JP4420190B2

JP4420190B2 - Ｘ線装置

Info

Publication number: JP4420190B2
Application number: JP2003369138A
Authority: JP
Inventors: 義経片岡
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2003-10-29
Filing date: 2003-10-29
Publication date: 2010-02-24
Anticipated expiration: 2023-10-29
Also published as: JP2005135693A

Description

本発明は、ビーム幅の広いＸ線を容易に発生させることのできるＸ線発生装置を備えたＸ線装置に関する。

Ｘ線透過を利用した検査装置（Ｘ線装置）は、医療分野、工場における製品の検査、或いは、空港における所持品のセキュリティチェック、港湾における税関による貨物の検査等、幅広い分野において活用されている。
この種の検査装置は、一般に、Ｘ線発生部から発生させたＸ線を検査対象物（対象者を含む）に向けて照射し、対象物を透過したＸ線をラインセンサを用いて検知し、透過強度の違いを画像化して検査対象物の内部を調べるように構成されている。

このうち、Ｘ線発生部は、真空に保たれた容器内の電子銃（陰極）から放出された電子線を、Ｘ線変換ターゲット（陽極）に衝突させ、その衝突によりＸ線変換ターゲットからＸ線を放出させるものであり、従来より種々の改良が加えられている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−７２３６号公報

ところで、コンテナ入の貨物の検査等では、大型の検査対象物（コンテナ入の貨物）の隅々までＸ線を照射し透過させることが必要であるため、Ｘ線の拡がりの幅（以下「ビーム幅」という）は、大型対象物に対応した大きさでなければならない。
Ｘ線発生部（図１参照）は、基本的には電子銃１から線状の電子線ビームｅが照射されたＸ線変換ターゲット２が、その照射位置からＸ線ｘを発生させるように構成される。Ｘ線ターゲット２が発生するＸ線ｘは、上記電子線ビームｅが照射された一点から所定の拡がり角度で円錐形状をなして直進する。このＸ線ｘの拡がり角度は、最大でも４５度程度である。それ故、上述のように大型の検査対象物３に適合したビーム幅のＸ線を得るためには、Ｘ線発生部（Ｘ線変換ターゲット２）と検査対象物３との間の距離Ｌ1を十分に長くする必要があった。例えば、検査対象物の高さが１０ｍの場合、一個のＸ線発生部により検査を行うためには、検査対象物３とＸ線発生部（Ｘ線変換ターゲット２）とを１２ｍ（距離Ｌ１）以上離隔させることが必要になる。しかし、実際の検査場所においてこのような広いスペースを確保することは容易ではなく、従って、検査対象物３とＸ線発生部（Ｘ線変換ターゲット２）との距離Ｌ１を短縮することが必要となる。

検査対象物とＸ線発生部との距離Ｌ１を短縮する手段としては、図２（ａ）に示すように複数のＸ線発生部を並べて配設し、１つのＸ線発生部でカバーできないＸ線照射範囲を他のＸ線発生部によりカバーすることが考えられる。或いは、図２（ｂ）に示すよに一個のＸ線発生部を、例えば、高さ方向に移動させながら検査を行う等の対応も考えられる。しかし、複数のＸ線発生部を使用した場合には、図２（ａ）において領域Ａとして示すように隣接するＸ線発生部からのＸ線の端部が重なりあい、一方のＸ線により形成された物体の影（像）が、他方のＸ線により消されてしまうので、像が不明瞭なものとなる欠点がある。また、Ｘ線発生部を移動させる場合には、複雑な移動機構を必要とすることのみならず、移動時間を要する。しかも、移動させながら撮像することは結局多数のＸ線発生部を使用することと同様であるから、撮影された像が不明瞭なものとなってしまう。

上述の問題を考慮して、本発明においては、大型の検査対象物を検査する場合であっても検査対象物とＸ線発生部との離隔距離を短くすることができ、かつ明瞭なＸ線画像を得るに好適なＸ線装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１の発明によっては、電子線ビームを発生する電子銃と、前記電子線ビームを所定の一方向に所定の幅に亘って偏向走査する偏向手段と、偏向走査された前記電子線ビームがなすビーム面に対して傾斜し、かつ前記電子線ビームの偏向幅に亘って設けられた所定長さの棒状または板状のＸ線発生面を備えて、該Ｘ線発生面の前記電子線ビームの照射部位からＸ線を発生させるＸ線変換ターゲットと、このＸ線変換ターゲットに対峙させて設けられて、該Ｘ線変換ターゲットが発生した前記Ｘ線の照射方向を平行に揃えるコリメータとを具備し、前記偏向手段は、所定幅に亘って分布の均一なＸ線を前記コリメータを介して出力するように、前記電子線ビームの偏向速度を該電子線ビーム面の両端部では遅くすると共に該ビーム面の中央部で速くすることを特徴とするＸ線装置が提供される。

好ましくは前記コリメータは、所定の隙間を隔てて平行に設けられて前記Ｘ線変換ターゲットが帯状に発生するＸ線をシート状に成形する長尺のＸ線遮蔽板と、前記Ｘ線を照射すべき方向に沿って平行に前記Ｘ線遮蔽板間に設けられたＸ線遮蔽体からなる複数枚の桁板とにより構成することが望ましい。

本発明のＸ線装置においては、電子線ビームを偏向走査させるため、擬似的に平面を構成する電子線ビームが、Ｘ線変換ターゲットに一点ではなく直線状に照射される。このため、Ｘ線はＸ線変換ターゲットの一点から拡がるように発生するのではなく、上記直線状の発生源の全部位から発生し、帯状のＸ線ビーム面を形成しつつ直進する。従って、該帯状Ｘ線のビーム幅は、上記直線状の発生源の長さに一致し、それは、電子ビームの偏向幅（偏向角度）と、電子ビームの偏向起点とＸ線変換ターゲットとの距離により設定される。すなわち、Ｘ線発生部と検査対象物との距離に無関係にＸ線のビーム幅を設定できるので、検査対象物とＸ線発生部との距離を短くしたまま、大型の検査対象物の検査に必要な、大きなビーム幅のＸ線を得ることができる。例えば所定の方向に所定の幅に亘って電子ビームを偏向走査させることで、電子線ビームの偏向走査方向に所定の長さを有するＸ線発生面を形成した、随意のビーム幅を有するＸ線を得ることができる。

また、通常のＸ線発生部によっては、所定の拡がりを持って進行するＸ線成分が重なりあうことにより、互いのＸ線画像を打ち消しあってしまい、Ｘ線画像が不明瞭なものとなってしまう。しかし、本発明のＸ線装置では、コリメータの設置により所定の方向以外のＸ線成分を遮断するので、撮影された像が不明瞭になることはない。しかも前記偏向手段においては、前記電子線ビームの偏向速度を該電子線ビーム面の両端部では遅くすると共に該ビーム面の中央部で速くしているので、所定幅に亘って分布の均一なＸ線を前記コリメータを介して出力することができ、鮮明な像を得ることができる。

以下、本発明のＸ線装置にかかる一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図３は、本発明に係るＸ線装置の要部であるＸ線発生部１０を示す概略構成図である。Ｘ線発生部以外の装置は公知のものであるので記載を省略する。Ｘ線発生部１０は、電子線ビームｅ０を発生する電子銃１１と、電子銃１１の前方に該電子銃１１の電子線照射軸の両側に対峙して配設される一対の電磁石１２ａ、１２ｂと、電子線ビームｅ０の照射部位からＸ線を発生させるＸ線変換ターゲット１３と、Ｘ線変換ターゲット１３が発生したＸ線から、所定の方向に平行なＸ線以外のＸ線を遮断し、平行なシート状Ｘ線を形成するコリメータ２０とを備える。なお、これらの装置は、コリメータ２０を除き、すべて、図示しない、Ｘ線を外部に引き出すための窓部を備えた真空容器の中に封入されている。

電子銃１１は陰極電圧の印加により線状の電子線ビームを放出する。
電磁石１２ａと１２ｂには、図示しない制御回路により交互に電圧が印加されることにより、電磁石１２ａ、１２ｂ間に磁界を発生させ、電子線ビームｅ０を、電磁石１２ａと１２ｂとの対峙方向に沿って、所定の幅で、振り子のように、偏向走査する役割を担う。
Ｘ線変換ターゲット１３は、上記電子線ビームｅ０の偏向走査方向に所定の長さを有するＸ線発生面１３ａを備えた棒状又は板状のものからなり、特にこのＸ線発生面１３ａを、偏向した電子線ビームｅ０により形成される扇形ビーム平面Ｅと長手方向を平行に、かつ、他方向は扇形ビーム平面Ｅに対し所定の角度αで傾斜させて設けられている。そして、扇形ビーム面Ｅとが直線Ｆをなして交叉するように位置決めされている。また、Ｘ線発生面１３ａの長手方向の長さは、少なくとも発生させるＸ線のビーム幅と同じかそれより長く設定されている。なお、図中、扇形ビーム平面Ｅは、直線Ｆと交差した状態で記載されているので、扇形ではなく三角形として図示されている。

なお、Ｘ線変換ターゲット１３は、電子線の照射によるＸ線発生面１３ａの温度上昇を抑えるための図示しない冷却装置を備える。また、Ｘ線変換ターゲットのＸ線発生面１３ａの材質は、電子線の衝突によりＸ線を発生させることのできるものであって、電子線ビーム照射加熱による温度上昇を考慮しても十分な耐熱性を有する材料が望ましく、例えば、タングステンの他、モリブデンや銅等が好適に使用できる。

ところで、以下にコリメータ２０について説明すると、コリメータ２０は、Ｘ線変換ターゲット１３が発生する帯状Ｘ線の下流側に、Ｘ線変換ターゲット１３に対峙して配設される。コリメータ２０は、僅かの隙間ｈを介して互いに平行に配設された２枚の長尺の遮蔽板２１ａ、２１ｂと、遮蔽板２１ａ、２１ｂ間に垂直に所定のピッチで平行に配設され、遮蔽板２１ａ、２１ｂを互いに固定する多数の桁板２２とを備える。なお、桁板２２もＸ線の遮蔽能力を有する。遮蔽板２１ａ、２１ｂと２枚の桁板２２により両端開放の四角筒状の小区画２３が複数形成されている。コリメータ２０の向きは、図４に示すように、小区画２３を通る軸２３ａが、Ｘ線Ｘ２を照射すべき方向である直線Ｋに平行になるように定める。ここで、直線Ｋは、直線Ｆを含んでＸ線発生面１３ａに垂直な対称面Ｄに関して扇形ビーム平面Ｅに面対称なＸ線ビーム中心平面Ｇと扇形ビーム平面Ｅに垂直な扇形ビーム垂直平面Ｊとの交差により形成される直線である。小区画２３の軸２３ａが直線Ｋに平行になるようにコリメータ２０を配置する理由は、Ｘ線変換ターゲット１３から発生するＸ線の強度が最大となるのが直線Ｋに平行な方向だからである。

コリメータの大きさについて説明すると、コリメータ２０の長手方向の幅Ｌ３（図３参照）は、前述の直線Ｆの長さに略等しくする。また、遮蔽板２１ａと２１ｂの隙間高さｈは、Ｘ線発生部から放出されるシート状Ｘ線の必要厚さにより設定する。
さらに、２枚の桁板２２の配列ピッチｐの設定方法を図５を参照して説明する。図５は、コリメータ２０の複数の小区画２３のうち一個のみを説明用に抜き出したものである。配列ピッチｐは、小区画２３を通過するＸ線が小区画２３の軸に対してなし得る最大角度γを所定の値以下にするように設定する。この最大角度γを小さくするほど、直線Ｋに平行なＸ線以外のＸ線が少なくなり、より明瞭なＸ線画像を得ることができる。従って、明瞭さを考慮して最大角度γを設定し、それに基づいて配列ピッチｐを設定する。なお、最大角度γと、配列ピッチｐ、隙間ｈ、コリメータ２０の奥行き長さＬ４との間には以下の関係式が成立している。

Ｔａｎ（γ）＝（ｐ²＋ｈ²）^1/2／Ｌ４ ………………（１）式
遮蔽板２１ａ、２１ｂ、桁板２２の厚さは、Ｘ線発生部１０において発生するＸ線のエネルギ、Ｘ線強度、遮蔽板や桁板の遮蔽能力等を勘案し、不要なＸ線成分を遮断できるように定める。なお、遮蔽板２１ａ、２１ｂ及び桁板２２の材質としては、鉛又はタングステンが好適に使用できるが、遮蔽板２１ａ、２１ｂの隙間や桁板２２の配列ピッチを小さくする場合には変形の少ないタングステンがより好適に使用できる。

次にＸ線発生部１０の作用について説明する。
Ｘ線発生部１０は、電子銃１１から発生する直線状の電子線ビームｅ０を電磁石１２ａ、１２ｂにより偏向走査させ、平面状の電子線ビーム（扇形ビーム平面Ｅ）を形成させる。該平面状の電子線ビームを、Ｘ線変換ターゲット１３に照射させ、電子線照射部位である直線Ｆ全体からＸ線を発生させる。すなわち、本発明によれば、従来技術のようにＸ線が一点から拡がるのではなく、Ｘ線発生面１３ａにおいて幅広いＸ線発生源が直線状に形成されるために、発生位置においてすでに幅広い帯状を形成するＸ線を発生させることができる。なお、Ｘ線自体を偏向走査させて幅広いＸ線とすることは困難である。しかし、Ｘ線を発生させる電子線は、電磁石等の手段により容易に偏向走査させ、Ｘ線発生源を直線状にすることによりビーム幅の広いＸ線を発生させることができるので、Ｘ線を偏向走査するのと同様の効果を得ることができる。

また、上述のように発生させたＸ線は、直線状の発生源を有するのでもともと拡がりの少ない帯状を形成するが、なお、一部に拡がる方向のＸ線成分をも含んでいる。これらの拡がる方向のＸ線成分はコリメータ２０により遮断され、所定の方向に平行なＸ線としてＸ線発生部１０から放出される。このような平行Ｘ線によれば、明瞭かつ歪みの少ないＸ線画像を得ることができる。

以下に、Ｘ線発生部１０の作用をより詳しく説明する。
最も電磁石１２ａに近付く電子線ビーム位置をｅ１、最も電磁石１２ｂに近付く電子線ビーム位置をｅ２とし、電子線ビームｅ１とｅ２のなす角度を偏向角度βとする。偏向角度βは、電子線ビームの電子の加速電圧及び電磁石１２ａ、１２ｂに印加される電圧により発生する磁界の強度を調整することにより定めることができる。

もともと線状のビームである電子線ビームｅ０は、偏向角度βで偏向されるので、この偏向速度が速ければ、あたかも電子線ビーム位置ｅ１、ｅ２を２辺とする扇形の平面状のビームであるかのように作用する。そしてこの扇形ビーム平面Ｅは、Ｘ線変換ターゲット１３のＸ線発生面１３ａと角度αをもって交差する。このとき、扇形ビーム平面ＥとＸ線発生面１３ａとは、Ｘ線発生面１３ａの長手方向に平行な直線Ｆを形成して交差し、直線Ｆを発生源としてＸ線が放出される。

このＸ線の放出される方向は、図６に示すように、前述のＸ線ビーム中心平面Ｇを中心として、ある角度範囲内に分布する。すなわち、Ｘ線Ｘ１は、直線Ｆを一辺とする三角柱形状を形成しつつ、コリメータ２０に入射することになる。
コリメータ２０に入射したＸ線Ｘ１は、前述のコリメータ２０の整流作用（すなわち、前述の直線Ｋに平行なＸ線以外のＸ線を遮断する）により、殆ど拡がることのないシート状Ｘ線Ｘ２として放出される。

前述したように、大型の対象物を検査する場合には、Ｘ線のビーム幅を大きくすることが重要であるが、シート状Ｘ線Ｘ２のビーム幅は、直線Ｆの長さに略等しい。この直線Ｆの長さは、以下の式で示される。
直線Ｆの長さ＝Ｌ２×２×Ｔａｎ（β／２）……（２）式
但し、Ｌ２は、電子線の偏向の起点Ｓから直線Ｆまでの距離である。

（２）式から明らかなように、偏向角度βを大とするほど、また、偏向の起点ＳからＸ線変換ターゲット１３までの距離を大とするほど直線Ｆの長さも長くなり、出力されるＸ線のビーム幅も大となる。すなわち、Ｘ線発生部１０によれば、偏向角度βを決める電子線ビームｅの加速電圧及び電磁石１２ａ、１２ｂの磁界強度と、電子線の偏向起点からＸ線変換ターゲットまでの距離を調節することにより任意のビーム幅のＸ線を得ることができる。従って、Ｘ線発生部と検査対象物との距離には、関係なく任意のビーム幅のＸ線を得ることができる。

また、Ｘ線発生部１０によっては、前述のように、Ｘ線の発生源が通常の装置のような点ではなく直線状であるために、もともと拡がりが少ない帯状のＸ線が発生する。該Ｘ線は、その上に、コリメータ２０により整流されるので、放出されるシート状Ｘ線は平行Ｘ線としての性質を強く有する。
そのため、ビーム幅を任意に調整できるという前述の効果とは別に以下の２つの効果をも有することになる。

第1の効果は、平行Ｘ線以外のＸ線が互いに重なり合って、それぞれのＸ線が形成するＸ線画像を打ち消しあうということがないので、明瞭な像を得ることができるという点である。明瞭なＸ線画像を得るためにコリメータ２０の配列ピッチｐが重要であることは既に述べた。
第２の効果は、平行Ｘ線によるＸ線画像には歪みが生じないということである。すなわち、図７（ａ）に示すように、通常のＸ線Ｘ３のようにそれが拡がる性質を有する場合には、Ｘ線発生源に近い対象物Ｂ１の像Ｓ１が拡大され、遠い対象物Ｂ２の像Ｓ２は殆ど拡大されない。このため、Ｘ線画像としては、大きさの異なる対象物Ｂ１、Ｂ２の像が殆ど同じ大きさに示されることがありうる。いいかえれば、拡がる性質を有する通常のＸ線では像の歪みが生じる。一方、Ｘ線発生部１０により発生する平行Ｘ線（シート状Ｘ線）Ｘ４の場合には、図７（ｂ）に示すように、大小の対象物Ｂ３，Ｂ４の像Ｓ３、Ｓ４は拡大されることはなく、実際の大きさに一致するので、像に歪みを生じることはない。

なお、電子線ビームｅの偏向速度（角速度）を、扇形ビーム平面Ｅ上の電子線ビーム位置によらず一定とすると、発生するＸ線ビームは、図８（ａ）に示すように、Ｘ線のビーム幅中心が膨らみ両端部が少ない偏った強度分布を示す（図８中ＸＣはＸ線中心、ＸＴ１，ＸＴ２はＸ線の両端部を示す）。しかし、電子線ビームｅの偏向速度を、扇形ビーム平面Ｅの両縁部ｅ１、ｅ２の近傍では遅くさせ、扇形ビーム平面Ｅの中央部ｅ３（図３参照）近傍で速くすることにより、発生するＸ線の強度分布を図８（ｂ）に示すように均一に分布させることも可能である。そのためには、電磁石１２ａ、１２ｂに印加する電圧を、例えば、正弦波として入力してもよい。

本発明によれば、一基でビーム幅の広いＸ線を照射することができるが、本装置をシート状Ｘ線のビーム幅方向に複数隣接して配設し、さらに幅広いＸ線を照射することも可能である。
本発明は、広いスペースを必要とせずに任意のビーム幅のＸ線を得ることができ、しかも明瞭なＸ線画像を得ることができるので、コンテナ貨物検査等大型検査対象物用のＸ線装置として好適である。また、平行Ｘ線の効果として非常に明瞭なＸ線画像を得ることができるので、空港等におけるセキュリティチェック用検査装置等小型のＸ線装置としても、好適に使用できる。

従来のＸ線発生部によるＸ線検査方法を示す概念図である。従来のＸ線発生部を用いて大型の検査対象物を検査する方法の概念を示す図である。本発明のＸ線装置にかかる一実施形態を示す概念構成図である。図３の扇形ビーム平面Ｅ、Ｘ線発生面１３ａおよびコリメータ２０の位置関係を示す概念図である。図３の小区画２３の寸法を示す概念図である。図３のＸ線変換ターゲット１３と、それから発生するＸ線Ｘ１、およびＸ線Ｘ１が入射するコリメータ２０との関係を示す概念図である。従来のＸ線装置、及び本発明に係るＸ線装置により得られる像の大きさ、歪みの原理を説明する概念図である。本発明にかかるＸ線装置のＸ線発生部から発生するＸ線の分布を示す概念図である。

符号の説明

１０Ｘ線発生部
１１電子銃
１２ａ、１２ｂ電磁石（偏向手段）
１３Ｘ線変換ターゲット
１３ａＸ線発生面
２０コリメータ
２１ａ、２１ｂ遮蔽板（遮蔽板）
２２桁板（遮蔽板）
Ｅ扇形ビーム平面（ビーム面）

Claims

電子線ビームを発生する電子銃と、
前記電子線ビームを一方向に偏向走査する偏向手段と、
偏向走査された前記電子線ビームがなすビーム面に対して傾斜し、かつ前記電子線ビームの偏向幅に亘って設けられた所定長さの棒状または板状のＸ線発生面を備え、該Ｘ線発生面の前記電子線ビームの照射部位からＸ線を発生させるＸ線変換ターゲットと、
このＸ線変換ターゲットに対峙させて設けられて、該Ｘ線変換ターゲットが発生した前記Ｘ線の照射方向を平行に揃えるコリメータとを具備し、
前記偏向手段は、所定幅に亘って分布の均一なＸ線を前記コリメータを介して出力するように、前記電子線ビームの偏向速度を該電子線ビーム面の両端部では遅くすると共に該ビーム面の中央部で速くすることを特徴とするＸ線装置。
前記コリメータは、所定の隙間を隔てて平行に設けられて前記Ｘ線変換ターゲットが帯状に発生するＸ線をシート状に成形する長尺のＸ線遮蔽板と、前記Ｘ線を照射すべき方向に沿って平行に前記Ｘ線遮蔽板間に設けられたＸ線遮蔽体からなる複数枚の桁板とからなることを特徴とする、請求項１に記載のＸ線装置。