DE102008048917B4

DE102008048917B4 - Röntgendiffraktionsmessapparat mit einem optischen Debye-Scherrer-System und Röntgendiffraktionsmessverfahren für diesen Apparat

Info

Publication number: DE102008048917B4
Application number: DE102008048917.4A
Authority: DE
Inventors: Tetsuya Ozawa; Ryuji Matsuo; Go Fujinawa; Akira Echizenya
Original assignee: Rigaku Denki Co Ltd; Rigaku Corp
Current assignee: Rigaku Denki Co Ltd; Rigaku Corp
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2016-07-28
Anticipated expiration: 2028-09-27
Also published as: JP2009085659A; JP5081556B2; GB0817504D0; US7860217B2; US20090086910A1; DE102008048917A1; GB2453633A; GB2453633B

Abstract

Röntgendiffraktionsmessapparat mit: einem Mittel (10) zu Erzeugung einer charakteristischen Röntgenstrahlung, mit der eine zu messende Probe (S) bestrahlt wird, und einem Röntgenstrahlungsdetektor (30), dadurch gekennzeichnet, dass der Röntgendiffraktionsmessapparat ein Debye-Scherrer-System aufweist, und die Röntgenstrahlung, die auf die Probe (S) gestrahlt wird, zu einem parallelen Strahl vorbestimmten Durchmessers gebündelt ist, der Röntgenstrahlungsdetektor (30) die Probe (S) umgibt, wobei ein Fokussierungsmittel (100) vorhanden is welches zwischen der Probe (S) und dem Röntgenstrahlungsdetektor (30) angeordnet ist, um Röntgenstreustrahlung von der Probe (S) zu sammeln, und welches einen vorbestimmten Winkel in Umfangsrichtung um die Probe (S) abdeckt, wobei das Fokussierungsmittel (100) die Röntgenstrahlung auf den Röntgenstrahlungsdetektor (30) strahlt, wobei das Fokussierungsmittel (100) mit mehreren schwenkbaren Spiegeln versehen ist, die aus künstlichen Mehrschichtsystemen mit einer parabolischen Oberfläche hergestellt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Röntgendiffraktionsmessapparat zur Analyse pulverförmiger Kristalle oder dergleichen durch die Verwendung von Röntgenstrahlung mit einem Debye-Scherrer-System und ebenfalls auf ein Verfahren zur Messung der Röntgenstrahlbeugung mit diesem Apparat. Ein Röntgendiffraktionsmessapparat mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ist aus der DE 2933047 A1 bekannt.
Allgemein sind bereits verschiedene Arten von Röntgendiffraktionsmessapparaten bekannt, die ein Debye-Scherrer-System enthalten zur Analyse von pulverförmigen Kristallen durch Messen der Beugungsringe (d. h. Debye-Ringe), die von einer solchen Probe in einer abgewinkelten Richtung um die Probe herum erhalten werden können, während diese mit monochromatischer Röntgenstrahlung bestrahlt wird.
Bei einem solchen Röntgendiffraktionsmessapparat, der ein Debye-Scherrer-System aufweist, ist die Hintergrundrauschkomponente groß aufgrund exzessiver Röntgenstreuung, wie z. B. Streustrahlung, inelastische Streuung, Fluoreszenzröntgenstrahlen, etc., die innerhalb des Apparats auftreten und die durch einen Röntgendetektor erfasst werden oder durch andere Strahlung als Röntgenstrahlung, die von der Probe gestreut wird und von Natur aus miterfasst wird, wodurch ein Hintergrund groß wird, während das P/B-Verhältnis (Peak/Background Ratio) klein wird. Aus diesem Grund ist es üblich, in solchen Messapparaten, wie aus der JP H08-62158 A und der JP 2003-149348 A bekannt ist, eine Analyseeinheit anzuwenden, die aus Schlitzen besteht, die fächerartig oder radial verteilt sind oder einen schwenkbaren oder oszillierenden Analysator zu verwenden, der parallel zueinander angeordnete Schlitzanalyseeinheiten winkelmäßig um einen Mittelpunkt der Probe verschwenkt.
Bei diesem herkömmlichen Verfahren, welches weiter unten detaillierter beschrieben wird, führt die oben erwähnte Analyseeinheit, die den Hintergrund reduzieren soll, zu einer Abschattung der Streustrahlung (z. B. der Beugungsröntgenstrahlung), was zu einem Herabsenken der Intensität der Messstrahlung führt. Ebenfalls treten andere Probleme auf, z. B. eine Steigerung des Winkelfehlers aufgrund der Verschiebung oder der Abweichung der Montageposition der Probe auf dem Apparat und ferner eine bemerkenswerte Absenkung der Auflösungsstärke aufgrund der Größe der Probe, usw.
Die DE 2933047 A1 beschreibt einen Röntgendiffraktionsmessapparat mit einem Mittel zu Erzeugung einer charakteristischen Röntgenstrahlung, mit der eine zu messende Probe bestrahlt wird, und einem Röntgenstrahlungsdetektor.
Gemäß der vorliegenden Erfindung, die gemacht wurde unter Würdigung der Probleme, die bei herkömmlichen oben erwähnaten Apparaten auftreten, ist es zur Lösung der bei herkömmlichen Apparaten auftretenden Probleme in einem Röntgendiffraktionsmessapparat mit einem Debye-Scherrer-System eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen derartigen Röntgendiffraktionsmessapparat anzugeben, der es ermöglicht, ein Absenken der Strahlungsintensität aufgrund der Abschattung (z. B. Abschirmung) bei einem herkömmlichen Analysegerät zu vermeiden, indem eine Absenkung der Strahlungsintensität verhindert wird, und ferner einen Fehler in der Winkelausrichtung zu vermeiden, der auftritt durch eine Verschiebung oder Abweichung in der Lage der Probe im Apparat, ohne dass die Auflösung aufgrund der Größe der Probe verringert wird. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Röntgendiffraktionsmessung für einen solchem Apparat anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 4 gelöst.
In den Unteransprüchen werden bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Es ist erfindungsgemäß möglich, bedeutend bessere Ergebnisse zu erzielen, zum Beispiel einen Röntgendiffraktionsmessapparat anzugeben mit einem Debye-Scherrer-System und eine Röntgendiffraktionsmessmethode für diesen Apparat, mit denen die Verringerung der gestreuten Röntgenstrahlung vermieden wird (z. B. die Röntgenbeugungsstrahlung), die aufgrund der Abschattung (z. B. Abschirmung) eintritt, wodurch ein Absinken der Strahlungsintensität vermieden wird sowie eine Beeinträchtigung der Messauflösung verhindert wird, ohne dass die Auflösung in Abhängigkeit von der Größe der Probe verringert wird.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende detaillierte Beschreibung in Zusammenschau mit der beigefügten Zeichnung deutlicher, worin zeigen:
1A und 1B Ansichten einer Ausführungsform eines Röntgendiffraktionsmessapparats mit einem Debye-Scherrer-System nach dem Stand der Technik zur Erläuterung eines Streifenmusters (z. B. Debye-Ringe), die mit diesem Apparat erhalten werden;
2 eine Ansicht zur Erläuterung des Prinzips einer Analyseeinheit, die einen aus einem künstlichen Mehrfachschichtsystem hergestellten Spiegel innerhalb eines erfindungsgemäßen Röntgendiffraktionsmessapparates verwendet;
3 eine Ansicht zur Erläuterung der Vermeidung schlechter Einflüsse aufgrund eines Positionsfehlers bei der Anbringung einer Probe innerhalb der Analyseeinheit mit dem oben erwähnten Spiegel mit einem künstlichen Mehrfachschichtsystem;
4 zeigt ein Beispiel des detaillierten Aufbaus des Röntgenstrahlendiffraktionsmessapparates mit einem Debye-Scherrer-System;
5 ein Beispiel des detaillierten Aufbaus des Röntgendiffraktionsmessapparates mit einem Debye-Scherrer-System nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
die 6A und 6B Ansichten zur Erläuterung einer Abschattung (z. B. Abschirmung) innerhalb der Analyseeinheit mit Hilfe von fächerförmigen Schlitzen und parallelen Schlitzen gemäß dem Stand der Technik; und
die 7A und 7B Ansichten zur Erläuterung eines Winkelfehlers aufgrund der Stelle, an der die Probe angebracht ist, innerhalb einer Analyseeinheit mit fächerförmigen Schlitzen und parallelen Schlitzen nach dem Stand der Technik.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung mit Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.
Als erstes zeigt 1A eine Übersicht über den Aufbau eines Röntgendiffraktionsmessapparats mit einem Debye-Scherer-System, wobei monochromatische charakteristische Röntgenstrahlung von einer Röntgenstrahlungsquelle 10, z. B. bestehend aus einer Röntgenröhre, auf eine Probe S einer polykristallinen Substanz gestrahlt wird, nachdem die Strahlung in einen parallelen Strahl vorbestimmten Durchmessers durch einen Kollimator 20 gebündelt wurde. Als Ergebnis wird die gesendete Röntgenstrahlung über einen vorbestimmten Winkel 2θ um die Probe S herum gestreut, da die Röntgenstrahlung durch die Probe S aus einer polykristallinen Substanz gebeugt wird, wodurch die gebeugte Strahlung auf einen Röntgenstrahlungsdetektor 30 gestrahlt wird, der einen Röntgenfilm aufweist, der zylinderförmig auf der Peripherie des Detektors um die Probe S herum, etc., angeordnet ist. Als Ergebnis, wie in 1B gezeigt, können auf dem Röntgenfilm 30 streifenförmige Muster (z. B. die Debye-Ringe) an vorbestimmten Stellungen (oder Winkeln) auf dessen beiden Seiten um eine Mitte der Strahlungsrichtung der Röntgenstrahlen (2θ = 0°) erhalten werden.
Bei der oben beschriebenen Analyseeinheit nach dem Stand der Technik mit fächerartig oder radial verteilten Schlitzen, wie in den 6A und 6B sowie 7A und 7B gezeigt ist, erfolgt eine Abschattung (oder Abschirmung) des gestreuten Strahls (z. B. die gebeugte Röntgenstrahlung) durch die Analyseeinheit und es tritt ebenfalls ein Winkelfehler an der Stelle auf, wo die Probe montiert ist, wobei beide Effekte groß sind und die Auflösung aufgrund der Größe der Probe bemerkenswert verringert wird.
6A zeigt die Analyseeinheit, welche flächerartige Schlitze aufweist, und wie man aus der Figur entnimmt, wird ein Teil der gestreuten Röntgenstrahlung durch einen Schlitz abgeschattet, der fächerartig durch eine Metallfolie aufgeteilt ist. Insbesondere wenn eine Identifizierung oder eine Strukturanalyse an einem Pulverkistallmaterial durchgeführt wird, wird die Röntgenstreustrahlung in Abhängigkeit von der Probe groß und dies verringert zum Beispiel die Messeffizienz, d. h. es wird eine bemerkenswerte Reduktion der Messstärke oder der Intensität erzeugt 6B zeigt die Analyseeinheit mit parallelen Schlitzen, wobei auch hier eine Reduzierung der Messauflösung erfolgt, insbesondere wenn die Intensität der gebeugten Röntgenstrahlen groß ist.
Ferner zeigt 7A eine Analyseeinheit mit fächerförmigen Schlitzen, insbesondere wenn eine Positionsverschiebung erfolgt, z. B. wenn die Probe formgepresst ist, wobei, wie man in der Figur erkennt, ein Teil der gestreuten Röntgenstrahlung durch die Metallfolie des Schlitzes abgeschirmt wird; und dies reduziert die Messeffizienz und die Messstärke oder -intensität. Zusätzlich zeigt 8B die Analyseeinheit mit parallelen Schlitzen, insbesondere wenn eine Positionsverschiebung auftritt, d. h., wenn die Probe formgepresst ist und eine Verschiebung im Beobachtungswinkel auftritt.
Wie in der beigefügten 2 zu sehen ist, wird anstelle der Analyseeinheit mit fächerförmigen Schlitzen oder mit parallelen Schlitzen in der Metallfolie gemäß dem oben erwähnten Stand der Technik ein Spiegel 100 aus künstlichen Mehrschichtfolien mit einer parabolischen Oberfläche verwendet. Dieser Spiegel 100 ist, wie in der JP 3721305 B2 beschrieben ist, ein vielschichtiger oder ein geneigter vielschichtiger Bragg-Röntgenstrahlenreflexionsspiegel auf der parabolischen Oberfläche, wodurch ein einfallender Röntgenstrahl (z. B. der gestreute Röntgenstrahl aufgrund der Beugung in der Probe) fokussiert wird, und diese parabolische Oberfläche reflektiert den Röntgenstrahl nur, wenn die folgende Bragg-Gleichung erfüllt ist: nλ = 2dsin(θ) (Gleichung 1), wobei n ein Grad der Reflexion, λ die Wellenlänge der einfallenden Strahlung (z. B. Röntgenstrahlung), d ein vorbestimmter Schichtabstand oder Gitterabstand der Bragg-Struktur ist und θ ein Einfallswinkel.
Da der Spiegel 100 aus einem künstlichen Mehrschichtsystem in der Lage ist, Energie der einfallenden Röntgenstrahlung aufzulösen, ist es möglich, eine Rauschkomponente zu löschen (oder herauszuschneiden), d. h. überschüssige Röntgenstreustrahlung, die nicht die von der Probe gebeugte Röntgenstrahlung ist, wie z. B. die oben erwähnte Streustrahlung, inelastische Streustrahlung, Fluoreszenz, etc., wodurch die Winkelauflösung verbessert wird.
Mit der Analyseeinheit, die den oben erwähnten Spiegel 100 verwendet, der z. B. aus künstlichen Vielfachschichten hergestellt ist und eine parabolische Oberfläche aufweist, wird die durch die Beugung in der Probe S gestreute Röntgenstrahlung auf die Bragg'sche Röntgenstrahlungsreflexionsoberfläche auf der parabolischen Oberfläche des Spiegels 100 fokussiert, der die Probe S umgebend angeordnet ist, und die Strahlung trifft auf den Röntgenstrahlungsfilm 30, der die Röntgenstrahlungserfassungsmittel bildet, um diesen Röntgenstrahlungsfilm zu belichten und somit die Stärke oder Intensität der Röntgenstrahlung zu erfassen. Hier ist es jedoch vorzuziehen, dass die Bragg'sche Röntgenstrahlenreflexionsoberfläche auf der parabolischen Oberfläche des Spiegels 100 so ausgebildet ist, dass sie einen Bereich abdeckt, der einer vorbestimmten Auflösung entspricht, die erforderlich ist (z. B. eine Halbbreite ”w” des gebeugten Strahls), indem die Breite (W_max) der gestreuten Röntgenstrahlung, die von der Probe S erhalten wird, berücksichtigt wird. Als Ergebnis, wie man in der Figur erkennt, kann die gestreute Röntgenstrahlung, die eine vorbestimmte Breite aufweist, an die Stelle gelangen, die um einen vorbestimmten Winkel in der Reflexionsrichtung auf dem Röntgenfilm verschoben ist (z. B. 2θ + α in 1B).
Zusätzlich ist es mit der Analyseeinheit, die den oben erwähnten Spiegel 100 verwendet, der aus einem künstlichen Mehrfachschichsystem hergestellt ist und eine parabolische Oberfläche aufweist, möglich, wie man in 3 erkennt, die von der Probe S erhaltene gestreute Röntgenstrahlung zu erhalten, indem diese auf eine vorbestimmte Stelle des Röntgenfilms (z. B. 2θ + α) fokussiert wird, selbst wenn die Position der Probe S sich von der Stelle bewegt, wo sie montiert sein sollte (z. B. durch Verschiebung).
Wie oben erwähnt, ist es mit der oben erwähnten Analyseeinheit, die einen Spiegel mit einem künstlichen Mehrfachschichtsystem und einer parabolischen Oberfläche aufweist, möglich eine Verminderung der Messintensität zu verhindern, indem die gestreute Röntgenstrahlung (z. B. die gebeugte Röntgenstrahlung) wegen der Abschattung (oder Abschirmung) durch die Analyseeinheit vermindert wird, und ferner ist es ebenfalls möglich, einen mit einem Debye-Scherrer-System ausgerüsteten Röntgendiffraktionsapparat zu erhalten, dessen Auflösungsstärke sich nicht in Abhängigkeit von der Größe der Probe vermindert.
Im Folgenden wird der genauere Aufbau des Röntgendiffraktionsmessapparats geschildert, dessen Prinzip oben erläutert wurde, mit Bezug auf die beigefügten 4 und 5.
Zuerst zeigt 4 die Analyseeinheit, die den Spiegel 100 verwendet, der aus dem künstlichen Mehrfachschichtsystem besteht, welches oben erwähnt wurde, der um die Probe S verschwenkbar (oder drehbar) ist, wie die Pfeile in der Figur anzeigen, wobei der oben erwähnte Spiegel 100 an einem Ausschnittsbereich 51 befestigt ist, der in einem Teil des aus Metall hergestellten Drehteils 50 (z. B. einer Röntgenstrahlungsschutzwand) geformt ist, wobei das Drehteil halbkreisförmig geformt ist und die Probe S umgibt. Mit diesem Röntgenstrahlungsdiffraktionsmessapparat wird die gestreute Röntgenstrahlung, die von der Probe S erhalten wird, erfasst, indem sie auf die vorbestimmte Stelle auf dem Röntgenfilm (z. B. 2θ + α) fokussiert wird, während das Drehteil 50 (z. B. die Röntgenstrahlungsschutzwand 50) über einen vorbestimmten Winkel gedreht wird, angetrieben von z. B. einem in der Figur nicht gezeigten Elektromotor oder dergleichen, wodurch es möglich ist, Debye-Ringe zu erhalten, die einen, Fehler (oder eine Verschiebung) des Ortes beinhalten, wo die Probe angeordnet ist, ohne die Messstärke oder -intensität und/oder die Auflösungskraft zu verringern.
Ferner zeigt 5 den Aufbau des erfindungsgemäßen Röntgendiffraktionsmessapparats mit daran befestigten Spiegeln 100, die jeweils aus dem künstlichen Mehrschichtsystem aufgebaut sind, von denen mehrere vorhanden sind und um die Probe S zentriert sind. Wie man in der Figur erkennt, sind die Mehrzahl der Spiegel 100, die jeweils aus den künstlichen Mehrfachschichten bestehen, so montiert, dass sie die Probe S umgeben, wodurch es möglich wird, den Schwenkbereich klein zu halten.
Obwohl bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel die Verwendung eines Röntgenfilms 30 als Beispiel eines Teils des Röntgenstrahlendetektors beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf dessen Verwendung beschränkt und es ist ebenfalls möglich, den Detektor als zweidimensionalen Detektor in Zylinderform zu konstruieren mit einer bildformenden Platte, einem zweidimensionalen CCD-Detektor, etc. Ferner, da Daten aus der Nähe der Äquatorialebene der Röntgenbeugungs-Debye-Ringe verwendet werden, ist es ebenfalls möglich, einen eindimensionalen Detektor anstelle des oben erwähnten zweidimensionalen Detektors zu verwenden.

Claims

Röntgendiffraktionsmessapparat mit: einem Mittel (10) zu Erzeugung einer charakteristischen Röntgenstrahlung, mit der eine zu messende Probe (S) bestrahlt wird, und einem Röntgenstrahlungsdetektor (30), dadurch gekennzeichnet, dass der Röntgendiffraktionsmessapparat ein Debye-Scherrer-System aufweist, und die Röntgenstrahlung, die auf die Probe (S) gestrahlt wird, zu einem parallelen Strahl vorbestimmten Durchmessers gebündelt ist, der Röntgenstrahlungsdetektor (30) die Probe (S) umgibt, wobei ein Fokussierungsmittel (100) vorhanden is welches zwischen der Probe (S) und dem Röntgenstrahlungsdetektor (30) angeordnet ist, um Röntgenstreustrahlung von der Probe (S) zu sammeln, und welches einen vorbestimmten Winkel in Umfangsrichtung um die Probe (S) abdeckt, wobei das Fokussierungsmittel (100) die Röntgenstrahlung auf den Röntgenstrahlungsdetektor (30) strahlt, wobei das Fokussierungsmittel (100) mit mehreren schwenkbaren Spiegeln versehen ist, die aus künstlichen Mehrschichtsystemen mit einer parabolischen Oberfläche hergestellt sind.
Röntgendiffraktionsmessapparat mit einem Debye-Scherrer-System nach Anspruch 1, wobei der Röntgenstrahlungsdetektor (30) entweder aus einem eindimensionalen Detektor oder einem zweidimensionalen Detektor besteht.
Röntgendiffraktionsmessapparat mit einem Debye-Scherrer-System nach Anspruch 2, wobei der zweidimensionale Detektor des Röntgenstrahlungsdetektors aus mindestens einem röntgenstrahlempfindlichen Film, einer Bildgebungsplatte, einem zweidimensionalen CCD-Detektor oder einem eindimensionalen PSD-Detektor besteht.
Röntgendiffraktionsmessverfahren für ein Debye-Scherrer-System, wobei ein Röntgendiffraktionsmessapparat mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 3 verwendet wird, mit folgenden Schritten: Bestrahlen einer Probe (S) mit charakteristischer Röntgenstrahlung, Erfassen der von der Probe (S) abgestrahlten Röntgenstreustrahlung über einen vorbestimmten Winkelbereich um die Probe (S) herum, Erhalten eines Debye-Rings durch Fokussieren der gestreuten Röntgenstrahlung auf eine vorbestimmte Stelle auf dem Röntgenstrahlungsdetektor (30), der umfangsmäßig um die Probe (5) angeordnet ist, wobei die Röntgenstreustrahlung von mehreren Spiegeln (100) gesammelt wird, die aus künstlichen Mehrschichsystemen hergestellt sind und jeweils einen vorbestimmten Winkel um die Probe (S) abdecken, und wobei die Strahlung auf eine vorbestimmte Stelle auf dem Röntgenstrahlungsdetektor (30) fokussiert wird, der um die Probe (S) herum angeordnet ist.