JAIMA Season 2022
機器分析が支える、豊かな暮らしと産業のフロンティア

X 線等量子ビームを用いたイメージング技術とその社会応用
産業技術総合研究所

分析計測標準研究部門

1. はじめに量子ビームには X線・ガンマ線といった光子線、

No.15

放射線イメージング計測研究グループ
田中真人／藤原 健

なっている。
当研究グループでは、X線を中心とした量子ビームに関して、その発生・検出技術ならびにイ中性子線、粒子線、ミューオンなどが含まれ、そメージングをはじめとする先端分析技術の開発との特性（透過能、エネルギー付与など）を利用して、インフラ・工業製品検査等のさまざまな産業応用

医療診断・治療、非破壊検査、材料分析等に広くを進めている。発生・検出技術開発では産業応用用いられている。例えば最近は中性子を用いたがを念頭にして、可搬・省エネであるなど実用性のん治療（BNCT）が普及しつつあるが、これは中高いものを中心に開発している。本稿では、特に性子がホウ素に特異的に反応することを利用して二次元検出器とイメージング技術を中心にその取いる。

り組みを紹介する。

X線はその中で最も一般的なものであり、その透過力の高さや比較的容易に発生・検出が可能であることから、イメージング技術を用いた医療診

2. X 線用 FPD の高度化
2.1 FPDの概要

断や非破壊検査や、分光や回折技術などを用いた

前述したように X線の二次元検出器にはさまざ

材料分析の分野などで広く利用が進んでいる。例

まなものがある。X線フィルムや IPは、電源不要、えば溶接部の非破壊検査方法として X線によるも軽量、大面積、長時間の積算が可能など多くの特のが規格化（JIS Z3104や JIS 3110など）されてい徴を有するが、現像（IPの場合はコンピューターるなど、一般的かつ有用なものと認識されている。

による読み取り）が必要であるなど画像を得るまX線の透過率は、物質の種類と密度・厚さによっでに時間と手間がかかることから、作業効率を上て決まる。基本的には原子番号が大きくなるほどげるために検出器のデジタル化が進むようになっ透過率は下がり、X線のエネルギーが高くなるほた。

ど透過率は増加する。観察対象に応じて、用いるX線のデジタル検出器としては、CMOSイメー

X線のエネルギーや必要な性能（視野・感度・解像ジセンサと FPDに大別される。CMOSセンサは、度など）を有する検出器を選定する必要がある。

ピクセルサイズの小ささによる解像度の高さや増X線を発生する光源として、SPring-8のような幅回路の内部実装による感度の高さといった利大規模施設からポータブルな小型・軽量なものま点をもつが、製造技術・コストの問題により大面で、その用途に応じて多種多様なものが開発・販積化が困難である。また、一般的に CMOSセン売されており、まさに千差万別である。固体型の

サは放射線耐性に課題があり、そのため CMOS

二次元検出器（カメラ）
に関しては、従来のX線フィセンサ部分への放射線量を低減するために Fiber

ルムやイメージングプレート（IP, Imaging Plate）

Optics Plate と呼ばれる保護層が用いられるが、からデジタル化が進み、高解像度な CMOSカメ

これにより鮮鋭度が低下してしまうという問題も

ラ、大面積なフラットパネル検出器（FPD, Flatある。

Panel Detector）への置き換えが世界的な潮流とFPDは液晶ディスプレイ等に用いられる薄膜JAIMA Season 2022 New Year7トランジスタ（TFT, Thin Film Transistor）を2.2 高感度・大面積 FPDの開発用いることにより、大面積化が可能になり、医療FPDの感度が低い原因として、TFTからの電診断や比較的大きな工業製品やインフラの検査な荷のリークや外来ノイズの問題が挙げられる。まどで IP等からの置き換えも急速に進み、近年のず我々は TFTとしてリークの少ない高性能なもX線検出器業界では最大のシェアを占めるようにのを採用した。フラットパネル部とデジタル回路なっている。ただし FPDは CMOSと比べると一部およびゲート制御部との分離（図１(b)）などと併般的に感度や解像度が低いことなどが問題となる。

せて、ノイズの低減と露光時間の長時間化を可能

FPDには直接変換型と間接変換型が存在する。にした。加えてフラットパネル部以外を鉛などの直接変換型は、半導体中に入射された X線により放射線遮蔽材で保護することにより、放射線耐性直接生成された電荷を信号として画像化するものの向上も可能になる。

である。間接変換型は X線を吸収したシンチレー

現在我々は FPDとして、有感領域が A3サイタからの蛍光をフォトダイオードアレイで検出す

ズ以上の約 43 cm× 35 cm、ピクセルサイズ 139

る。一般的に、直接変換型は解像度が、間接変換µm、露光可能時間 180秒以上、かつバッテリー型は感度、価格競争力、安定性の面で優れていで駆動できるものなどを開発してきた 1）。社会・る。図 1(a)には、間接変換型 FPDの概要図を示す。

産業インフラの検査などでは、厚い対象物（配管、TFTアレイ内のコンデンサに蓄積されたフォト電柱、線路など）を透過してきた微弱なＸ線のダイオードからの信号電荷を読み出し、AD変換検出が求められる。本 FPDでは長時間露光によ器（ADC）でデジタル化する。

り、厚さ 10 cmの鉄を通してもＸ線イメージング

我々は特に間接変換型 FPDに注目して、高感が可能である。かつバッテリーでの駆動もできる度化・高解像度化、更なる大面積化に取り組んでことから、屋外利用だけでなく、ロボットなどにいる。

搭載して遠隔操作による検査も可能である。例えば、同じく産業技術総合研究所で開発している小型・バッテリー駆動可能なＸ線源と組み合わせることで、化学プラントなどの配管検査を自動で行うことができる装置開発も行っている 2）。また本技術を応用して、X線の後方散乱イメージング技術も開発している。これは対象の片側に X線源と検出器とを配置して内部の観察ができるため、例
えばトンネル、道路などの検査手法として有効なものである。
2.3 隔壁シンチレータによる FPDの高解像度化
また、間接変換型 FPDの課題として、解像度特性が挙げられる。これはシンチレータからの蛍光が 4π方向に広がり、隣接するフォトダイオード（ピクセル）においてもその信号を検出してしまう（クロストーク）ことが主な要因である（図2(a)参照）。

図１(a) 間接変換型 FPD の概要図（断面図）(b) 開発した FPD の模式図

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図２ 間接変換型 FPD の従来品 (a) と隔壁を利用した開発品(b) の違い（断面図）

我々はこの改善方法として、フォトダイオードのピクセルサイズに対応した隔壁アレイを設置し、その中にシンチレータ粉末を封入する手法を考案・開発している（図２ (b)参照）。この隔壁の作

図３ 電球のＸ線画像の比較；(a) 従来品の FPD、(b) 開発品の FPD（ピクセルサイズはともに 200 µm）

製には、プラズマディスプレイの作製技術を応用している。隔壁により、シンチレータからの蛍光通常の間接変換型の場合、感度を上げるためにの拡散が抑えられるため、クロストークがほとん

シンチレータの厚さを増やすと、クロストークもど起きずに、ピクセルサイズと同等の解像度が期増えてしまうために、感度と解像度との両立は困待できる。図３に同ピクセルサイズ（200 µm）の難である。しかし本手法は原理的にはシンチレー市販の通常の FPDと開発した隔壁型 FPDとの撮タ厚を増やしても鮮鋭度は劣化しない。ただ本手像結果の比較を示す。開発品は画像の鮮鋭度が向法ではシンチレータに粉末の物を用いているため上し、フィラメント部分がより鮮明に写っている。

シンチレータは不透明となり、シンチレータ内で一般には間接型の FPDは解像度が劣るとされての蛍光の自己吸収のため、ある一定厚さ以上ではいるが、本技術により直接型の FPDや CMOSセ感度の向上は見られなくなる。また、この方式でンサと同等もしくはこれ以上の解像度が得られては隔壁の厚さ分だけ開口率が低下するため、細かいることがわかる。このような改良により、例えいピクセルサイズではシンチレータの実効面積がば広視野かつ高解像度で工業製品の内部を非破壊相当小さくなり、感度が実用的でなくなるというで観察し、配線不良や接合ミスなどの検査に応用問題がある。より薄い隔壁の作製を含めて、解決することができる。

策を模索している最中である。

3. ガス電子増幅器による X線検出
これまで説明してきた FPDや CMOS等はすべて固体の検出器であるが、ガスを利用した検出器JAIMA Season 2022 New Year

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ど）、薬剤をはじめとする軽元素で構成された対この手法は粒子線、β線、中性子線などにも有象の非破壊検査においては、よりエネルギーの低効である。例えば放射線治療に用いている炭素

い X線（例えば 10 keV以下）が適している。しかイオンビームのイメージングにも成功している 4）。

しながら一般的に X線発生装置からは連続的なエ

放射線治療では用いるビームの形状を患部と対応ネルギーのX線も発生するので、固体シンチレーさせる必要があるが、GEMによりビーム形状のタでは10 keV以上の X線によってコントラストが迅速な観測が可能になり、より正確な放射線治療低下してしまう。その一方でガスはその物理的ななどに貢献できる。

特性から、相対的に高いエネルギーの X線に対して感度が低く、より低エネルギーのX線に対して感度があるため、ガスを検出媒体とした検出器は高エネルギーカットフィルタのような働きが期待できる。
そこで低エネルギー X線に感度の高いガスを用いたX線二次元検出器の開発が進められている（図４(a)参照）。ガス電子増幅器（GEM, Gas Electron
M u l t i p l i e r）を主な構成要素をするものであり、もともとは素粒子実験等で用いられてきた。
GEMは多くの孔が開けられた材料（一般にはポリイミド樹脂など）の表裏に金属電極を被覆したものである。この GEM内に二種類のガス（X線→電子、および電子→蛍光の変換を行うもの）を封入し、電極に高電場を印加すると、X線によって生成した電子が GEM内にて電子雪崩を起こして増幅される。この増幅された電子による蛍光を観察して、X線の検出を行うものである（図４(b)参照）。
蛍光の観察には可視光用の CCDカメラ等を用いるのが一般的であり、ミラーを介して CCDカメラに蛍光を入射させて、X線イメージ像を得る。ミラーを用いる理由の一つとして、CCDカメラをX線の軸上から外すことで放射線耐性を高めることが挙げられる。
我々はこの GEMの材料にガラスを用いたものを開発している3）。ガラス製にすることで、GEMを厚くでき感度が増加するとともに、GEMの利用で大きな問題となる放電に対する耐性を向上させることができる。多孔ガラスはパターン露光やエッチング技術により製作している。図４(c)に開発した GEMを用いて観察した昆虫のイメージン
グ像を示す。羽や脚、内部をコントラストよく観察できていることがわかる。食品内部の異物混入

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図４ (a)GEM を用いた X 線二次元検出器の概要、(b)GEMによる X 線検出の模式図、(c) 開発した GEM による低エネル
ギー X 線イメージング結果の例（例：昆虫）。

４. 中性子イメージング技術

これまで開発してきた FPD や GEM の技術は中性子にも有効である。中性子に感度のある元素

X 線以外に産業利用、特に非破壊検査に有効な（例えば 6Li や 10B）を含むシンチレータなどを用量子ビームとして中性子線も注目されている。中いることで、Ｘ線同様に二次元イメージ像を得る性子と物質の相互作用は X 線とは異なり核反応ことができる。図５の結果も我々が開発した中性であることから、透過率は原子番号と相関がなく、子用 FPD によるものである。GEM に関しては、同じ元素でも同位体で異なる（例えば軽水素と重10B 等と中性子との反応で生じたα粒子等による水素を区別できる）。中性子は、X 線ではほとん電離をＸ線同様に増幅して検出できる。

ど見ることができない水素にも感度があることかその一方で、中性子は X 線と比べて線源が一ら、水の観測などにも有効である。また X 線より般的でないという別の問題があったが、原子炉やも一般に透過能が強く、金属（特にアルミニウム）

J-PARC といった大型施設だけでなく、北海道大内部の観察には X 線よりも有効であることが多い。

学の HUNS、理化学研究所の RANS といった比非常に簡単に述べると、X 線は主に金属、中性較的小規模の施設も利用が進められている。産業子は樹脂や水などでコントラストがつきやすいと技術総合研究所でも AISTANS と命名した小型いう特徴がある。図５にＸ線と中性子でのイメー中性子解析施設 5）の稼働が始まっている。このよ

ジング結果の違いを示す。サンプルは釣り用のリー

うに中性子イメージングの普及に向けた取り組み

ルである。このように樹脂（ナイロン糸やハンドも行われている。

ル）と金属（アルミの筐体など）が組み合わさったサンプルでは素材ごとの吸収の差が顕著に見ら

5. 課題と今後の展開れる。特に水素や水でコントラストが付きやすい検出器技術を中心にＸ線と中性子イメージングため、金属やコンクリート、さらには植物・食品への取り組みを紹介してきた。Ｘ線等の非破壊検内部の水の拡散・浸透の観察などにも有効である。

査をはじめとする産業応用はかなり一般的になりつつあるが、解決すべき課題は山積している。
例えば、インフラをはじめとする大型の対象を検査するには、より高エネルギーのＸ線が不可欠である。しかし高エネルギーになればなるほど、検出感度も低くなり、現状では約 1 MeV のＸ線に対しては１% 程度の検出感度しかない。これを改善するだけでも非常に大きなインパクトがある。また高エネルギーＸ線を発生する技術も無論重要であり、小型化や省エネ化に向けた開発も進めている。発生源の出力を数倍高めることは電源等の大型化やコストの面で困難な場合が多いが、検出器の感度向上でも同様の効果が得られる。他にもトレードオフの関係になりがちな解像度と感度において、ともに高度化できるような技術開発も行っている。産業応用やその場検査には、利便性やコストも重要な要素であり、我々はそこにも図５ イメージングの比較の例（試料：釣り用リール）;(a)X 線、(b)中性子重きをおいた開発を進めている。
非破壊検査等の対象に応じて X 線源（エネルギー、出力、パルス性、可搬性など）や検出器（面JAIMA Season 2022 New Year

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謝辞
本稿で紹介した成果の一部は NEDO インフラ維持管理・更新等の社会課題対応ステム開発プロ
ジェクトの「大面積 FP 型イメージセンサによるX 線非破壊検査装置開発」、および科学技術振興機構（JST）「コンパクト中性子源とその産業応用に向けた基盤技術の構築」の委託業務の結果で得られた。本研究の遂行に当たり、鈴木良一、加藤英俊、大島永康、佐藤大輔博士らをはじめとする分析計測標準研究部門のＸ線・陽電子計測研究グループ、放射線イメージング計測研究グループのメンバーのご協力に謝意を表します。
◉参考文献
1）産総研プレスリリース、“インフラ検査用の大面積・高 感 度 デ ジ タ ル X 線 イ メ ー ジ ン グ 装 置 を 開 発 ”,
2019/04/22,
https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2019/
pr20190422_2/pr20190422_2.html
2）産総研プレスリリース、”インフラ点検ロボットに搭載できる高エネルギーＸ線非破壊検査装置を開発”,
2016/12/21,
https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2016/
pr20161221/pr20161221.html
3）T. Fujiwara, et al., Nucl. Instrum. Methods Phys.
Res. A, 878 (2018) 40-49.
4）R. Nakamura, et al., J. Nucl. Sci. Technol., 58 (2021)
933-940.
5）産総研プレスリリース、“輸送機器の構造材料・部品分析向けに小型中性子解析装置を開発”, 2020/01/22,
https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/
pr2020/pr20200122/pr20200122.html

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