(57)【要約】      （修正有）【課題】Ｘ線の測定を行いながら、Ｘ線照射によるダメージや電気回路の故障や半導体検出器の冷却不良などさまざまな原因によって起こる半導体検出器の性能劣化の程度を簡便な方法で正確に検出するＸ線信号処理装置及びＸ線分析装置を提供する。【解決手段】Ｘ線信号処理装置であって、検出されたＸ線のエネルギーに応じた電荷を生じる半導体検出器１０６と、前記生じる電荷に応じたランプ電圧信号を出力する前置増幅器２０２と、前記ランプ電圧信号に基づいて、前記電荷による電圧変化量毎に計数する計数部２１２と、前記電圧変化量とその発生頻度との積の総和に応じた第１電圧変化評価値と、前記ランプ電圧信号の上昇量に応じた第２電圧変化評価値と、に基づいて前記半導体検出器が劣化しているか否か判定する判定部２２０と、を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出されたＸ線のエネルギーに応じた電荷を生じる半導体検出器と、
前記生じる電荷に応じたランプ電圧信号を出力する前置増幅器と、
前記ランプ電圧信号に基づいて、前記電荷による電圧変化量毎に計数する計数部と、
前記電圧変化量とその発生頻度との積の総和に応じた第１電圧変化評価値と、前記ランプ電圧信号の上昇量に応じた第２電圧変化評価値と、に基づいて前記半導体検出器が劣化しているか否か判定する判定部と、
を有することを特徴とするＸ線信号処理装置。
【請求項２】
前記第１電圧変化評価値は、前記ランプ電圧信号の振幅を、前記総和と前記半導体検出器の正常時の漏れ電流の値との和で除算した値であることを特徴とする請求項１に記載のＸ線信号処理装置。
【請求項３】
前記ランプ電圧信号の各出力周期は、前記ランプ電圧信号が上限値に達してから下限値に低減されるリセット期間と、前記リセット期間以外の検出期間と、を含み、
前記第２電圧変化評価値は、前記検出期間における前記ランプ電圧信号の傾きまたは増加量に応じた値である、
ことを特徴とする請求項１または２に記載のＸ線信号処理装置。
【請求項４】
さらに、前記ランプ電圧信号の周期を計測する周期計測部を有し、
前記第２電圧変化評価値は、前記周期計測部が計測した前記ランプ電圧信号の周期であって、
前記判定部は、前記第１電圧変化評価値と前記第２電圧変化評価値との差分または比率と、予め設定された第１閾値と、に応じて前記半導体検出器が劣化しているか否かを判定する、ことを特徴とする請求項３に記載のＸ線信号処理装置。
【請求項５】
前記判定部は、前記総和と、予め設定された第２閾値と、に応じて、前記判定を行うか否かを決定する、ことを特徴とする請求項４に記載のＸ線信号処理装置。
【請求項６】
さらに、前記第１電圧変化評価値と前記第２電圧変化評価値との差分もしくは比率を継続的に記憶する記憶部と、
記憶された前記差分もしくは比率の推移から前記半導体検出器が劣化する時期を予測する予測部と、
を有することを特徴とする請求項４または５に記載のＸ線信号処理装置。
【請求項７】
さらに、前記ランプ電圧信号の周期を計測する周期計測部を有し、
前記第１電圧変化評価値は、前記総和であり、
前記第２電圧変化評価値は、前記周期計測部が計測した前記ランプ電圧信号の周期であり、
前記判定部は、前記ランプ電圧信号の振幅を前記第２電圧変化評価値で除算した値から前記第１電圧変化評価値を差し引いた値に基づいて、前記半導体検出器が劣化しているか否か判定する、
ことを特徴とする請求項１に記載のＸ線信号処理装置。
【請求項８】
試料に励起線が照射されることで発生したＸ線を検出することにより、該Ｘ線のエネルギーに応じた電荷を生じる半導体検出器と、
前記生じる電荷に応じたランプ電圧信号を出力する前置増幅器と、
前記ランプ電圧信号に基づいて、前記電荷による電圧変化量毎に計数する計数部と、
前記電圧変化量とその発生頻度との積の総和に応じた第１電圧変化評価値と、前記ランプ電圧信号の上昇量に応じた第２電圧変化評価値と、に基づいて前記半導体検出器が劣化しているか否か判定する判定部と、
前記計数されたＸ線に基づいて、前記試料の元素を分析する分析部と、
を有することを特徴とするＸ線分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体検出器を用いたＸ線信号処理装置及びＸ線分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
試料に含まれる元素や当該元素の濃度を測定する装置として、１次Ｘ線や電子線等を試料に照射した際に発生する２次Ｘ線を検出し、当該２次Ｘ線のエネルギーと強度から構成元素を分析するＸ線分析装置が知られている。
【０００３】
Ｘ線分析装置には、波長分散型のＸ線分析装置とエネルギー分散型のＸ線分析装置がある。波長分散型のＸ線分析装置は、試料から放出される２次Ｘ線を分光素子により波長毎に分光し、特定波長の２次Ｘ線を弁別して検出する。エネルギー分散型のＸ線分析装置は、試料から放出される２次Ｘ線を半導体検出器等のエネルギー分解能の高い検出器で検出する。
【０００４】
エネルギー分散型のＸ線分析装置は、試料から放出された２次Ｘ線を直接検出器で検出する。そのため、波長分散型のＸ線分析装置のように分光素子や検出器を走査することなく、同時に複数の波長の情報が得られる。従って、エネルギー分散型のＸ線分析装置は、波長分散型の装置に比べて装置構成が簡単で、より短い時間で多くの元素の分析が行えるという特徴がある（特許文献１参照）。
【０００５】
エネルギー分散型のＸ線分析装置に用いられる検出器は、高いエネルギー分解能を有する必要がある。そのため、エネルギー分散型のＸ線分析装置に用いられる検出器は、Si(Li)検出器やSDD(Silicon Drift Detector)検出器等の半導体検出器であって、雑音レベルの小さなアクティブリセット型前置増幅器と共に用いられる（非特許文献１参照）。
【０００６】
しかしながら、上記半導体検出器は、長時間にわたるＸ線の照射によって損傷を受け、性能が劣化する。エネルギー分散型のＸ線分析装置は、半導体検出器の性能が劣化し、エネルギー分解能が悪化すると、正確な測定が行えなくなる。
【０００７】
従って、予め定められた基準を超えて性能劣化が進行する前に半導体検出器を交換する事が望ましい。また、半導体検出器の性能劣化はＸ線照射によるダメージだけでなく、電気回路の故障や半導体検出器の冷却不良などその他の原因によっても起こる。
【０００８】
そこで、従来技術では、半導体検出器に流れる漏れ電流の測定評価が行われていた。半導体検出器を定常状態で動作させている場合、漏れ電流は、一定の定常値であるのが通常である。すなわち、漏れ電流の急激な変化あるいは増大は、半導体検出器の性能が変化したことを示す。
【０００９】
非特許文献１は、漏れ電流を検出する為に、半導体検出器に電流計、電流設定器、及び、電流比較器等を接続し、漏れ電流の監視を行う点を開示している。
【００１０】
特許文献２は、Ｘ線分析装置の起動時に、半導体検出器のリセット回路のリセットの発生の時間間隔（ランプ周期）を、漏れ電流の代わりに検出する点を開示している。具体的には、半導体検出器は、当該半導体検出器に流れる電流の値が増加するとリセット発生の時間間隔が短くなり、逆に電流が減少すると時間間隔が長くなる。そこで、時間間隔が所定時間以上であるかどうかを判定し、分析装置が分析可能かどうかを判断している。
【００１１】
特許文献３は、半導体検出素子の故障を防止する点を開示している。具体的には、リセットするためのインヒビット信号の個数がカウントされる。カウント値が設定値よりも大きくなったときに、半導体検出素子に過大なエネルギー量のＸ線が入射する過酷な状態が生じていると判断される。そして、過酷な状態が生じていると判断された場合に、放射線源に高電圧を供給する高電圧発生回路の動作をオフすることにより、半導体検出素子の故障が防止される。
【００１２】
特許文献４は、半導体検出器で検出された波高毎のＸ線を計数して累積し、その計数結果があらかじめ設定されている条件に到達した時点で、報知手段により半導体検出器の交換時期が到来した旨の報知を行う点を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平１０-３１８９４６号公報
【特許文献２】特開２０１０-８１７６号公報
【特許文献３】特開平０６-１２３７７８号公報
【特許文献４】特開２０１６-１２５９２２号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】：グレン F．ノル著「放射線計測ハンドブック（第３版）」日刊工業新聞社、２００１年３月２７日、p.435-436（11.5.1 漏れ電流）、P.691-701（17.5.1 前置増幅器）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上記非特許文献１では、電流計を含む専用の測定回路は、半導体検出器を流れる電流の監視を行い、当該半導体検出器の良否を判断している。しかし、監視される電流の大きさは、半導体検出器の性能劣化によってだけでなく、Ｘ線等の検出時に発生する信号電流によっても変化する。また、当該電流の大きさは、検出されたＸ線のエネルギーや強度によっても異なる。
【００１６】
そのため、半導体検出器を流れる電流が変化した場合、半導体検出器の異常によるものなのか、半導体検出器以外の装置（Ｘ線管・測定試料等）に起因するＸ線の強度及びエネルギーの変動によるものなのか区別することができない。よって、半導体検出器を流れる電流値のみに基づいて半導体検出器の状態を正しく把握することができない。
【００１７】
上記特許文献２では、装置起動時に半導体検出器のリセット回路において、リセット信号が発生する時間間隔が検出される。一方、装置起動時には、半導体検出器にＸ線信号が検出されない。当該方法は、半導体検出器がＸ線信号を検出しない期間である装置起動時に、リセットの発生の時間間隔を検出することによって、半導体検出器の性能評価を行う方法である。
【００１８】
そのため、上記方法は、装置起動後の半導体検出器の性能劣化を検知する事ができない。さらに、半導体検出器がＸ線信号を検出しない事が条件になっているため、測定中に半導体検出器の性能を評価する事もできない。
【００１９】
一方、Ｘ線分析装置は、起動後故障等がなければそのまま連続使用する事が一般的である。そのため、上記方法は、Ｘ線分析装置の通常の使用方法において半導体検出器の性能劣化を検知し、報知することができない。
【００２０】
上記特許文献３では、リセットする為のインヒビット信号の個数をカウントし、インヒビット信号の回数から半導体検出器に入射したＸ線エネルギーの総和を求めている。当該方法は、半導体検出器に入射したＸ線エネルギーの総和から半導体検出器のダメージを推定するため、Ｘ線エネルギーの総和と半導体検出器の性能劣化に一定の相関関係がある事を前提としている。
【００２１】
そのため、どのような相関関係があるのか事前に確認・検証しておく必要がある。また、実際には半導体検出器の性能には個体差があるため、性能劣化の程度は、半導体検出器の個体毎に異なる。しかし、上記方法は、性能の個体差は考慮に入れる事ができない。
【００２２】
上記特許文献４では、エネルギー毎のＸ線強度をパラメーターとして、半導体検出器のダメージの推定が行われている。当該方法は、Ｘ線強度と半導体検出器の性能劣化に一定の相関関係がある事を前提としている。
【００２３】
そのため、上記特許文献３と同様にどのような相関関係があるのか事前に確認・検証しておく必要があるため、性能の個体差を考慮に入れる事ができない。また、電気回路の故障や半導体検出器の冷却不良など照射損傷以外が原因で性能劣化が発生した場合、上記方法は、性能の劣化を検出する事ができない。
【００２４】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、Ｘ線の測定を行いながら、Ｘ線照射によるダメージや電気回路の故障や半導体検出器の冷却不良などさまざまな原因によって起こる半導体検出器の性能劣化の程度を簡便な方法で正確に検出するＸ線信号処理装置及びＸ線分析装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
請求項１に記載のＸ線信号処理装置は、検出されたＸ線のエネルギーに応じた電荷を生じる半導体検出器と、前記生じる電荷に応じたランプ電圧信号を出力する前置増幅器と、前記ランプ電圧信号に基づいて、前記電荷による電圧変化量毎に計数する計数部と、前記電圧変化量とその発生頻度との積の総和に応じた第１電圧変化評価値と、前記ランプ電圧信号の上昇量に応じた第２電圧変化評価値と、に基づいて前記半導体検出器が劣化しているか否か判定する判定部と、を有することを特徴とする。
【００２６】
請求項２に記載のＸ線信号処理装置は、請求項１に記載のＸ線信号処理装置において、前記第１電圧変化評価値は、前記ランプ電圧信号の振幅を、前記総和と前記半導体検出器の正常時の漏れ電流の値との和で除算した値であることを特徴とする。
【００２７】
請求項３に記載のＸ線信号処理装置は、請求項１または２に記載のＸ線信号処理装置において、前記ランプ電圧信号の各出力周期は、前記ランプ電圧信号が上限値に達してから下限値に低減されるリセット期間と、前記リセット期間以外の検出期間と、を含み、前記第２電圧変化評価値は、前記検出期間における前記ランプ電圧信号の傾きまたは増加量に応じた値である、ことを特徴とする。
【００２８】
請求項４に記載のＸ線信号処理装置は、請求項３に記載のＸ線信号処理装置において、さらに、前記ランプ電圧信号の周期を計測する周期計測部を有し、前記第２電圧変化評価値は、前記周期計測部が計測した前記ランプ電圧信号の周期であって、前記判定部は、前記第１電圧変化評価値と前記第２電圧変化評価値との差分または比率と、予め設定された第１閾値と、に応じて前記半導体検出器が劣化しているか否かを判定する、ことを特徴とする。
【００２９】
請求項５に記載のＸ線信号処理装置は、請求項４に記載のＸ線信号処理装置において、前記判定部は、前記総和と、予め設定された第２閾値と、に応じて、前記判定を行うか否かを決定する、ことを特徴とする。
【００３０】
請求項６に記載のＸ線信号処理装置は、請求項４または５に記載のＸ線信号処理装置において、さらに、前記第１電圧変化評価値と前記第２電圧変化評価値との差分もしくは比率を継続的に記憶する記憶部と、記憶された前記差分もしくは比率の推移から前記半導体検出器が劣化する時期を予測する予測部と、を有することを特徴とする。
【００３１】
請求項７に記載のＸ線信号処理装置は、請求項１に記載のＸ線信号処理装置において、さらに、前記ランプ電圧信号の周期を計測する周期計測部を有し、前記第１電圧変化評価値は、前記総和であり、前記第２電圧変化評価値は、前記周期計測部が計測した前記ランプ電圧信号の周期であり、前記判定部は、前記ランプ電圧信号の振幅を前記第２電圧変化評価値で除算した値から前記第１電圧変化評価値を差し引いた値に基づいて、前記半導体検出器が劣化しているか否か判定する、ことを特徴とする。
【００３２】
請求項８に記載のＸ線分析装置は、試料に励起線が照射されることで発生したＸ線を検出することにより、該Ｘ線のエネルギーに応じた電荷を生じる半導体検出器と、前記生じる電荷に応じたランプ電圧信号を出力する前置増幅器と、前記ランプ電圧信号に基づいて、前記電荷による電圧変化量毎に計数する計数部と、前記電圧変化量とその発生頻度との積の総和に応じた第１電圧変化評価値と、前記ランプ電圧信号の上昇量に応じた第２電圧変化評価値と、に基づいて前記半導体検出器が劣化しているか否か判定する判定部と、前記計数されたＸ線に基づいて、前記試料の元素を分析する分析部と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３３】
請求項１乃至５、７及び８に記載の発明によれば、Ｘ線の測定を行いながら、半導体検出器が劣化したか否か判断することが可能で、かつ、性能の劣化の程度を正確に評価することができるＸ線信号処理装置及びＸ線分析装置を実現できる。半導体検出器が劣化したか否かの判断を測定中に行えるため、測定の停止や分析装置の起動及び遮断等する必要がなくなる。また、半導体検出器に個体ごとのばらつきがあったとしても、個体ごとに性能劣化の程度を正確に把握することができる。さらに、Ｘ線分析装置及びＸ線信号処理装置が故障した場合においても、半導体検出器が原因であるのか、後段の回路に問題があるのかといった問題の切り分けを行い、故障個所を特定することができる。
【００３４】
請求項６に記載の発明によれば、半導体検出器の性能劣化の進行の程度を常時把握し、性能劣化に起因する問題の発生を未然に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施形態に係るＸ線分析装置を概略的に示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係るＸ線信号処理装置を概略的に示す図である。
【図３】半導体検出器及び前置増幅器を概略的に示す図である。
【図４】ランプ電圧信号の一例を示す図である。
【図５】計測周期を説明するための図である。
【図６】Ｘ線強度及びＸ線エネルギーと計測周期との関係を説明するための図である。
【図７】測定結果の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明を実施するための好適な実施の形態（以下、実施形態という）を説明する。図１は、本発明に係るＸ線分析装置１００を概略的に示す図である。また、図２は、本発明に係るＸ線信号処理装置２００を概略的に示す図である。
【００３７】
Ｘ線分析装置１００は、試料台１０２と、Ｘ線源１０４と、Ｘ線信号処理装置２００と、を有する。Ｘ線信号処理装置２００は、半導体検出器１０６と、処理部１０８と、演算部１１０と、を有する。処理部１０８は、前置増幅器２０２と、ＡＤ変換器２０６と、波形整形部２０８と、波高値測定部２１０と、計数部２１２と、リセット信号検出部２１４と、周期計測部２１６と、を含む。
【００３８】
試料台１０２は、試料１１２が配置される。試料１１２は、元素分析を行う対象である。
【００３９】
Ｘ線源１０４は、１次Ｘ線１１４を生成し、試料１１２の表面に１次Ｘ線１１４を照射する。具体的には、例えば、Ｘ線源１０４は、Ｘ線管（図示せず）から出射されたＸ線をコリメータ（図示せず）で絞り、フィルタ（図示せず）によって連続Ｘ線成分を除去し、準単色化した１次Ｘ線１１４を試料１１２の表面に照射する。１次Ｘ線１１４が照射された試料１１２から、２次Ｘ線１１６が発生する。
【００４０】
半導体検出器１０６は、検出されたＸ線のエネルギーに応じた電荷を生じる。具体的には、例えば、半導体検出器１０６は、試料１１２に励起線（１次Ｘ線１１４）が照射されることで発生したＸ線（２次Ｘ線１１６）を検出することにより、該Ｘ線（２次Ｘ線１１６）のエネルギーに応じた電荷を生じる。半導体検出器１０６は、例えば、Ｓｉ（Ｌｉ）検出器やＳＤＤ検出器等の半導体検出器である。
【００４１】
前置増幅器２０２は、当該生じる電荷に応じたランプ電圧信号を出力する。半導体検出器１０６及び前置増幅器２０２の具体例について、図３を用いて説明する。
【００４２】
図３は、半導体検出器１０６がＳＤＤ検出器であって、前置増幅器２０２がアクティブリセット型前置増幅器である実施例を示す図である。半導体検出器１０６はＳＤＤ素子３０２と電圧源３０４とを有する。ＳＤＤ素子３０２は、陽極と、陰極と、陽極及び陰極の間に半導体層を含む。陽極と陰極には、電圧源３０４によって、所定の電圧が印加される。ＳＤＤ素子３０２に２次Ｘ線１１６が入射すると、電離作用により、半導体層に２次Ｘ線１１６のエネルギーに応じた電荷が生じる。
【００４３】
なお、陽極と陰極に所定の電圧が印加されることによって、陽極と陰極の間に漏れ電流が流れる。従って、半導体検出器１０６が生じる電流は、２次Ｘ線１１６によって生じる電荷による電流と、半導体検出器１０６に定常的に生じる漏れ電流と、を含む。当該漏れ電流の大きさは、半導体検出器１０６が正常な状態である場合には小さい。しかし、２次Ｘ線１１６の入射やＸ線管の放電等による過大な電気ノイズ等によって、半導体検出器１０６が劣化するにつれて、当該漏れ電流は大きくなる。
【００４４】
前置増幅器２０２は、半導体検出器１０６から出力された電荷を時間積分し、電圧信号として出力する。具体的には、例えば、前置増幅器２０２は、コンデンサ３０６と、オペアンプ３０８と、スイッチ３１０と、が並列に接続された回路である。前置増幅器２０２は、半導体検出器１０６から入力された電荷がコンデンサ３０６に蓄積されることで、半導体検出器１０６から入力された電荷を時間積分し、階段状の電圧信号を後段のＡＤ変換器２０６に出力する。また、前置増幅器２０２は、ＡＤ変換器２０６の許容（または定格）電圧の範囲内に設定された上限値に電圧信号が達するとリセット信号を発生させる。そして、前置増幅器２０２は、スイッチ３１０をＯＮ状態にし、電圧信号を下限値に低減する。なお、Ｘ線信号処理装置２００は、ＡＤ変換器２０６の前に微分回路（図示せず）を有する構成であってもよい。
【００４５】
図４は、前置増幅器２０２が出力するランプ電圧信号の一例を示す図である。ランプ電圧信号の各出力周期は、ランプ電圧信号が上限値に達してから下限値に低減されるリセット期間４０４と、リセット期間４０４以外の検出期間４０２と、を含む。具体的には、検出期間４０２は、スイッチ３１０に入力されるリセット信号の電圧がＯＦＦ電圧であり、スイッチ３１０がＯＦＦ状態である期間である。また、リセット期間４０４は、スイッチ３１０に入力されるリセット信号の電圧がＯＮ電圧であり、スイッチ３１０がＯＮ状態である期間である。なお、図４では誇張して記載しているが、リセット期間４０４は検出期間４０２に対して非常に短い一定時間である。
【００４６】
検出期間４０２では、ランプ電圧信号は、半導体検出器１０６により２次Ｘ線１１６が検出されるたびに加算されて階段状に増加する。図４右側の拡大図に示すように、検出期間４０２は、２次Ｘ線検出タイミング４０６を含む。ランプ電圧信号の電圧は、２次Ｘ線検出タイミング４０６において、２次Ｘ線１１６によって生じた電荷によって、階段状に増加する。すなわち、検出期間４０２においてランプ電圧信号を拡大すると、ランプ電圧信号は階段波である。当該階段波の各段がＸ線を検出していることを示し、段差の頻度はＸ線強度を表している。当該階段波の段差の高さは検出されたＸ線のエネルギーの大きさと比例する。
【００４７】
また、検出期間４０２の２次Ｘ線検出タイミング４０６以外の期間では、ランプ電圧信号の電圧は、漏れ電流によって、なだらかに増加する。当該ランプ電圧信号の傾きの大きさは、漏れ電流の大きさと比例する。なお、図４は模式的にノイズを含まないランプ電圧信号を示した図であって、実際のランプ電圧信号はノイズを多く含む。
【００４８】
リセット期間４０４では、ランプ電圧信号は、所定の下限値まで低下する。リセット期間４０４では、スイッチ３１０がＯＮ状態となるため、コンデンサ３０６の両ノードは短絡する。従って、コンデンサ３０６に蓄積された電荷がＯＮ状態となったスイッチ３１０を経由して解放されることにより、ランプ電圧信号の電圧は、下限値となる。
【００４９】
リセット信号の電圧は、ランプ電圧信号の電圧が上限値に達した時点でＯＮ電圧となる。また、リセット信号の電圧は、ランプ電圧信号の電圧が下限値に達した時点でＯＦＦ電圧となる。これにより、ランプ電圧信号は、増加と低下を繰り返すことにより、三角波の形状となる。
【００５０】
１回のリセット期間４０４と１回の検出期間４０２を合わせた１周期の期間は、半導体検出器１０６の漏れ電流の大きさや２次Ｘ線１１６の入射で生じた電荷による階段状の電圧増加の大きさや頻度によって変化する。すなわち、ランプ電圧信号の周期は、一定ではない。当該１周期の期間は、後述する周期計測部２１６で計測される。以下、周期計測部２１６で計測された周期を、計測周期（Ｔ）とする。
【００５１】
一方、ランプ電圧信号の振幅は一定である。具体的には、ランプ電圧信号の上限値と下限値は、コンデンサ３０６及びオペアンプ３０８の定格電圧等に応じて予め設定される。従って、ランプ電圧信号の振幅は、当該上限値と下限値の差分であって、一定の値となる。以下、ランプ電圧信号の振幅を、振幅（ａ）とする。
【００５２】
ＡＤ変換器２０６は、アナログ信号であるランプ電圧信号をデジタル信号であるランプ電圧信号に変換する。具体的には、ＡＤ変換器２０６は、前置増幅器２０２が出力したアナログ信号であるランプ電圧信号を、後段の波形整形部２０８及びリセット信号検出部２１４が処理できるデジタル信号に変換する。
【００５３】
波形整形部２０８は、ランプ電圧信号の整形を行う。具体的には、図４の拡大図に示すように、検出期間４０２においてランプ電圧信号を拡大すると、ランプ電圧信号は階段波である。例えば、波形整形部２０８は、階段波に含まれる各段差を、当該段差の高さに対応する波高値を有する台形波、三角波、ガウシアン波などの関数波に整形する。
【００５４】
波高値測定部２１０は、整形された波形の波高値を測定する。具体的には、例えば、波高値測定部２１０は、マルチチャンネルアナライザーであり、台形波に整形された波形の波高を測定し、波高値として取得する。波高値測定部２１０は、例えば、波高値を１０ｅＶ毎のエネルギー値に換算して弁別する。
【００５５】
計数部２１２は、ランプ電圧信号に基づいて、上記電荷による電圧変化量毎に計数する。具体的には、計数部２１２は、波高値測定部２１０が測定した波高値に基づいて、２次Ｘ線１１６のエネルギーに対応したチャンネル毎に計数する。また、計数部２１２は、図２に示すように、取得した２次Ｘ線１１６のエネルギー毎の取得頻度を表すヒストグラム２２８を生成する。
【００５６】
リセット信号検出部２１４は、スイッチ３１０がＯＮ状態またはＯＦＦ状態になったタイミングを検出する。具体的には、例えば、リセット信号検出部２１４は、ランプ電圧信号の立下りエッジのタイミングを検出する。また、リセット信号検出部２１４は、前置増幅器２０２から直接リセット信号を検出してもよい。
【００５７】
周期計測部２１６は、ランプ電圧信号の周期（図４の計測周期）を計測する。具体的には、周期計測部２１６は、リセット信号検出部２１４が検出したリセット信号間の時間を計測する。なお、周期計測部２１６は、１個の試料１１２を測定する際に、１度だけ計測周期を測定しても良いし、複数回計測した計測周期の平均値を取得してもよい。
【００５８】
計測周期は、半導体検出器１０６が検出したＸ線のエネルギー・強度が一定、もしくは半導体検出器１０６がＸ線を検出していない場合でも、漏れ電流の大きさによって変動する。具体的には、計測周期は、半導体検出器１０６に定常的に流れる電流が大きいほど短くなる。例えば、計測周期は、半導体検出器１０６が正常な状態であり漏れ電流が小さい場合は長く（図５（ａ）参照）、半導体検出器１０６が劣化し、漏れ電流が大きくなるほど短くなる（図５（ｂ）参照）。半導体検出器１０６は、Ｘ線が長時間照射されること等によって損傷受け、漏れ電流は増加する。従って、計測周期の短さは、Ｘ線によって受けた損傷の大きさを表す要素となる。
【００５９】
また、計測周期は、半導体検出器１０６が２次Ｘ線１１６を検出する事により短くなる。具体的には、計測周期は、半導体検出器１０６が検出した２次Ｘ線１１６の頻度（強度）が高い程、また、半導体検出器１０６が検出した２次Ｘ線１１６のエネルギーが高い程、短くなる。一方、計測周期は、半導体検出器１０６が検出した２次Ｘ線１１６の頻度（強度）が低い程、また、半導体検出器１０６が検出した２次Ｘ線１１６のエネルギーが低い程、長くなる。
【００６０】
図６（ａ）は、同じエネルギーの２次Ｘ線１１６を測定した場合において、２次Ｘ線１１６の頻度による計測周期の変化を示す図である。２次Ｘ線１１６の頻度が高い場合（実線）におけるランプ電圧信号は、２次Ｘ線１１６の頻度が低い場合（鎖線）におけるランプ電圧信号よりも計測周期は短い。なお、２次Ｘ線１１６のエネルギーは同じであるため、計数部２１２は、同じ横軸（Ｘ線エネルギー）の位置に、頻度に応じて高さの異なるヒストグラム２２８を生成する。
【００６１】
また、図６（ｂ）は、同じ頻度の２次Ｘ線１１６を測定した場合において、２次Ｘ線１１６のエネルギーによる計測周期の変化を示す図である。２次Ｘ線１１６のエネルギーが高い場合（実線）におけるランプ電圧信号は、２次Ｘ線１１６のエネルギーが低い場合（鎖線）におけるランプ電圧信号よりも計測周期は短い。なお、２次Ｘ線１１６の頻度は同じであるため、計数部２１２は、異なる横軸（Ｘ線エネルギー）の位置に、高さが同じヒストグラム２２８を生成する。なお、説明のため、図６（ａ）及び図６（ｂ）は、ランプ電圧信号に含まれる段差の高さを誇張して記載している。
【００６２】
演算部１１０は、算出部２１８と、判定部２２０と、記憶部２２２と、予測部２２４と、分析部２２６と、を有する。
【００６３】
算出部２１８は、第１電圧変化評価値と第２電圧変化評価値を算出する。具体的には、例えば、算出部２１８は、電圧変化量とその発生頻度との積の総和に応じた第１電圧変化評価値を算出する。半導体検出器１０６がＳＤＤ検出器である場合において、ランプ電圧信号の振幅をａ、波高値測定部２１０の各チャンネルのＸ線強度をｂとする。Ｘ線エネルギーに対応するチャンネル番号をｋ、総チャンネル数をｎとする。半導体検出器１０６が正常な状態において、半導体検出器１０６に生じる漏れ電流に起因するランプ電圧信号の上昇量をc0とする。この場合、第１電圧変化評価値は、ランプ電圧信号の振幅を、上記総和と半導体検出器１０６の正常時の漏れ電流の値との和で除算した値である。すなわち、第１電圧変化評価値は、数１で表される。数１で表される第１電圧変化評価値は、振幅を電圧の上昇量で除算した値であるため、半導体検出器１０６が正常な状態におけるランプ電圧信号の周期を表している。ここで、c0は、定数ａとＸ線を検出していない時のランプ電圧信号の周期から、定数として予め算出された値である。
【数１】
2020085680.tif 000003
【００６４】
第２電圧変化評価値は、ランプ電圧信号の上昇量に応じた値である。具体的には、第２電圧変化評価値は、検出期間４０２におけるランプ電圧信号の傾きまたは増加量に応じた値である。ランプ電圧信号の傾きに応じた値は、例えば、周期計測部２１６が計測したランプ電圧信号の周期（図４の計測周期）である。すなわち、周期計測部２１６が計測したランプ電圧信号の周期をＴとした場合、第２電圧変化評価値は、数２で表される。
【数２】
2020085680.tif 000004
【００６５】
判定部２２０は、第１電圧変化評価値と、第２電圧変化評価値と、に基づいて半導体検出器１０６が劣化しているか否か判定する。具体的には、判定部２２０は、第１電圧変化評価値と第２電圧変化評価値との差分と、予め設定された第１閾値と、に応じて半導体検出器１０６が劣化しているか否かを判定する。すなわち、判定部２２０は、数３を満たす場合に半導体検出器１０６が劣化していないと判定し、数３を満たさない場合に半導体検出器１０６が劣化していると判定する。
【数３】
2020085680.tif 000005
【００６６】
例えば、判定部２２０は、第１電圧変化評価値と第２電圧変化評価値との差分が１．０より小さければ、半導体検出器１０６が劣化していないと判定し、差分が１．０以上であれば、半導体検出器１０６が劣化していると判定する。
【００６７】
また、判定部２２０は、第１電圧変化評価値と第２電圧変化評価値との比率と、予め設定された第１閾値と、に応じて半導体検出器１０６が劣化しているか否かを判定してもよい。例えば、判定部２２０は、第１電圧変化評価値と第２電圧変化評価値との比率が１０％より小さければ、半導体検出器１０６が劣化していないと判定し、比率が１０％以上であれば、半導体検出器１０６が劣化していると判定してもよい。
【００６８】
すなわち、半導体検出器１０６が正常な状態であれば、ランプ電圧信号の実測の周期（第２電圧変化評価値）は、半導体検出器１０６が正常な状態におけるランプ電圧信号の周期（第１電圧変化評価値）とおよそ同じ値となるはずである。しかし、半導体検出器１０６が劣化し、半導体検出器１０６の漏れ電流が大きくなった場合、当該漏れ電流の大きさに応じてランプ電圧信号の実測の周期は短くなる。従って、判定部２２０は、第１電圧変化評価値と、第２電圧変化評価値と、に基づいて半導体検出器１０６が劣化しているか否か判定することができる。
【００６９】
実際の測定結果に基づいて、判定部２２０が行う判定について説明する。図７は、測定によって得られたヒストグラム２２８の一例を示す図である。当該測定結果が得られた測定条件は、以下のとおりである。試料１１２は、Mn試料、測定時間は１０秒である。Ｘ線強度はそれぞれ約１．２ｋｃｐｓ、約１０．１ｋｃｐｓである。半導体検出器１０６に含まれるＳＤＤ素子３０２の温度は約−３０℃である。当該ヒストグラム２２８から算出された第１電圧変化評価値及び第２電圧変化評価値は、表１の通りである。
【表１】
2020085680.tif 000006
【００７０】
表１に示すように、いずれの実験条件においても、第１電圧変化評価値と第２電圧変化評価値の差分は、１．０より小さい。従って、判定部２２０は、半導体検出器１０６が劣化していないと判定する。
【００７１】
表２は、ＳＤＤ素子３０２の温度が約−１０℃である測定条件で算出された第１電圧変化評価値及び第２電圧変化評価値を示す表である。ＳＤＤ素子３０２の温度が上昇すると、半導体検出器１０６の漏れ電流が増加する。すなわち、ＳＤＤ素子３０２の温度が高い状態で測定を行うことにより、半導体検出器１０６が劣化した状態と同等の測定結果を得ることが出来る。なお、上記測定結果との比較を行うため、他の測定条件は、上記と同様である。
【表２】
2020085680.tif 000007
【００７２】
表２に示すように、Ｘ線強度が１．２ｋｃｐｓである実験条件において、第１電圧変化評価値と第２電圧変化評価値の差分は、１．０以上である。従って、判定部２２０は、半導体検出器１０６が劣化していると判定する。
【００７３】
なお、Ｘ線強度が１０．１ｋｃｐｓである実験条件において、ＳＤＤ素子３０２の温度が高い状態（すなわち半導体検出器１０６が劣化した状態）であるにも関わらず、第１電圧変化評価値と第２電圧変化評価値の差分は、１．０より小さい。半導体検出器１０６に検出される２次Ｘ線１１６の強度が高くなると、電圧変化量とその発生頻度との積の総和が大きくなる。数１に示すように、当該総和が大きくなると、ランプ電圧信号の周期に対する漏れ電流の寄与が小さくなる。当該総和が大きくなると半導体検出器１０６が劣化したか否かが正確に判断できないおそれがある。
【００７４】
従って、判定部２２０は、総和と、予め設定された第２閾値と、に応じて、判定を行うか否かを決定してもよい。具体的には、例えば、判定部２２０は、数４を満たす場合に判定を行い、数４を満たさない場合は判定を行わなくてもよい。数４は、上記総和（２次Ｘ線１１６に起因するランプ電圧信号の変化量）が、c0（半導体検出器１０６が正常である場合に半導体検出器１０６に生じる漏れ電流に起因するランプ電圧信号の上昇量）の１０倍（第２閾値）よりも小さい場合にのみ、判定が行われることを示す。
【数４】
2020085680.tif 000008
【００７５】
なお、判定部２２０は、単に、総和が予め設定された第２閾値よりも小さい場合にのみ判定を行ってもよい。
【００７６】
記憶部２２２は、第１電圧変化評価値と第２電圧変化評価値との差分もしくは比率を継続的に記憶する。具体的には、記憶部２２２は、一定期間ごとに、上記差分もしくは比率を記憶する。例えば、半導体検出器１０６が未使用である時点を０とした場合に、記憶部２２２は、半導体検出器１０６を使用した時間と、当該時間が経過した時点で上記差分もしくは比率と、の関係を記憶する。
【００７７】
予測部２２４は、記憶された第１電圧変化評価値と第２電圧変化評価値との差分もしくは比率の推移から半導体検出器１０６が劣化する時期を予測する。具体的には、例えば、予測部２２４は、記憶部２２２が記憶した時間と上記差分もしくは比率との関係に基づいて、上記差分または比率が第１閾値より大きくなる時期を予測する。ここで、半導体検出器１０６は２次Ｘ線１１６を照射される時間が長いほど劣化するため、半導体検出器１０６を使用した時間が長くなるほど第２電圧変化評価値は小さくなる。従って、当該差分もしくは比率と時間との関係を関数（例えば１次関数）で近似することで、予測部２２４は、上記時期を予測することが出来る。
【００７８】
なお、上記のように、半導体検出器１０６に検出される２次Ｘ線１１６の強度が高くなると、ランプ電圧信号の周期に対する漏れ電流の寄与が小さくなる。この場合、上記総和が大きくなり、予測部２２４は、半導体検出器１０６が劣化する時期を正確に判断できないおそれがある。従って、予測部２２４は、数４を満たす場合に予測を行い、数４を満たさない場合は予測を行わなくてもよい。
【００７９】
分析部２２６は、計数された２次Ｘ線１１６に基づいて、試料１１２の元素を分析する。具体的には、例えば、分析部２２６は、従来技術を用いて、試料１１２の元素を定性分析または定量分析する。
【００８０】
以上のように、第１電圧変化評価値と第２電圧変化評価値を評価する事によって、測定中であっても、半導体検出器１０６が劣化しているか否かを正確に判断することができる。また、上記実施形態によれば、半導体検出器１０６や前置増幅器２０２にノイズ信号が混入した場合や半導体検出器１０６の冷却不良等が発生した場合であっても、第１電圧変化評価値と第２電圧変化評価値との差分もしくは比率に急激な変化が発生する。この変化を検知することで半導体検出器１０６の突発的な不良が発生したことを判定することができる。
【００８１】
本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上記構成は一例であって、これに限定されるものではない。上記の実施例で示した構成と実質的に同一の構成、同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成する構成で置き換えてもよい。
【００８２】
例えば、実施例のＸ線分析装置１００は１次Ｘ線１１４を試料１１２に照射し、試料１１２より発生した２次Ｘ線１１６を検出する装置であったが、試料１１２により回折や散乱したＸ線を検出する装置であってもよい。
【００８３】
また、試料を励起する励起線は１次Ｘ線１１４に限らず、電子線や陽子線等の荷電粒子線を励起線として用いてもよい。具体的には、Ｘ線分析装置１００は、励起線として１次Ｘ線１１４を発生させるＸ線源１０４に代えて、励起線として荷電粒子線を発生させる荷電粒子線源（電子銃、加速器、放射線源等）を有してもよい。さらに、使用する半導体検出器１０６は、ＳＤＤ検出器、Ｓｉ（Ｌｉ）検出器、Ｓｉ−ＰＩＮ検出器、ＣｄＴｅ検出器等であり、種類は特に問わない。
【００８４】
また、第１電圧変化評価値及び第２電圧変化評価値は、上記に限らない。例えば、第１電圧変化評価値は、電圧変化量とその発生頻度との積の総和（数５）であり、第２電圧変化評価値は、周期計測部２１６が計測したランプ電圧信号の周期（数２）であってもよい。
【数５】
2020085680.tif 000009
【００８５】
そして、判定部２２０は、ランプ電圧信号の振幅を第２電圧変化評価値で除算した値から第１電圧変化評価値を差し引いた値に基づいて、半導体検出器１０６が劣化しているか否か判定してもよい。具体的には、周期計測部２１６が計測したランプ電圧信号の周期をＴとした場合、半導体検出器１０６に生じる漏れ電流に起因するランプ電圧信号の上昇量ｃは下記数６で表される。数６の右辺は、ランプ電圧信号の振幅ａを第２電圧変化評価値で除算した値から第１電圧変化評価値を差し引いた値である。
【数６】
2020085680.tif 000010
【００８６】
半導体検出器１０６が正常な状態において、半導体検出器１０６に生じる漏れ電流に起因するランプ電圧信号の上昇量をc0とした場合に、半導体検出器１０６の劣化の度合い、すなわち劣化に起因する漏れ電流の変化は、cとc0の差分である。従って、判定部２２０は、当該差分が予め設定された第１閾値より小さい場合（数７を満たす場合）に、半導体検出器１０６が劣化していないと判定してもよい。
【数７】
2020085680.tif 000011
【００８７】
半導体検出器１０６が劣化した場合は、半導体検出器１０６の漏れ電流が増加する。上記のように、判定部２２０は、第１電圧変化評価値及び第２電圧変化評価値を用いて、漏れ電流の大きさを算出することによって、半導体検出器１０６が劣化しているか否かを判定してもよい。
【００８８】
この場合においても、判定部２２０は、総和と、予め設定された第２閾値と、に応じて、判定を行うか否かを決定してもよい。また、記憶部２２２は、cとc0との差分もしくは比率を継続的に記憶してもよい。そして、予測部２２４は、記憶された差分もしくは比率の推移から半導体検出器１０６が劣化する時期を予測してもよい。さらに、予測部２２４は、数４を満たす場合に予測を行い、数４を満たさない場合は予測を行わなくてもよい。
【００８９】
さらに、Ｘ線信号処理装置２００は、半導体検出器１０６が劣化した旨をユーザに知らせる報知部を有してもよい。具体的には、例えば、報知部は、判定部２２０の判定した結果を表示する表示装置である。また、報知部は、判定部２２０が半導体検出器１０６が劣化したと判定した場合に、ユーザに警報を発するスピーカであってもよい。さらに、報知部は、上記予測部２２４が予測した半導体検出器１０６が劣化する時期をユーザに知らせてもよい。
【符号の説明】
【００９０】
１００  Ｘ線分析装置、１０２  試料台、１０４  Ｘ線源、１０６  半導体検出器、１０８  処理部、１１０  演算部、１１２  試料、１１４  １次Ｘ線、１１６  ２次Ｘ線、２００  Ｘ線信号処理装置、２０２  前置増幅器、、２０６  ＡＤ変換器、２０８  波形整形部、２１０  波高値測定部、２１２  計数部、２１４  リセット信号検出部、２１６  周期計測部、２１８  算出部、２２０  判定部、２２２  記憶部、２２４  予測部、２２６  分析部、２２８  ヒストグラム、３０２  ＳＤＤ素子、３０４  電圧源、３０６  コンデンサ、３０８  オペアンプ、３１０  スイッチ、４０２  検出期間、４０４  リセット期間、４０６  ２次Ｘ線検出タイミング。
【図１】
2020085680.tif 000012
【図２】
2020085680.tif 000013
【図３】
2020085680.tif 000014
【図４】
2020085680.tif 000015
【図５】
2020085680.tif 000016
【図６】
2020085680.tif 000017
【図７】
2020085680.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】令和2年1月16日(2020.1.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出されたＸ線のエネルギーに応じた電荷を生じる半導体検出器と、
前記生じる電荷に応じたランプ電圧信号を出力する前置増幅器と、
前記電荷によって前記ランプ電圧信号が変化する回数を、該変化の前後の電圧変化量毎に計数する計数部と、
前記電圧変化量とその発生頻度との積の総和に応じた第１電圧変化評価値と、前記ランプ電圧信号の傾きまたは周期を用いて表される第２電圧変化評価値と、正常時の前記半導体検出器に生じる漏れ電流に起因する前記ランプ電圧信号の上昇量に基づいて予め設定された第１閾値と、に基づいて前記半導体検出器が劣化しているか否か判定する判定部と、
を有することを特徴とするＸ線信号処理装置。
【請求項２】
前記第１電圧変化評価値は、前記ランプ電圧信号の振幅を、前記総和と前記半導体検出器の正常時の漏れ電流の値との和で除算した値であることを特徴とする請求項１に記載のＸ線信号処理装置。
【請求項３】
前記ランプ電圧信号の各出力周期は、前記ランプ電圧信号が上限値に達してから下限値に低減されるリセット期間と、前記リセット期間以外の検出期間と、を含み、
前記第２電圧変化評価値は、前記検出期間における前記ランプ電圧信号の傾き、または、前記ランプ電圧信号の周期である、
ことを特徴とする請求項１または２に記載のＸ線信号処理装置。
【請求項４】
さらに、前記ランプ電圧信号の周期を計測する周期計測部を有し、
前記第２電圧変化評価値は、前記周期計測部が計測した前記ランプ電圧信号の周期であって、
前記判定部は、前記第１電圧変化評価値と前記第２電圧変化評価値との差分または比率と、前記第１閾値と、に応じて前記半導体検出器が劣化しているか否かを判定する、ことを特徴とする請求項３に記載のＸ線信号処理装置。
【請求項５】
前記判定部は、前記総和と、予め設定された第２閾値と、に応じて、前記判定を行うか否かを決定する、ことを特徴とする請求項４に記載のＸ線信号処理装置。
【請求項６】
さらに、前記第１電圧変化評価値と前記第２電圧変化評価値との差分もしくは比率を継続的に記憶する記憶部と、
記憶された前記差分もしくは比率の推移から前記半導体検出器が劣化する時期を予測する予測部と、
を有することを特徴とする請求項４または５に記載のＸ線信号処理装置。
【請求項７】
さらに、前記ランプ電圧信号の周期を計測する周期計測部を有し、
前記第１電圧変化評価値は、前記総和であり、
前記第２電圧変化評価値は、前記周期計測部が計測した前記ランプ電圧信号の周期であり、
前記判定部は、前記ランプ電圧信号の振幅を前記第２電圧変化評価値で除算した値から前記第１電圧変化評価値を差し引いた値に基づいて、前記半導体検出器が劣化しているか否か判定する、
ことを特徴とする請求項１に記載のＸ線信号処理装置。
【請求項８】
試料に励起線が照射されることで発生したＸ線を検出することにより、該Ｘ線のエネルギーに応じた電荷を生じる半導体検出器と、
前記生じる電荷に応じたランプ電圧信号を出力する前置増幅器と、
前記電荷によって前記ランプ電圧信号が変化する回数を、該変化の前後の電圧変化量毎に計数する計数部と、
前記電圧変化量とその発生頻度との積の総和に応じた第１電圧変化評価値と、前記ランプ電圧信号の傾きまたは周期を用いて表される第２電圧変化評価値と、正常時の前記半導体検出器に生じる漏れ電流に起因する前記ランプ電圧信号の上昇量に基づいて予め設定された第１閾値と、に基づいて前記半導体検出器が劣化しているか否か判定する判定部と、
前記計数されたＸ線に基づいて、前記試料の元素を分析する分析部と、
を有することを特徴とするＸ線分析装置。