JP2007011403A - 徐々に変化する原子面を有する二重に湾曲した光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】発散性線源からのｘ線を集束させ結像させる際に使用するための光学的に湾曲した素子を提供する。
【解決手段】この素子は、少なくともその一部が該光学的に湾曲した素子を少なくとも一つの方向で横切って変化する間隔ｄにより隔てられた湾曲した複数の原子反射面を含む。複数の湾曲した反射面の上に二重に湾曲した光学表面を配置する。該複数の原子反射面の間隔ｄは、該光学表面の少なくとも一部にブラッグ角で該光学表面に衝突する発散性の線源からのｘ線の入射角との適合を高めるため少なくとも一つの方向で連続的に変化する。二重に湾曲した光学表面は楕円形、放物面状、球状、又は非球状のプロフィルを持つことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は二重に湾曲した光学素子に関し、とりわけ、少なくとも一つの方向で変化する間隔ｄにより隔てられた多重反射面を有する二重に湾曲した光学素子に関する。

周期的構造を有する結晶物質は回折の基礎を形成するｘ線を反射するために使用することができる。結晶面からのｘ線の反射はブラッグ条件、即ち
２ｄｓｉｎθ＝ｎλ
が満足される場合にのみ起こり得る。上式中、λはｘ線の波長であり、ｄは反射面の間隔であり、θは該反射面に関する入射角であり、そしてｎは反射次数（reflection order) である。天然の結晶及び大部分の合成結晶の間隔ｄは一定である。同一波長のｘ線を効率的に反射するためには、結晶光学素子はその表面のどの点でも該結晶の反射面に関してほぼ一定の入射角を持たねばならない。ブラッグ反射に基づく結晶光学部品はｘ線単色光分光器や高分解能分光法に広く使用されてきた。しかしながら、実験室線源からのｘ線を集束させそして平行化するための結晶光学部品の利用は、ブラッグ条件が厳格に要求されること及び大部分の有用な結晶性物質が狭いロッキングカーブ幅を持つことのため、制限されてきた。
ゼット．ダブリュー．チェン及びディー．ビー．ウィットリによる「単色性ミクロプローブｘ線蛍光による微量分析−物理的基礎、特性及び将来展望」と題する総説、J. Appl. Phys., 84(2), 1064 (1998)

微量分析への利用の多くのものにおいては、実験室型線源に基づく強い単色性のｘ線ビームが必要となる。実験室線源からのｘ線を三次元的に集束させるには二重に曲がった結晶光学部品を必要とする。ヨハン型（Johann type)の二地点間集束の外面的形態（point to point focusing geometry) に基づくマイカ結晶を使用した８ｋｅＶのｘ線を集束させるためのトロイド状結晶の実用的使用が最近実証された。例えば、非特許文献１を参照されたい。しかしながら、該光学部品の収集立体角（collection solid angle) を制限するローランド・サークル面におけるヨハンの外面的形態からの形態的逸脱のため、このアプローチを用いる結晶のどの点でもブラッグ条件は満足され得ない。集束されたビームのスポット・サイズもトロイダル表面の外面的形態の逸脱により制限される。

他方、単色性ｘ線平行ビームはｘ線回折の多くの適用に有用である。一定の間隔ｄを持つ従来の結晶光学部品は発散性の線源からの硬ｘ線を効率的に平行化することはできない。何故なら、如何なる型の平行化鏡の場合でもその入射角は点ごとに変化するに違いないからである。高分解能ｘ線回折への適用においても、従来の多層光学部品により得られる単色性は比較的貧弱であり且つその発散は十分に小さいとは言えない。

簡単に概要を述べれば、本発明は、一つの側面において、少なくともその一部が少なくとも一つの方向において変化する間隔ｄにより隔てられている複数の湾曲した原子面を含む光学的に湾曲した素子を含む。この素子は二重に湾曲し且つ複数の湾曲した原子面の上に配置された光学表面をさらに含む。その間隔ｄは少なくとも一つの方向において変化し、それはブラッグ方程式から決定される。ブラッグ方程式中のブラッグ角は、光学表面の少なくとも一部の点の上で該光学表面に衝突する線源からのｘ線の入射角である。

再述すると、本発明の目的はｘ線の集束、平行化及び結像のための大幅に改良された湾曲した結晶光学素子を提供することである。これらの湾曲した結晶光学部品は格子パラメータが少なくとも一つの方向で横に変化する点に特徴を有する。この結晶格子パラメータの変化は二つ以上の元素から作られる一つの結晶を成長させ、該結晶が成長するにつれ該二つの元素の相対百分率を変えることにより作り出すことができる。結晶光学部品の表面を横に横切って間隔ｄを変えることにより、該結晶の全ての点のブラッグ角θを入射角に正確に適合させることができる。これは湾曲した結晶素子の効率を大幅に改善し且つ如何なる外面的形態の逸脱をも消去させる。

二次元的に湾曲し徐々に変化する結晶素子の光学的形状は円状、楕円体状、放物線状、球状、及び他の非球状の形状であることができる。二重に湾曲した素子の１例は、図３Ａ及び３Ｂに示す。図３Ａは該素子が一方の次元で楕円状に湾曲し得ることを示し、一方図３Ｂは該素子が他方の次元で円状に湾曲し得ることを示す。これは、二地点間集束を可能とする。楕円体の外面的形態は単色性ｘ線の二地点間集束を可能とする。楕円体形状で徐々に変化する結晶素子は小さなｘ線源から大きな立体角を捕捉し、例えば単色性ミクロＸＲＦ（Ｘ線蛍光）、小スポットＸＰＳ（Ｘ線光電子分光法）などの微小ビーム分析に有用なミクロ単色性ｘ線ビームを形成することができる。放物面の外面的形態は点の線源からのｘ線ビームを平行化させる。放物面の形状に湾曲した徐々に変化する間隔ｄの複数の面を持つ結晶素子は大きな立体角を捉えそしてポント型の実験室線源からのビームを平行化させることができる。結晶光学部品のエネルギー帯幅が狭いために、この平行化したビームは、高分解能ｘ線回折に要求される発散の小さな高度に単色性のものとなり得る。最後に、球状の外面的形態を持つ徐々に変化する結晶光学部品は硬ｘ線を結像させるために利用できる。シュワルツシルト光学部品などの球状光学部品の組合せは強力な縮小を可能とし実験室線源に基づくサブミクロンｘ線ビームを形成できる。
本発明の上述の目的、長所及び特性などは、添付の図面と組み合わせて考察されるとき、以下に述べる本発明のある好ましい実施態様の詳細な説明からより容易に理解されることになる。

本発明によれば、図１に示すｘ線反射素子は湾曲した結晶１０と支持基体１２を含む。結晶１０は一組の湾曲した原子反射面１４を有する。結晶表面のあらゆる点の上で、原子面の集合１４は示した実施態様では結晶表面１６にほぼ平行である。複数の原子面の間の間隔、ｄ、は結晶の一方の端におけるｄ₁ から結晶の他方の端におけるｄ₂ まで連続的に変化する。ｄ1 とｄ2 の値は、ブラッグ角がそれぞれ入射角θ₁ 及びθ₂ であるブラッグ方程式から求められる。ブラッグ方程式によれば、波長λのｘ線光量子に対する反射面１４のブラッグ角は間隔ｄのプロフィルに応じて変化する。結晶表面１６の外形は、球状、楕円体状、放物面状、トロイド状（toroidal) 、又は他のタイプの二重に湾曲した表面であることができる。この結晶面の間隔ｄのプロフィルは、発散性の実験室線源からの単色性ｘ線の入射角を該結晶表面の各点のブラッグ角と適合させるように設計される。

本発明の光学素子は、図２に示すように平らな薄い結晶平板１０を、予め選択された外面的形態となるような所望の間隔ｄプロフィルを持つように曲げることにより作成できる。曲げる方法の一つは、「湾曲した光学素子及び製造方法」と題する同時係属の同一出願人に譲渡された米国特許出願番号０９／３４２，６０６号に記載された製造方法である。該結晶面の間隔ｄの変化は二つ以上の元素から作られる一つの結晶を成長させ、結晶が成長するにつれこの二つの元素の相対百分率を変えることにより作成することができる。例えば、Ｓｉ−Ｇｅ結晶の格子パラメータはＧｅの濃度を変えると変化する。従って、徐々に変化する格子パラメータを持つ結晶物質はＳｉ−Ｇｅ結晶を成長させ、成長の間にＧｅの濃度を制御することにより得ることができる。このような結晶面は市販されており、例えば、フレデリックスブルグ、バージニア州、米国のバージニア・セミコンダクター，インク．から購入できる。

二地点間のｘ線結像を可能とする本発明の一つの実施態様は、図３Ａに例示されている。結晶面１４は楕円体状に湾曲しており、複数の面の間隔ｄは光学軸２−２に平行な方向に沿って変化する。図３Ａに示す対称的外形のために、反射面の間隔ｄは中心点Ｏで最大値ｄ₀ を持ち、端Ｅに近づくにつれ減少する。結晶の中心点Ｏからその端Ｅまでｄ値が減少すると、波長λのｘ線のブラッグ角は増大し、これは楕円の左焦点から発散するｘ線に対しＯからＥまでの入射角の増大と釣り合う。４−４の線にそってとられたこの結晶の断面を図３Ｂに示す。この面では、結晶面は円状であり、間隔ｄは変化しない。図３Ｃは二地点間集束の外面的形態の非対称的配置を示す。これは、線源Ｓの縮小を与える。図３Ａの楕円体結晶素子は平らな結晶１０（図２参照）を楕円体に曲げることにより作成できる。ここで、平らな結晶１０の間隔ｄはＸ方向に沿って変化するがＹ方向に沿って一定である（図２参照）。図３Ａに示す光学素子は、ｄ_O からｄ_E まで徐々に変化する間隔ｄを持つ二つの同一な平らな結晶平板を図４の分解組み立て図に示すように使用できるように、二つの小片として作製してもよい。この実施態様においては、この二つの結晶はＯで結合しそしてその表面は楕円体状である。このアプローチは一つの次元で徐々に増加させることができる。逆に、図３Ａの素子は増加し次いで減少する変化プロフィルを要求する。

放物面の外面的形態を持つ湾曲した結晶素子が図５Ａに示してある。この素子は点の線源Ｓから単色性の平行化ｘ線ビームを作成する。結晶１０の反射面の間隔ｄはｄ₁ の値からｄ₂ の値まで徐々に変化する。ブラッグ条件を満足させるため、間隔ｄのプロフィルは一次近似として直線であり、点Ａから点Ｂまで増加する。または、平行化したビームを図５Ｂに示すように一つの焦点に向けることができる。

ｘ線の集束及び平行化は、ほぼ法線の(near normal) 入射角において、徐々に変化する間隔ｄを持つ結晶面を用いる球状の外面的形態でも得ることができる。球状の鏡は、法線入射可視光光学部品のための結像素子としてよく知られている。従来の球状に湾曲した結晶は、法線入射角の近くで一部の特定波長の発散ｘ線源からのｘ線を縮小（又は拡大）できそして平行化できる。しかしながら、このタイプの素子は開口数が小さ過ぎて役に立たない。本発明の、徐々に変化する間隔ｄの二重に湾曲した結晶（複数）を使用すれば、開口数は実質的に改良することができる。

図６Ａは本発明の別の一実施態様による球状に湾曲した一組の結晶面を示す。これはｘ線源の縮小した像を与える。その複数の結晶面の間隔ｄは光学軸に関して対称的なプロフィルを有し、横方向に沿って変化する。それは点Ａから点Ｂまでその表面を横切って増加する。光学軸に沿った垂直な投影図（projecting view)を図６Ｂに例示する。この素子の間隔ｄのプロフィルは得ることが困難であるかも知れない。実用的には、図６Ｃに示すように徐々に変化する単純なｄプロフィルを持つ結晶平板の多数の小片を用いることにより近似することができる。結晶のそれぞれの小片は該表面に平行な反射面を持つ球状の形状に曲げられる。これらの反射面の間隔ｄプロフィルは各結晶の中心を通る放射状の方向に沿って一次元的に変化させられる。もしｘ線源が図６Ａに示す方向と同様に凹面の球状素子の焦点に置かれるならば、平行化されたｘ線ビームが得られる。

二つの球状結晶素子を組み合わせると強力な縮小を得ることができる。一つの好ましい外面的形態は、多層被覆と結合させて軟ｘ線を結像させるために使用されるシュワルツシルト配置である。シュワルツシルトの外面的形態で徐々に変化する結晶（複数）は図７に示すように硬ｘ線を結像させる。一次結晶１８の反射面は法線に近い入射角でｘ線を放射する線源からのｘ線を反射するためのｄ₁ （ｒ）の間隔ｄプロフィルを有する。二次結晶２０の反射面は、一次結晶１８で反射したｘ線の入射角に合致するような望ましいプロフィルｄ₂ （ｒ）を有する。このシステムはＩに線源の最終結像を生ずる。

本発明のある好ましい実施態様により、本発明をここに詳細に説明してきたが、それらの多くの修正や改変が当業者により行なわれうる。従って、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神及び範囲の中に入るこのような修正や改変が全て網羅されることを意図する。

図１は、本発明の原理に従ったｘ線光学素子の分解組み立て断面図である。 図２は、徐々に変化するｄ間隔を持つ一組の原子面を有する平らな結晶面である。 図３Ａは、徐々に変化すに結晶面が一つの次元で楕円体の形状に湾曲されている本発明の一つの実施態様の断面図であり、単色性のｘ線の対称的二地点間結像を可能とする。 図３Ｂは、線４−４に沿ってとられた図３Ａの結晶の断面図である。 図３Ｃは、図３Ａの光学素子に類似の光学素子であるが、非対称的外形を有し、本発明の別の実施態様により線源Ｓの縮小を与える。 図４は、本発明の徐々に変化する間隔ｄを持つ二つの同一結晶を含む楕円体結晶素子の分解組み立て図である。 図５Ａは、本発明の光学素子の別の一実施態様の断面図であって、放物面の形状に曲げられた徐々に変化する結晶面を示し、点のｘ線源から平行化したビームを形成する。 図５Ｂは、本発明の光学素子の別の一実施態様の断面図であって、放物面の形状に曲げられた徐々に変化する結晶面を示し、平行化したビームを受けそれを焦点に向ける。 図６Ａは、法線に近い入射角を持つ線源を結像させるための本発明の球状の光学素子を図示する。 図６Ｂは、線ｃ−ｃでとられた図６Ａの球状素子の断面図である。 図６Ｃは、本発明の別の一実施態様による単純な勾配のｄプロフィルを持つ結晶平板の多数の小片を含む球状素子の断面図である。 図７は、強力な縮小結像のための本発明の二つの徐々に変化する凹面結晶の外形を示す。

符号の説明

１０ 結晶
１２ 支持基体
１４ 一組の湾曲した原子反射面
１６ 結晶表面
１８ 第一の結晶
２０ 第二の結晶

Claims (13)

1. 複数の湾曲した原子面（１４）であって、少なくとも一部の湾曲した原子面（１４）が間隔ｄにより隔てられているものである原子面と、
   該複数の湾曲した原子面（１４）の上に配置された光学表面（１６）であって、二重に湾曲している光学表面（１６）とを含み、
   該間隔ｄが、該光学表面を横切って少なくとも一つの方向で変化し且つブラッグ方程式から決定されるものであり、ブラッグ角が該光学表面（１６）の少なくとも一部の点のそれぞれで該光学表面（１６）に衝突する線源からのｘ線の入射角であることを特徴とする光学的に湾曲した素子（１０）。
2. 発散性線源からのｘ線の最大反射率を得るため、該間隔ｄが該少なくとも一つの方向で変化するものであることを特徴とする請求項１記載の光学的に湾曲した素子（１０）。
3. 該二重に湾曲した光学表面（１６）が楕円状、放物線状、球状又は非球状のプロフィルの一つを含むものであることを特徴とする請求項１記載の光学的に湾曲した素子（１０）。
4. 該二重に湾曲した光学表面（１６）が楕円状のプロフィルを含むものであり、且つ、該光学的に湾曲した素子（１０）がｘ線の二地点間集束を与えるものであることを特徴とする請求項３記載の光学的に湾曲した素子（１０）。
5. 該二重に湾曲した光学表面（１６）が放物線状のプロフィルを含むものであり、且つ、該光学的に湾曲した素子（１０）が点の線源からのｘ線を平行化させるものであることを特徴とする請求項３記載の光学的に湾曲した素子（１０）。
6. 該二重に湾曲した光学表面（１６）が球状のプロフィルを含むものであり、且つ、該光学的に湾曲した素子（１０）がｘ線を結像させるものである、請求項３記載の光学的に湾曲した素子（１０）。
7. 該二重に湾曲した光学表面（１６）が、二地点間で集束させること、点の線源からの発散性ｘ線ビームを平行化ビームにすること、点の線源からのｘ線ビームを異なる発散角を持つｘ線ビームにすること、又はｘ線を結像させることの少なくとも一つに適応したプロフィルを持つものであることを特徴とする請求項３記載の光学的に湾曲した素子（１０）。
8. 該光学的に湾曲した素子（１０）がＳｉＧｅ結晶を含むものであり、且つ、該変化する間隔ｄにより隔てられた該少なくとも一部湾曲した原子面（１４）中の珪素／ゲルマニウム比が該光学的に湾曲した素子（１０）を横切って変化するものであることを特徴とする請求項１記載の光学的に湾曲した素子（１０）。
9. 該光学的に湾曲した素子（１０）が少なくとも第一の結晶片（１８）及び第二の結晶片（２０）を含むものであり、結晶片のそれぞれが該複数の湾曲した原子面（１４）及びその上に配置された該光学表面（１６）を含むものであることを特徴とする請求項１記載の光学的に湾曲した素子（１０）。
10. 該第一の結晶片（１８）と該第二の結晶片（２０）が該光学的に湾曲した素子（１０）の中心軸の回りに対称的に配置されるものである、請求項９記載の光学的に湾曲した素子（１０）。
11. 該第一の結晶片（１８）が第一の球状光学部品を含み且つ第二の結晶片（２０）が第二の球状光学部品を含むものであり、該第一の球状光学部品及び第二の球状光学部品がシュワルツシルト光学部品のように配置されるものであり、且つ、該光学的に湾曲した素子（１０）が発散性の線源からのｘ線の縮小を与えるものである、請求項９記載の光学的に湾曲した素子（１０）。
12. 該間隔ｄが、該光学表面（１６）を横切って配置される複数の点のそれぞれの上でブラッグ角で該光学表面（１６）に衝突する発散性線源からのｘ線の入射角に適合するように、二つの次元で変化するものであることを特徴とする請求項１記載の光学的に湾曲した素子（１０）。
13. 該複数の点が該光学表面（１６）を横切って放射状分布で配置されるものであることを特徴とする請求項１２記載の光学的に湾曲した素子（１０）。

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