １１０ 試料、 １２０ 試料ステージ、 １２１ モータ、１２２ 試料固定部、１５０ Ｘ線管、 ２００、２００ａ Ｘ線検査装置。

Claims (8)

1. 少なくとも２種類の材質の陽極材を具備し、２種類の前記材質の前記陽極材が並ぶ陽極と、
   前記陽極における陰極線照射領域に陰極線を照射して、前記陽極材の前記材質に対応したＸ線光子エネルギーを有する特性Ｘ線を前記陰極線照射領域から発生させる陰極とを備えたＸ線管。
2. 前記陽極は、第１の種類の材質の前記陽極材および第２の種類の材質の前記陽極材が並ぶ方向に前記陽極材を移動させる請求項１に記載のＸ線管。
3. 前記陰極は、第１の種類の材質の前記陽極材および第２の種類の材質の前記陽極材が並ぶ方向に前記陰極線照射領域を移動させる請求項１または請求項２に記載のＸ線管。
4. 前記陽極に接続されて前記陽極を前記陰極線照射領域に対して移動させる陽極駆動部と、
   前記陰極線の焦点位置と前記陰極線照射領域の位置とのずれを検出する焦点位置検出器とをさらに備え、
   前記陽極駆動部は、前記焦点位置検出器が検知した前記ずれに応じて前記陽極を移動させて、前記陰極線照射領域の位置を前記焦点位置に移動させる請求項２に記載のＸ線管。
5. 請求項２または請求項４に記載のＸ線管と、
   前記Ｘ線管から出射されるＸ線が試料に照射されるＸ線照射領域に対して、前記試料を移動させる試料ステージとを備え、
   前記試料ステージは、異なる前記Ｘ線光子エネルギーを有する前記特性Ｘ線が前記Ｘ線照射領域に照射される照射回数に応じて前記試料を移動させて、前記Ｘ線照射領域を前記試料における目標位置に移動させるＸ線検査装置。
6. 前記Ｘ線管から前記Ｘ線照射領域に照射されて前記試料を透過したＸ線の光子数であるＸ線強度を透過Ｘ線強度として検知するＸ線強度検知部とをさらに備える請求項５に記載のＸ線検査装置。
7. 請求項６に記載のＸ線検査装置において、
   前記Ｘ線強度検知部を用いて、第１の透過Ｘ線強度を検知する第１のＸ線強度検知ステップと、
   前記第１のＸ線強度検知ステップの後に、前記陰極線照射領域に対応する前記陽極材の材質の種類に応じて前記陽極材を移動させて、前記陽極における前記陰極線照射領域の位置を移動させる陽極移動ステップと、
   前記陽極移動ステップの後に、前記Ｘ線強度検知部を用いて、第２の透過Ｘ線強度を検知する第２のＸ線強度検知ステップと、
   前記第２のＸ線強度検知ステップの後に、前記試料に入射されるＸ線の光子数であるＸ線強度、前記第１の透過Ｘ線強度、および前記第２の透過Ｘ線強度を用いて、Ｘ線吸収係数を算出して前記試料の材質を判別する判別ステップとを備えたＸ線検査方法。
8. 前記第２のＸ線強度検知ステップの後に、前記試料ステージを用いて、異なる前記Ｘ線光子エネルギーを有する前記特性Ｘ線が前記Ｘ線照射領域に照射される照射回数に応じて前記試料を移動させて、前記Ｘ線照射領域を前記試料における目標位置に移動させる試料移動ステップと、
   前記試料移動ステップの後に、前記Ｘ線強度検知部を用いて、第３の透過Ｘ線強度を検知する第３のＸ線強度検知ステップと、
   前記第３のＸ線強度検知ステップの後に、前記陽極移動ステップを行い、前記Ｘ線強度検知部を用いて、第４の透過Ｘ線強度を検知する第４のＸ線強度検知ステップとをさらに備え、
   前記判別ステップは、前記第４のＸ線強度検知ステップの後に、前記試料に入射されるＸ線の光子数であるＸ線強度、前記第１の透過Ｘ線強度、前記第２の透過Ｘ線強度、前記第３の透過Ｘ線強度、および前記第４の透過Ｘ線強度を用いて、Ｘ線吸収係数を算出して前記試料の材質を判別する請求項７に記載のＸ線検査方法。

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