JP2000075098A

JP2000075098A - Ｘ線分光素子

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Publication number: JP2000075098A
Application number: JP24871898A
Authority: JP
Inventors: Shunji Kitamoto; 俊二北本
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1998-09-02
Filing date: 1998-09-02
Publication date: 2000-03-14
Anticipated expiration: 2018-09-02
Also published as: JP4174694B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高精度に且つ効率良くＸ線のエネルギースペ
クトルを検出し得るようにしたＸ線分光素子を提供す
る。【解決手段】層状反射面の結晶面１１を備えた薄膜単
結晶からなっていて、結晶面の厚さｂが、測定すべきＸ
線の波長λの数千倍から同程度までの範囲に形成されて
おり、各結晶面１１に対してＸ線を入射させて、各結晶
面による回折光を検出することにより、Ｘ線の波長分布
を測定するようにＸ線分光素子１０を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ｘ線のエネルギー
スペクトル（波長分布）を検出するためのＸ線分光素子
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、Ｘ線分光素子としては、例えばブ
ラッグ結晶や回折格子が使用されている。ブラッグ結晶
は、単結晶の格子面間隔がｄである結晶面を反射面とし
て利用することにより、２ｄ・ｓｉｎΦ＝ｎλ （ここで、ΦはＸ線の入射角（正確には、入射角の余角
である視射角），λはＸ線の波長，ｎは正の整数）で示
されるブラッグ条件に基づいて、入射角Φに対するＸ線
の波長λを検出するようになっている。この場合、Ｘ線
のエネルギーをＥとして、その変化をΔＥとしたとき、
エネルギー分解能、すなわち分光能力は、Ｅ／ΔＥで表
わされ、１０００以上と非常に高い。

【０００３】また、回折格子は、一般にガラス等の光学
部材の表面に互いに平行な回折溝が高密度に形成されて
おり、これらの溝で回折されるＸ線を検出することによ
り、Ｘ線の波長分布を検出するようになっている。この
場合、かなり広い範囲のエネルギーバンド幅のＸ線を検
出することが可能であり、特に１キロ電子ボルト付近の
Ｘ線に対しては、分光能力Ｅ／ΔＥは、１００乃至１０
００程度と高い。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなブラッグ結晶や回折格子においては、以下のような
解決すべき課題がある。ブラッグ結晶の場合には、本質
的にＸ線を単色化して検出を行なうことになるため、あ
る程度のエネルギーバンド幅の測定を行なうためには、
単結晶を回転させたり、湾曲した結晶を使用する等、入
射角を変化させることが必要となる。したがって、Ｘ線
の光源からのＸ線のうち、測定に利用されないＸ線が多
くなり、測定効率が悪い。

【０００５】また、回折格子の場合には、その回折溝の
密度は、１万本／ｍｍ程度が限界であるため、Ｘ線の回
折による分散角が小さくなってしまう。また、エネルギ
ーの高いＸ線に関して高い反射率を得るためには、斜め
入射で使用する必要があることから、０次光の散乱成分
による非分散光の影響が大きくなってしまう。したがっ
て、特定の分散角のＸ線回折光を取り出すことが難し
く、測定精度が低下してしまうという解決すべき課題が
あった。

【０００６】本発明は、以上の点にかんがみて、高精度
にかつ効率良くＸ線のエネルギースペクトルを検出する
ことのできるＸ線分光素子を提供することを目的とする
ものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のＸ線分光素子のうちで請求項１記載の発明
は、入射するＸ線の回折が発生する範囲の厚さの層状反
射面を備えたことを特徴としている。請求項２記載の発
明は、上記構成に加え、層状反射面が、Ｘ線の波長の数
千倍から同程度までの範囲の厚さを有していることを特
徴とする。また請求項３記載の発明は、上記構成に加
え、層状反射面が薄膜単結晶の結晶面であることを特徴
とする。さらに請求項４記載の発明は、Ｘ線の入射角と
出射角とが等しくない前記層状反射面を備えたことを特
徴とする。また請求項５記載の発明は、層状反射面から
のＸ線回折光に基づいて、入射Ｘ線を所定のバンド幅で
分光することを特徴とする。さらに請求項６記載の発明
は、層状反射面の格子面間隔のｄと、Ｘ線の視射角Φ
と、Ｘ線の出射角と入射角との角度差のθと、Ｘ線の波
長のλと、正の整数のｎとの関係をなすＸ線の反射条件
が、ｄ・ｓｉｎΦ＋ｄ・ｓｉｎ（Φ＋θ）＝ｎλ であることを特徴とするものである。

【０００８】また、請求項７記載の発明は、上述した請
求項１のＸ線分光素子にて、前記層状反射面で反射され
る反射Ｘ線と、層状反射面を透過する透過Ｘ線とを取り
出すことにより、ビームスプリッタとして使用されるこ
とを特徴とする。

【０００９】上記構成によれば、層状の反射面、すなわ
ち薄膜単結晶の層状の各結晶面に入射したＸ線は、これ
らの結晶面により反射されるが、その際各結晶面の厚さ
が入射したＸ線の回折が発生する範囲、例えば波長の数
千倍から同程度までの範囲であることから、回折が発生
する。この回折により、反射したＸ線の反射角はある程
度の拡がりを有する。したがって、反射条件は、ブラッ
グ結晶の場合のように入射角に等しい必要はなく、回折
格子の場合と同様に、ｄ・ｓｉｎΦ＋ｄ・ｓｉｎ（Φ＋θ）＝ｎλ となるので、回折光の光量が十分である一定角度範囲に
おいては、入射するＸ線が波長λの関数として分光さ
れ、波長分布を検出できる。つまり、ある程度のバンド
幅で分光できる。その際、各結晶面での反射光及び回折
光の干渉により、分光が行なわれることから、分光能力
は、結晶面の層数をＮとしたときほぼ１／Ｎとなり、ブ
ラッグ結晶の場合と同じオーダーの分光能力が得られる
ことになり、高精度の分光が可能になる。ここで、上記
厚さが特に入射したＸ線の波長の数千倍から同程度まで
の範囲では、回折光が比較的多くなるので、回折による
波長分布の光量が増大して、より確実な分光が可能とな
る。なお、各結晶面の厚さが大き過ぎると、Ｘ線が回折
せずに反射してしまう。また、各結晶面の厚さがＸ線の
波長と同程度より小さい場合にも、Ｘ線が回折せず結晶
面を透過してしまう。

【００１０】このように、本発明のＸ線分光素子では従
来のブラッグ結晶と同程度のエネルギー分解能を持つこ
とができるとともに、ある程度のバンド幅を持って分光
することができる。したがって、Ｘ線光源からのＸ線の
利用効率が向上するとともに、測定精度も向上する。ま
た、本発明のＸ線分光素子をビームスプリッタとして使
用する場合には、Ｘ線分光素子の反射条件を満たす波長
のＸ線の一部は、結晶面で反射され、反射条件を満たさ
ない波長のＸ線は、その大部分が結晶面を透過するの
で、Ｘ線分光素子を、例えばＸ線のビーム強度モニタの
ために、Ｘ線の一部を取り出すビームスプリッタとして
利用することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面に示した実施形態に基
づいて、本発明を詳細に説明する。図１は、本発明によ
るＸ線分光素子の一実施形態を示している。図１におい
て、Ｘ線分光素子１０は層状反射面、すなわち上下方向
に互いに平行に並んだ複数個の結晶面１１を備えた薄膜
単結晶からなっていて、層状の結晶面１１の大きさ、つ
まり厚さｂが、測定すべきＸ線の回折を発生させる範囲
の厚さ、例えば入射するＸ線の波長の数千倍から同程度
までの範囲内に形成されている。ここで、入射するＸ線
は、Ｘ線分光素子１０の各結晶面１１に対して、視射角
（入射角の余角）Φで入射する。

【００１２】ブラッグ結晶ではＸ線の波長に比べて大き
な面で反射させるから、Ｘ線の入射角と出射角は等し
い。しかし、本発明にかかる好適な実施形態では各結晶
面１１の厚さｂが例えば入射するＸ線の波長の数千倍か
ら同程度までの範囲と小さいことから、各結晶面１１で
Ｘ線は反射（図１にて実線図示）されるとともに回折
（図１にて点線図示）される。したがって、Ｘ線の出射
角は一定とならず、回折により拡がる。この回折により
拡がる角度（反射のみの場合の出射角Φと回折による出
射角の角度差）θは、ピーク（すなわち０次光）から一
番目の極小までの角度で評価すると、 δθ＝λ／（ｂ・ｓｉｎΦ）で与えられる。ここで、λは入射Ｘ線の波長，ｂは層状
反射面の厚さ，Φは視射角である。

【００１３】このように、Ｘ線分光素子１０は、ブラッ
グ結晶と同様に作用することになるが、この場合、出射
角は入射角に等しい必要がない。このため、Ｘ線分光素
子１０においては、通常のブラッグ条件（２ｄ・ｓｉｎ
Φ＝ｎλ）に対して、回折格子と同様に、ｄ・ｓｉｎΦ＋ｄ・ｓｉｎ（Φ＋θ）＝ｎλ となる。したがって、回折による拡がり角θは、入射す
るＸ線の波長λの関数で与えられることになるので、回
折光の光量が十分である一定角度範囲においては、入射
Ｘ線が波長の関数として分光されることになり、波長分
布が検出できる。

【００１４】ここで、上述したＸ線のＸ線分光素子１０
による分光は、各結晶面１１（各層）における反射光及
び回折光の干渉の結果得られるものであるから、分光能
力は、Ｘ線分光素子１０の結晶面１１の数（層数）をＮ
（正の整数）とすると、ほぼ１／Ｎとなり、ブラッグ結
晶の場合と同じオーダーの分光能力が得られる。

【００１５】図２は、上述したＸ線分光素子１０の具体
例を示している。図２において、Ｘ線分光素子１０はシ
リコン（Ｓｉ）の薄膜単結晶により形成されており、図
２の薄膜表面は、（１００）面である。ここで、Ｓｉの
単結晶は、例えば直径２インチ（約５ｃｍ）で厚さ４μ
ｍのものが使用され、その一つの結晶面である（１１
１）面は、上述した結晶面として層状に形成されてお
り、その面の幅（厚さ）ｂは４μｍ程度であり、Ｘ線の
波長の約１万５千倍程度になっている。尚、上記結晶面
の幅ｂは薄いほど回折の効果が大きく、理想的にはＸ線
の波長と同程度であるが、薄くなると入射するＸ線の透
過率が高くなる。したがって、使用目的に合わせて、結
晶面の幅ｂは最適な値に選定される。

【００１６】図３は、上述した図２のＸ線分光素子１０
の分光測定のための実験装置を示している。図３に示す
ように、実験装置２０は、擬似平行光を実現するための
例えば２１ｍビームラインを利用しており、Ｘ線発生装
置２１と、フィルタ２２と、スリット２３と、Ｘ線分光
素子としてのＳｉ結晶２４と、Ｓｉ結晶２４による回折
光を検出するためのＸ線検出器２５とを備えている。

【００１７】Ｘ線発生装置２１は、チタン（Ｔｉ）を塗
布した電子線のターゲットを使用することにより、Ｔｉ
の特性Ｘ線を強くしてある。また、フィルタ２２は、Ｔ
ｉの２０μｍフィルタであって、これによりＴｉのＫＸ
線の割合を多くするようにしてある。さらに、スリット
２３は、１２０μｍ幅のスリットであって、Ｘ線発生装
置２１から２１ｍの位置付近に配設されている。このよ
うな実験装置により、Ｘ線発生装置２１からのＸ線は、
スリット２３を介してＳｉ結晶２４に入射するが、この
ときの入射ビームの大きさは、約１ｍｍ×１ｍｍであっ
て、角度分散は約１０秒になっている。

【００１８】Ｓｉ結晶２４は４μｍ厚の薄膜単結晶であ
って、θ−２θ回転台２６の回転軸上に配設されてお
り、２θ回転軸の腕２６ａ上にＸ線検出器２５が取り付
けられている。ここで、θ−２θ回転台２６の回転軸と
Ｘ線発生装置２１との距離Ｌ１は、例えば２１ｍに設定
されている。また、２θ回転軸の腕２６ａの長さ、すな
わちθ−２θ回転台２６の回転軸と２θ回転軸の腕２６
ａ上のＸ線検出器２５との距離Ｌ２は、例えば１３５ｍ
ｍに設定されている。上記Ｘ線検出器２５は、例えば電
荷結合素子を利用したＣＣＤカメラが使用される。

【００１９】Ｓｉ結晶２４は、Ｘ線発生装置２１からの
Ｘ線、すなわちＴｉＫα線が、Ｓｉ結晶２４の（１１
１）面で反射され、Ｘ線検出器２５に入射するように、
θ−２θ回転台２６のθ回転角とＳｉ結晶２４の（１０
０）面が、垂直方向に回転され調整されるようになって
いる。

【００２０】尚、Ｓｉ結晶２４の格子面間隔ｄが２ｄ＝
６．２６Åであるとき、（１１１）面におけるＴｉＫα
１の波長は２．７４８５１Å、ブラッグ条件を満足する
入射角は２６．０４４度であり、また、（１１１）面に
おけるＴｉＫα２の波長は２．７５２１６Å、ブラッグ
条件を満足する反射角は２６．０８４度である。したが
って、両者の反射角の差は、２６８秒である。さらに、
Ｓｉ結晶２４の（１１１）面による回折パターンのピー
クと１番目の極小との角度は１９秒である。これによ
り、ＴｉＫα１及びＴｉＫαに関して、双方の輝線を４
番目までの回折パターンに入れることが可能となるの
で、双方の輝線を同時に検出することが可能となる。こ
こで、上記角度差２６８秒は、Ｘ線検出器２５では、例
えばＣＣＤカメラの１４．６ピクセルに相当するので、
この角度差は確実に検出され得る。

【００２１】図４は、図３の装置により測定された図２
のＸ線分光素子の入射角とＸ線強度との関係を示す図で
あり、（ａ）は１２０μｍのスリットを通過した直接Ｘ
線のイメージを１次元に写影したものであり、（ｂ）は
Ｓｉ結晶の（１１１）面で反射したＸ線のイメージを１
次元に写影したものである。これにより二つの輝線が同
時に検出され、個々に分解されている。この場合、エネ
ルギー分解能Ｅ／ΔＥは約５００となり、ブラッグ結晶
とほぼ同程度の分解能が得られる。従来は分解能が入射
Ｘ線のビーム径によって決まるが、本発明によるＳｉ結
晶から成るＸ線分光素子１０では、ブラッグ結晶と同程
度の高い分光能力を有するとともに、ある程度のバンド
幅を有することができる。

【００２２】ところで、上述したＸ線分光素子１０は薄
膜単結晶から構成されているので、以下に説明するよう
に、ブラッグ結晶やビームスプリッタとして利用するこ
とが可能である。先ず、Ｘ線分光素子１０をブラッグ結
晶として利用する場合を説明する。図１において、Ｘ線
分光素子１０の結晶面１１でのブラッグ条件を満たす波
長のＸ線は、入射角に等しい反射角で反射される。ここ
で、反射するバンド幅δλは、結晶のうち、反射面とし
て有効に作用する層数をＮとすると、 δλ＝１／Ｎ程度になる。したがって、薄膜を使用しない通常のブラ
ッグ反射においては、Ｎは、Ｘ線が浸透できる範囲の層
数で決まることになり、一般に、Ｎは１００００程度以
上と非常に大きくなる。これにより、ブラッグ反射が高
い波長弁別能力を有すると共に、バンド幅δλが非常に
小さくなってしまう。

【００２３】これに対して、薄膜単結晶から成るＸ線分
光素子１０を使用して、その層数Ｎを、Ｘ線の浸透する
厚さより薄い１０００程度以下にすると、バンド幅δλ
が広くなる。このようにして、薄膜単結晶から成るＸ線
分光素子１０を使用することにより、バンド幅δλの広
いブラッグ反射が得られるので、例えば２結晶分光器に
てＸ線分光素子１０の結晶の角度コントロールの精度が
多少低くても、入射するＸ線はＸ線分光素子１０により
ブラッグ反射する。これにより、ブラッグ反射を行なう
際のＸ線分光素子１０の位置決めを容易に行なうことが
できる。

【００２４】次に、Ｘ線分光素子１０をビームスプリッ
タとして利用する場合について説明する。前述したよう
に、反射条件を満たす波長のＸ線、すなわち所定のバン
ド幅δλのＸ線は、Ｘ線分光素子１０により反射され、
所定の反射角の方向に進行する。これに対して、反射条
件を満たさない波長のＸ線は、Ｘ線分光素子１０が薄膜
単結晶であることから、その大部分がＸ線分光素子１０
を透過し、直進する。これにより、所定のバンド幅δλ
のＸ線は所定の反射角で反射され、反射条件を満たさな
い波長のＸ線は、Ｘ線分光素子１０を透過するので、入
射するＸ線はその波長に基づいて、二方向に分離され
る。このようにして、Ｘ線分光素子１０は、例えばＸ線
のビーム強度モニタのために、Ｘ線の一部を取り出すビ
ームスプリッタとして利用できる。

【００２５】尚、上述した実施形態においては、Ｘ線分
光素子の層状反射面として、Ｓｉの薄膜単結晶における
結晶面すなわち（１１１）面を使用した場合について説
明したが、これに限らず、他の結晶面、例えば（２２
０）面や（１００）面を使用することも可能である。

【００２６】また、上述した実施形態においては、Ｘ線
分光素子として、Ｓｉの薄膜単結晶を使用した場合につ
いて説明したが、これに限らず、他の種類の薄膜単結
晶、例えばＧｅ，ＧａＡｓ，ＬｉＦ，ＳｉＯ2 等の薄膜
単結晶を使用することも可能である。この場合、分光す
べきＸ線の波長に対応して、適宜の種類の元素が選択さ
れ得るとともに、より重い元素の単結晶を使用すること
により、より高い分光効率が得られることになる。

【００２７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、薄
膜単結晶の層状の各結晶面に入射したＸ線はこの結晶面
により反射及び回折され、Ｘ線の反射角は回折によりあ
る程度の拡がりを有することになる。これにより、反射
条件は、ブラッグ結晶の場合のように入射角に等しい必
要はなく、回折格子の場合と同様になるので、回折光の
光量が十分である一定角度範囲においては、入射するＸ
線が波長λの関数として分光される。その際、各結晶面
での反射光及び回折光の干渉により分光が行なわれるこ
とから、分光能力は、結晶面の層数をＮとしたとき、ほ
ぼ１／Ｎとなり、ブラッグ結晶の場合と同じオーダーの
分光能力が得られることになり、高精度の分光測定が可
能になる。

【００２８】このように、本発明のＸ線分光素子では従
来のブラッグ結晶と同程度のエネルギー分解能を持つこ
とができるとともに、ある程度のバンド幅を持って分光
することができるという効果を有する。したがって、Ｘ
線光源からのＸ線の利用効率が向上するとともに、測定
精度も向上する。さらに、本発明によるＸ線分光素子
は、ブラッグ結晶またはビームスプリッタとしても利用
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるＸ線分光素子の一実施形態の構成
を示す概略図である。

【図２】本発明によるＸ線分光素子の具体的な実施形態
であるＳｉ薄膜単結晶の（１００）面を示す概略図であ
る。

【図３】図２のＸ線分光素子の分光測定を行なうための
装置の構成を示す概略斜視図である。

【図４】図３の装置により測定された図２のＸ線分光素
子の入射角とＸ線強度との関係を示す図であり、（ａ）
は１２０μｍのスリットを通過した直接Ｘ線のイメージ
を１次元に写影したものであり、（ｂ）はＳｉ結晶の
（１１１）面で反射したＸ線のイメージを１次元に写影
したものである。

【符号の説明】

１０Ｘ線分光素子１１結晶面２０実験装置２１Ｘ線発生装置２２フィルタ２３スリット２４Ｓｉ結晶２５Ｘ線検出器（ＣＣＤカメラ）２６ θ−２θ回転台２６ａ２θ回転腕

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射するＸ線の回折が発生する範囲の厚
さの層状反射面を備えた、Ｘ線分光素子。
【請求項２】前記層状反射面が、Ｘ線の波長の数千倍
から同程度までの範囲の厚さを有していることを特徴と
する、請求項１に記載のＸ線分光素子。
【請求項３】前記層状反射面が、薄膜単結晶の結晶面
であることを特徴とする、請求項１に記載のＸ線分光素
子。
【請求項４】前記Ｘ線の入射角と出射角とが等しくな
い前記層状反射面を備えた、請求項１に記載のＸ線分光
素子。
【請求項５】前記層状反射面からのＸ線回折光に基づ
いて、入射Ｘ線を所定のバンド幅で分光することを特徴
とする、請求項１に記載のＸ線分光素子。
【請求項６】前記層状反射面の間隔のｄと、Ｘ線の視
射角Φと、Ｘ線の出射角と入射角との角度差のθと、Ｘ
線の波長のλと、正の整数のｎとの関係をなすＸ線の反
射条件が、ｄ・ｓｉｎΦ＋ｄ・ｓｉｎ（Φ＋θ）＝ｎλ であることを特徴とする、請求項１に記載のＸ線分光素
子。
【請求項７】前記層状反射面で反射される反射Ｘ線
と、層状反射面を透過する透過Ｘ線とを取り出すことに
より、ビームスプリッタとして使用されることを特徴と
する、請求項１に記載のＸ線分光素子。