JP2006337121A - Ｘ線集束装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 遠くに離れた位置にあるＸ線源から検査対象物にマルチキャピラリＸ線レンズを介してＸ線を照射しようとした場合に、マルチキャピラリＸ線レンズのコストが非常に高くなりＸ線の減衰も問題となる。
【解決手段】 二本の点／平行型のマルチキャピラリＸ線レンズ２、３の平行端２ｂ、３ｂを間に空間を挟んで対向させ、且つ光軸を一致させて配置する。第１Ｘ線レンズ２の点焦点Ｆ１をＸ線源の位置に合わせると、Ｘ線源から放出されるＸ線は大きな立体角で以て各キャピラリ内に取り込まれ平行化されて平行端２ｂから出射する。この出射Ｘ線は平行線束に近いため、その大部分が第２Ｘ線レンズ３の平行端３ｂに達して各キャピラリ内に取り込まれる。そして第２Ｘ線レンズ３の集束端３ａから出射して点焦点Ｆ２に照射される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子線プローブ微小分析装置（ＥＰＭＡ）や走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過電子顕微鏡、蛍光Ｘ線分析装置など、Ｘ線を利用して分析を行うＸ線分析装置、ＸＲＤ、Ｘ線ＣＴ、レントゲン装置等においてＸ線を集束したり平行化したりするために利用されるＸ線集束装置に関する。

電子線プローブ微小分析装置（ＥＰＭＡ）では、高エネルギーを有する微小径の電子線を励起線として試料に照射し、それによって試料の含有成分の内側電子が励起された際に外部に放出される固有Ｘ線（特性Ｘ線）を分析することにより、元素の同定や定量を行ったり、元素の分布を調べたりする。また、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）では一般的には電子線の照射位置から発生した二次電子や反射電子を検出するが、最近は、エネルギー分散型Ｘ線検出部を併設することでＸ線分析を可能とした装置も開発されている。

この種のＸ線分析装置においてＸ線を集光したり平行化したりするために、従来より、マルチキャピラリ（ポリキャピラリと呼ばれることもある）Ｘ線レンズと呼ばれる一種のＸ線集束装置が知られている（特許文献１、２など参照）。図６はマルチキャピラリＸ線レンズの形態例を示す図、図７はマルチキャピラリＸ線レンズにおけるＸ線の伝達の原理図である。

マルチキャピラリＸ線レンズは例えば内径が２〜十数μｍ程度の微小径の硼珪酸ガラスから成る細管（キャピラリ）を多数（数百〜１００万本程度）束ねた基本構造を有しており、図７に示すように、１本のキャピラリ２２の内側に入射されたＸ線がそのガラス壁の内周面を臨界角以下の角度で以て全反射しながら進行してゆく原理を利用して、Ｘ線を効率良く案内するものである。図７（ａ）に示すようにキャピラリ２２が直線状でも、図７（ｂ）に示すようにキャピラリ２２が湾曲状であっても、同じようにしてＸ線を案内することができる。

マルチキャピラリＸ線レンズには種々の形態があり、例えば図６（ａ）に示すマルチキャピラリＸ線レンズ２０は、殆ど点とみなし得るＸ線源から出たＸ線を入射側端面で大きな立体角で以て取り込み、反対側の出射側端面から出たＸ線を一点に集束させる点／点型のものである。また図６（ｂ）に示すマルチキャピラリＸ線レンズ２１は、同様に入射側端面の略一点から出たＸ線を大きな立体角で以て取り込んだ後、出射側端面から平行ビームを出射する或いはその逆の経路とする点／平行型のものである。これ以外に、両端面がともに平行ビームを入射及び出射する平行／平行型もある。

上記のようなマルチキャピラリＸ線レンズはＸ線源と分析対象の試料との間に挿入され、Ｘ線源により発生した励起用のＸ線を試料に効率良く照射するのに使用される場合と、Ｘ線や電子線などの励起により試料から放出された固有Ｘ線、蛍光Ｘ線を効率良く収集してＸ線分光器や検出器などに導くのに使用される場合とがある。いずれの場合でもＸ線の伝達距離が比較的短い場合には実用上問題はないが、例えばＸ線源と試料との間が離れていてマルチキャピラリＸ線レンズにより長い距離をカバーしたいような場合には次のような問題がある。

即ち、上記のような構造のマルチキャピラリＸ線レンズ２０、２１では、各キャピラリが平行に延伸する部分を長くしようとすると製造が難しくなり、製造工程上での歩留まりが悪化する。そのため、こうしたマルチキャピラリＸ線レンズはコストがかなり高いものとなる。また、理想的にはキャピラリ内部ではＸ線は全反射しながら進むため減衰は生じないが、実際には、進行途中で一部のＸ線がキャピラリの内壁に吸収されたり散乱したりして徐々に減衰するため、伝達距離が長いとＸ線強度がかなり低下して実用上問題が生じるレベルになることがある。

特公平７−１１６００号公報 特公平７−４００８０号公報

近年、様々な製品に対する品質保証が厳格に求められるようになってきており、そのため各種の工場では大量生産品の全数検査を行う必要が生じている。こうした目的のために、製造ライン上を流れる製品を自動的に非破壊検査するＸ線分析装置に対する要求が非常に高まっている。ところが、従来のＸ線分析装置では、検査対象物とＸ線源、検査対象物と検出器とが比較的近接して配置されているため、製造ラインにこうしたＸ線分析装置を組み込むことはスペース等の制約上難しかった。

上述したようなマルチキャピラリＸ線レンズにおいて上記のような問題が解決できれば、検査対象物とＸ線源、検査対象物と検出器とをかなり離して配置することができ、配置の自由度が高まってＸ線分析装置を容易に製造ラインに組み込むことが可能となる。本発明はこうした点に鑑みて成されたものであり、その主な目的は、実用的なＸ線強度を確保しつつ、比較的安価なコストでＸ線を長い距離伝達することが可能なＸ線集束装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された第１発明に係るＸ線集束装置は、
多数の束ねられた細管から成り、一方の端面は外方で一点又は点とみなし得る微小領域に焦点を持つ集束端であり他方の端面は各細管が平行に配置された平行端である、第１、第２なる二つの細管集合体と、
第１細管集合体の平行端と第２細管集合体の平行端とが所定の空間を挟んで対向するようにそれら二つの細管集合体を保持する保持部と、
を備えることを特徴としている。

また上記課題を解決するために成された第２発明に係るＸ線集束装置は、
多数の束ねられた細管から成り、一方の端面は外方で一点又は点とみなし得る微小領域に焦点を持つ集束端であり、他方の端面は各細管が平行に配置された平行端である、第１、第２なる二つの細管集合体と、
第１細管集合体の平行端と第２細管集合体の平行端とが互いに離れるようにそれら二つの細管集合体を保持する保持部と、
第１細管集合体の平行端と第２細管集合体の平行端と間の空間にあって一方の細管集合体の平行端から出射したＸ線の進行方向を変えて他方の細管集合体の平行端に導く方向変換手段と、
を備えることを特徴としている。

第１及び第２発明に係るＸ線集束装置において、「一方の端面は外方で一点又は点とみなし得る微小領域に焦点を持つ集束端であり、他方の端面は各細管が平行に配置された平行端である」細管集合体は、典型的には、上述した点／平行型のマルチキャピラリＸ線レンズである。

第１発明に係るＸ線集束装置において、例えば第１細管集合体の集束端の焦点をＸ線源の位置に合わせると、Ｘ線源から放出されるＸ線は大きな立体角で以て第１細管集合体の各細管内に取り込まれ、各細管内部で全反射を繰り返しながら進行して平行端から出射する。このときの出射Ｘ線の広がり角は小さく平行線束に近い。したがって、第１細管集合体の平行端から出射したＸ線は両平行端間の空間を通り、その大部分が第２細管集合体の平行端から第２細管集合体の各細管内に取り込まれる。そして今度は、第２細管集合体の各細管内部で全反射を繰り返しながら進行して集束端から出射し、その集束端の焦点付近に重なって照射される。

このように第１発明に係るＸ線集束装置によれば、入射端から出射端までの光路上で両端部にのみ高価な細管集合体が使用され、中央は単なる空間であるため、光路全体を細管集合体で構成する場合に比べて格段に安価なものとすることができる。また、両細管集合体の平行端の間の空間内でのＸ線の吸収や散乱を別にすれば、第１細管集合体の平行端から出射したＸ線のごく小さな広がり角に応じた、一部のＸ線の損失分だけＸ線が減衰するだけであるので、両平行端の離間距離を長くしても出射端（第２細管集合体の集束端）で実用上十分なＸ線強度を確保することができる。

第２発明に係るＸ線集束装置においても、例えば第１細管集合体の集束端の焦点をＸ線源の位置に合わせると、Ｘ線源から放出されるＸ線は大きな立体角で以て第１細管集合体の各細管内に取り込まれ、各細管内部で全反射を繰り返しながら進行して平行端から出射する。このときの出射Ｘ線の広がり角は小さく平行線束に近い。このほぼ平行なＸ線束は両平行端間の空間を通る間に方向変換手段により進行方向が変えられ、そのＸ線束の大部分は方向変換後の進行方向前方に位置する第２細管集合体の平行端から第２細管集合体の各細管内に取り込まれる。そして今度は、第２細管集合体の各細管内部で全反射を繰り返しながら進行して集束端から出射し、その集束端の焦点付近に重なって照射される。

即ち、第１発明に係るＸ線集束装置では第１及び第２細管集合体の平行端が互いに対向して配置される必要があったが、第２発明に係るＸ線集束装置では両平行端の間でＸ線束の進行方向が変えられるため、両平行端の位置関係をより自由に決めることができる。したがって、Ｘ線源やＸ線検出器、或いはＸ線分光器等を含むＸ線光学系の配置の自由度が高まる。

第１及び第２発明に係るＸ線集束装置の一態様として、上記二つの細管集合体の平行端の間の空間にソーラースリットを介挿した構成とすることができる。

この構成によれば、第１細管集合体の平行端から出射したＸ線の平行性をソーラスリットにより一層高めた上で第２細管集合体の平行端から入射させることができ、他の不所望の散乱Ｘ線などが第２細管集合体の各細管に入り込むことも防止することができる。

また第１及び第２発明に係るＸ線集束装置の別の態様として、上記二つの細管集合体の平行端の間に、多数の束ねられた細管から成り、両端面はいずれも各細管が平行に配置された平行端である第３細管集合体を介挿した構成とすることができる。

特にこの構成では、この第３細管集合体として湾曲状或いは屈曲状のものを用いることで上記方向変換手段とすることができる。後述のように方向変換手段として反射板を用いた場合には、第１及び第２細管集合体の平行端に対する反射板の設置角度等をかなり厳密に定める必要があるため高い組立精度が必要とされる。これに対し、第３細管集合体を用いた場合には、第１細管集合体の平行端と第３細管集合体の入射側平行端とを互いに平行に対向させ、第２細管集合体の平行端と第３細管集合体の出射側平行端とを互いに平行に対向させればよいので、組立等がより容易に行える。

もちろん、第２発明に係るＸ線集束装置において上記方向変換手段はＸ線反射板である構成とすることもできる。この構成によれば、第３細管集合体を用いる場合に比べてコストを抑えることができる。

なお、二つの細管集合体の平行端の間の空間に空気が存在するとそれだけＸ線の減衰が大きくなり、さらに空気中に塵埃等の微小な浮遊物があるとさらにＸ線の減衰の要因となる。そのため、二つの細管集合体の平行端の間の空間は真空雰囲気であることが望ましく、第１及び第２発明に係るＸ線集束装置では、二つの細管集合体の平行端の間の空間を真空雰囲気に維持する真空維持手段を備える構成とするとよい。

例えば、上記保持部により二つの細管集合体の平行端の間の空間を密封可能とし、その保持部の内部空間を真空排気しておくことにより、真空維持手段の機能を保持部に持たせることができる。但し、このＸ線集束装置全体を真空室内部で使用するような用途においては、上記保持部は二つの細管集合体の平行端の間の空間を外部に開放する構造とし、真空室内の真空排気によって二つの細管集合体の平行端の間の空間も真空雰囲気となるようにすればよい。

以下、本発明に係るＸ線集束装置の実施例について、図面を参照しながら説明する。

［実施例１］
図１は第１発明に係るＸ線集束装置の一実施例の概略構成図である。この実施例１のＸ線集束装置１では、一方の端部２ａ、３ａが点焦点を有する集束端であり、他方の端部２ｂ、３ｂが平行端である二本の点／平行型の第１、第２マルチキャピラリＸ線レンズ（本発明における細管集合体）２、３を用いる。この二本のマルチキャピラリＸ線レンズ２、３の平行端２ｂ、３ｂの光軸（一本のキャピラリの光軸ではなくマルチキャピラリＸ線レンズ全体としての光軸）が一致するように平行端２ｂ、３ｂ同士を略平行に対向させ、且つ両者の間を所定距離ｔだけ離間して保持する筒状のハウジング（本発明における保持部）４を備える。このハウジング４はほぼ密閉されており、内部は適度な真空度まで真空排気される。これにより、ハウジング４内での空気や塵埃によるＸ線の吸収や散乱の影響を軽減することができる。

例えば第１マルチキャピラリＸ線レンズ２の集束端２ａの点焦点の位置Ｆ１にＸ線源を置くと、このＸ線源から放出されたＸ線は第１マルチキャピラリＸ線レンズ２の集束端２ａに大きな立体角を以て取り込まれ、各キャピラリの内部を全反射しながら進行して平行線束に変換される。第１マルチキャピラリＸ線レンズ２の平行端２ｂから出射するＸ線束は上述したような理由により完全な平行線束ではないものの、キャピラリの壁面に対するＸ線の臨界角は非常に小さいため、出射して来るＸ線束は殆ど平行線束であるとみなせる。したがって、上述のように光軸を一致させることにより、第１マルチキャピラリＸ線レンズ２の平行端２ｂから出射したＸ線の殆どが第２マルチキャピラリＸ線レンズ３の平行端３ｂに到達して各キャピラリに取り込まれる。ハウジング４内部の真空領域を通過する際に上記拡散以外の要因でのＸ線の減衰は殆どない。したがって、第１マルチキャピラリＸ線レンズ２により集束されたＸ線のうちの大部分が第２マルチキャピラリＸ線レンズ３に送り込まれる。

そして、Ｘ線は第２マルチキャピラリＸ線レンズ３の各キャピラリ内部で全反射を繰り返しながら進行し、その集束端３ａから出射して点焦点Ｆ２付近に集中的に照射される。第１及び第２マルチキャピラリＸ線レンズ２、３はいずれも比較的短いため、これらマルチキャピラリＸ線レンズ２、３の各キャピラリ内を通過する際のＸ線の減衰は無視できる程度に小さい。結果として、第１マルチキャピラリＸ線レンズ２の集束端２ａで大きな立体角で以て取り込まれたＸ線は大きく減衰することなく、第１マルチキャピラリＸ線レンズ２から離れた位置にある第２マルチキャピラリＸ線レンズ３の集束端３ａから出てその点焦点Ｆ２付近に照射されることとなり、効率よくＸ線を離れた位置まで導くことができる。

なお、上記実施例ではハウジング４を略密封構造としてその内部を真空状態にしたが、このＸ線集束装置全体が真空室内部に設置されることを前提とすれば、ハウジング４内部を真空にする必要はない。その場合には、ハウジング４を敢えて開放構造とし、このＸ線集束装置が配設された真空室が真空排気されるときに、第１、第２マルチキャピラリＸ線レンズ２、３間の空間も真空状態となるようにすればよい。

また、上記実施例１では離間距離ｔが決まっていたが、例えばハウジング４を二重筒構造としてその重なり部分の長さを調整可能な構造とすることにより、離間距離ｔを所定範囲内で任意に調整できるようにしてもよい。

［実施例２］
図２は第１発明に係るＸ線集束装置の他の実施例（実施例２）の概略構成図であり、実施例１で示した構成要素と同一のものについては同一符号を付して詳しい説明を省略する。

実施例２によるＸ線集束装置１では、ハウジング４の内部にソーラースリット５が設置してある。ソーラースリット５はステンレス等、Ｘ線を吸収する材料から成る薄板（スリット板）を所定間隔離して多数枚重ねた平行平板型構造であり、そのスリット開口が第１、第２マルチキャピラリＸ線レンズ２、３の平行端２ｂ、３ｂの理想的な平行性と一致するように配置されている。この構成では、第１マルチキャピラリＸ線レンズ２の平行端２ｂから出射したＸ線束がソーラースリット５を通過する際に、平行でない成分はスリット板に吸収されるため、より平行性の高まったＸ線束が第２マルチキャピラリＸ線レンズ３の平行端３ｂに到達し、各キャピラリに取り込まれる。

この場合、ソーラースリット５によりＸ線の一部は吸収されるため、Ｘ線強度は下がり分析感度の点では不利である。一方、平行でない散乱Ｘ線はソーラースリット５で除去されるため、目的とするＸ線束の純度が高まり、ノイズ等の影響を軽減できる。

［実施例３］
図３は第２発明に係るＸ線集束装置の一実施例（実施例３）の概略構成図であり、実施例１で示した構成要素と同一のものについては同一符号を付して詳しい説明を省略する。

実施例３のＸ線集束装置１では、第１マルチキャピラリＸ線レンズ２の平行端２ｂと第２マルチキャピラリＸ線レンズ３の平行端３ｂとは直接対向しておらず、両者の光軸が斜交するように第１及び第２マルチキャピラリＸ線レンズ２、３はハウジング４により保持されている。そして、両平行端２ｂ、３ｂの間の空間には、本発明における方向変換手段としてのＸ線反射板６が設置されている。

この構成では、第１マルチキャピラリＸ線レンズ２の平行端２ｂから出射したほぼ平行なＸ線束はその進行方向前方に位置するＸ線反射板６に当たり、全反射することで進行方向が曲げられる。この反射によるＸ線の減衰は無視できる程度である。方向を変えたＸ線束はその進行方向前方に位置する第２マルチキャピラリＸ線レンズ３の平行端３ｂに到達し、各キャピラリに取り込まれる。したがって、実施例３のＸ線集束装置１によれば、入射側の点焦点Ｆ１と照射側の点焦点Ｆ２の位置関係を任意に決めることができる。

［実施例４］
図４は第２発明に係るＸ線集束装置の一実施例（実施例４）の概略構成図であり、実施例１、３で示した構成要素と同一のものについては同一符号を付して詳しい説明を省略する。

実施例４のＸ線集束装置１では、実施例３のＸ線集束装置におけるＸ線反射板６に代えて、両端がともに平行端である第３マルチキャピラリＸ線レンズ７を設置してある。第３マルチキャピラリＸ線レンズ７の入射側の平行端７ａは第１マルチキャピラリＸ線レンズ２の平行端２ｂと対向し、且つ両者の光軸はほぼ一致するように配置されている。また、第３マルチキャピラリＸ線レンズ７の出射側の平行端７ｂは第２マルチキャピラリＸ線レンズ３の平行端３ｂと対向し、且つ両者の光軸はほぼ一致するように配置されている。そして、第３マルチキャピラリＸ線レンズ７は適度に屈曲されている。

実施例４のＸ線集束装置１では、第３マルチキャピラリＸ線レンズ７の入射側平行端７ａから各キャピラリに取り込まれたＸ線が図７（ｂ）に示したように全反射を繰り返す過程で徐々に進行方向を変える。このように実施例３とはＸ線の進行方向の変換方法は異なるものの、実施例３と同様に、入射側の点焦点Ｆ１と照射側の点焦点Ｆ２の位置関係を任意に決めることができる。

［応用例］
図５は実施例１で示したＸ線集束装置の応用例であるＸ線検査装置の概略構成図である。Ｘ線源１２と製造ライン１０上を移動する検査対象物１１との間には入射側のＸ線集束装置１Ａが、検査対象物１１とＸ線検出器１３との間には出射側のＸ線集束装置１Ｂが設置されている。即ち、Ｘ線源１２から出射した一次Ｘ線は入射側Ｘ線集束装置１Ａにより検査対象物１１に効率良く照射される。これに応じて検査対象物１１から放出された二次Ｘ線は出射側Ｘ線集束装置１ＢによりＸ線検出器１３まで効率良く案内される。これによって、Ｘ線源１２及びＸ線検出器１３を検査対象物１１に近接した位置に配置する必要がなくなる。もちろん、実施例３、４のＸ線集束装置を用いれば、検査対象物１１に対するＸ線源１２及びＸ線検出器１３の位置の自由度を一層高めることができる。

なお、上記実施例は本発明の一例であるから、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正又は追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。

本発明の一実施例（実施例１）であるＸ線集束装置の概略構成図。 本発明の他の実施例（実施例２）であるＸ線集束装置の概略構成図。 本発明の他の実施例（実施例３）であるＸ線集束装置の概略構成図。 本発明の他の実施例（実施例４）であるＸ線集束装置の概略構成図。 実施例１によるＸ線集束装置を使用したＸ線検査装置の概略構成図。 従来知られているマルチキャピラリＸ線レンズの概略構成図。 マルチキャピラリＸ線レンズにおいて１本のキャピラリ内のＸ線の通過状態を示す模式図。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ…Ｘ線集束装置
Ｆ１、Ｆ２…点焦点
１０…製造ライン
１１…検査対象物
１２…Ｘ線源
１３…Ｘ線検出器
２、３…マルチキャピラリＸ線レンズ
２ａ、３ａ…集束端
２ｂ、３ｂ…平行端
４…ハウジング
５…ソーラースリット
６…Ｘ線反射板
７…第３マルチキャピラリＸ線レンズ
７ａ…入射側平行端
７ｂ…出射側平行端

Claims (6)

1. 多数の束ねられた細管から成り、一方の端面は外方で一点又は点とみなし得る微小領域に焦点を持つ集束端であり他方の端面は各細管が平行に配置された平行端である、第１、第２なる二つの細管集合体と、
   第１細管集合体の平行端と第２細管集合体の平行端とが所定の空間を挟んで対向するようにそれら二つの細管集合体を保持する保持部と、
   を備えることを特徴とするＸ線集束装置。
2. 多数の束ねられた細管から成り、一方の端面は外方で一点又は点とみなし得る微小領域に焦点を持つ集束端であり、他方の端面は各細管が平行に配置された平行端である、第１、第２なる二つの細管集合体と、
   第１細管集合体の平行端と第２細管集合体の平行端とが互いに離れるようにそれら二つの細管集合体を保持する保持部と、
   第１細管集合体の平行端と第２細管集合体の平行端と間の空間にあって一方の細管集合体の平行端から出射したＸ線の進行方向を変えて他方の細管集合体の平行端に導く方向変換手段と、
   を備えることを特徴とするＸ線集束装置。
3. 前記二つの細管集合体の平行端の間の空間にソーラースリットを介挿したことを特徴とする請求項１又は２に記載のＸ線集束装置。
4. 前記二つの細管集合体の平行端の間に、多数の束ねられた細管から成り、両端面はいずれも各細管が平行に配置された平行端である第３細管集合体を介挿したことを特徴とする請求項１又は２に記載のＸ線集束装置。
5. 前記方向変換手段はＸ線反射板であることを特徴とする請求項２に記載のＸ線集束装置。
6. 前記二つの細管集合体の平行端の間の空間を真空雰囲気に維持する真空維持手段を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のＸ線集束装置。
   

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