JP2007093315A - Ｘ線集束装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 マルチキャピラリＸ線レンズの集束端における焦点ボケを改善して試料上の微小領域に高い強度のＸ線を照射できるようにする。
【解決手段】 マルチキャピラリＸ線レンズ（ＭＣＸ）２の出口側の集束端２ａの外側に切頭円錐形状の内面が鏡面仕上げされた絞り部材３を配置し、ＭＣＸ２によりＸ線源から出たＸ線を効率良く収集して或る程度径を絞って絞り部材３に導入し、絞り部材３の内面でＸ線を全反射させつつ集束径をさらに絞る。これにより、狭い領域４にＸ線を集中させることができる。
【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。こうしたマルチキャピラリＸ線レンズを用いれば、例えばシンクロトロン放射光（ＳＲ光）のような強力なＸ線源を用いなくても、Ｘ線源により発生した励起用のＸ線を効率的に収集してその照射面積を絞って試料に照射することができる。

上述したようにマルチキャピラリＸ線レンズはＸ線を高い効率で収集し案内することができるものの、こうして集めたＸ線を照射する面積を小さく絞るという点では必ずしも十分な性能が得られない。その大きな理由は、マルチキャピラリＸ線レンズでは原理的な焦点ボケが生じることによる。即ち、図８に示すように、Ｘ線は１本のキャピラリ２２の内壁面を全反射しながら進行するが、その反射角の最大は臨界角である。そのため、キャピラリ２２からＸ線が出射する際に、光軸（キャピラリ２２の中心線）Ｓに対し臨界角θの開き角度を有してＸ線が拡がる可能性がある。その結果、図９に示すように、点／平行型マルチキャピラリＸ線レンズ２１の点焦点側の端面から出射したＸ線の照射領域は、理想的な点とはならず、或る程度のサイズを持つ領域２３となってしまう。

また、上記のようなキャピラリを出た後の光の拡がりがないものとして各キャピラリの光軸のみを考えた場合でも、マルチキャピラリＸ線レンズの製造上の限界により、膨大な数のキャピラリの全ての光軸を１点に収束させることは実際に不可能であるから、そうした要因による焦点ボケも存在する。このように理論上回避できない要因と製造の限界による要因との両方によって、従来のマルチキャピラリＸ線レンズでの最小焦点サイズはせいぜい２０〜３０μｍ程度が限界であり、これより焦点サイズを小さくすることは困難であった。

特公平７−１１６００号公報 特公平７−４００８０号公報

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、Ｘ線を効率良く収集するのみならず、Ｘ線強度を大きく減衰させることなく照射領域のサイズを小さくすることができる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本発明に係るＸ線集束装置は、
多数の束ねられたＸ線案内用の細管から成り、少なくとも一方の端面がその外方において微小領域にＸ線を集中的に照射する集束端となっている細管集合体と、
該細管集合体の集束端の外側に配置され、その集束端の端面から出射したＸ線のうち、各細管の中心線より外方に拡がるＸ線の一部を内方に折り返す又は遮蔽する絞り手段と、
を備えることを特徴としている。

本発明に係るＸ線集束装置では、例えばＸ線源から出射されたＸ線は上記細管集合体の上記集束端とは反対側の端面から各細管内に導入され、各細管内部を全反射しながら集束端に向かって進行して、Ｘ線密度が高められた状態で集束端から出射する。上述したように細管集合体の理論上の限界や製造上のばらつき等により一部のＸ線は各細管の中心線より外方に拡がるが、こうしたＸ線は絞り手段により内方に折り返されるか、或いは遮蔽（例えば吸収）される。したがって、いずれの場合でも、こうした絞り手段を設けない場合に比べてＸ線の照射領域のサイズを小さくし、そこにＸ線を集中的に照射することができる。それによって、例えばその微小領域に存在する物質とＸ線との相互作用（透過、反射、吸収等）による情報を得る際の空間分解能を向上させることができる。

また本発明の好ましい一態様として、前記絞り手段は切頭円錐形状の内面を有する絞り部材であり、該部材の底面側開口端面が前記細管集合体の集束端の端面に面して配置されてなる構成とするとよい。さらに、前記絞り部材の内面を鏡面仕上げされたものとすれば一層好ましい。

この構成によれば、絞り部材に入射したＸ線の一部は鏡面仕上げされた内面に当たって反射しながら進み、内面に当たらずに進行したＸ線とともに絞り部材の先端側開口端面か出射する。これにより、絞り部材を通過する際にＸ線の強度があまり低下せずに済むので、Ｘ線照射領域における単位面積当たりのＸ線強度を大きくすることができる。それによって、その微小領域に存在する物質とＸ線との相互作用（透過、反射、吸収等）による情報を高い感度及び精度で検出することができるようになる。或いは、その分だけＸ線源のＸ線強度を下げることができ、小型で低価格のＸ線源の利用が可能となる。

以下、本発明に係るＸ線集束装置の一実施例について、図１〜図５を参照しながら説明する。

図１は本実施例のＸ線集束装置の要部の構成図、図２は図１中の絞り部材の斜視図、図３は図１中の集束端付近の光路構成図、図４は本実施例の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、図５は本実施例のＸ線集束装置の効果を説明するための図である。

図４に示すように、本実施例のＸ線集束装置１を用いたＸ線検査装置では、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Ｘ線集束装置１が設置され、Ｘ線源１２から出射した一次Ｘ線はこのＸ線集束装置１により検査対象物１１に効率良く且つごく小径に絞って照射される。これに応じて検査対象物１１から放出された二次Ｘ線はＸ線検出器１３により検出され、その検出信号に応じて検査対象物１１上のＸ線照射部位の情報（例えば画像）が得られる。もちろん、検出側にも点／点型マルチキャピラリＸ線レンズなどを設けてもよい。

図１に示すように、この実施例によるＸ線集束装置１は、少なくとも一方の端部が各キャピラリから出射した後の光の拡がりを考慮しない場合に１点とみなし得る点焦点を有する集束端２ａとなっているマルチキャピラリＸ線レンズ（本発明における細管集合体）２のその集束端２ａの外側に、内面が切頭円錐形状である絞り部材（本発明における絞り手段に相当）３が近接して配置された構成を有している。この絞り部材３の内面は重金属を含む金属（例えば重金属としてクロム、ニッケル等を含むステンレスなど）から成り、その表面は鏡面仕上げされている。また、その絞り部材３の内面の円錐の角度は、マルチキャピラリＸ線レンズ２の集束端２ａ先端の外周側のキャピラリの延伸方向とほぼ平行になるように決められており、マルチキャピラリＸ線レンズ２の集束端２ａの光軸（多数のキャピラリの束の中心部に位置するキャピラリの光軸と考えることができる）と絞り部材３の中心軸３とが一致するように両者は配置されている。

本実施例のＸ線集束装置１の構成では、例えば図４に示すように、Ｘ線源１２から出射したＸ線はマルチキャピラリＸ線レンズ２の端部２ｂから各キャピラリに効率良く取り込まれ、各キャピラリの内部を全反射しながら集束端２ａに案内される。そして集束端２ａにおいて各キャピラリから出射されたＸ線はそのほぼ全てが絞り部材３の底面側開口端面を通してその内側に入射する。この際、詳細に見れば、理論的に、各キャピラリから出射するＸ線は図８に示したように光軸Ｓを中心として臨界角θが成す角度を示す線を回転させたような立体角の範囲に拡がる可能性がある。しかしながら、図３に示すように、外方に拡がろうとするＸ線は絞り部材３の鏡面仕上げされた内面に当たり反射される。

このときの全反射臨界角はＸ線の波長や鏡面の物質の種類などに依存するが、鏡面が重金属であると全反射臨界角が大きくなる。すると、鏡面に対し入射する各種Ｘ線のうち、全反射されるものが多くなる（逆に透過・吸収されるものは少なくなる）ので、それだけ絞り部材３の先端側開口端面に到達するＸ線の量が多くなり、Ｘ線の伝達効率が向上する。

上記のように絞り部材３の内面に当たったＸ線はその多くが全反射されながら、内面に当たらないＸ線とともに絞り部材３の先端側開口端面に向かって進み、先端側開口端面から出射する。絞り部材３の先端側開口端面から出射して来たＸ線は完全には１点には収束しないが、マルチキャピラリＸ線レンズ２の集束端の端面から出たＸ線のうち外方に拡がるＸ線は内方に折り返されるため、全体としてＸ線の照射領域４は絞り部材３がない場合（図９参照）に比べてかなり小さくなる。そして、絞り部材３内部でのＸ線の減衰は少ないので、狭い照射領域４に集中的にＸ線が当たることになり、単位面積当たりのＸ線強度が高くなる。もちろん、既述のように、理論的な焦点ボケだけでなくマルチキャピラリＸ線レンズの製造上の限界による焦点ボケの要因もあるが、その影響も同様に軽減されることになる。

上記のような作用・効果は図５により容易に理解できる。図５は横軸に照射Ｘ線の横への拡がり、縦軸にＸ線光量子数（つまりＸ線強度）をとったグラフであり、図中に示すようなカーブで囲まれる領域の面積が照射全Ｘ線光量子数を表す。即ち、マルチキャピラリＸ線レンズ２の集束端２ａの外側に絞り部材３を配置しない、つまり従来の構成では、図中のＡに示すようになり、既述の理由により照射Ｘ線をあまり絞ることができず照射Ｘ線の拡がりは相対的に大きい（最小でも２０〜３０μｍ程度）が、集束端２ａを出たＸ線は殆ど損失しないので多量のＸ線を照射することができる。

これに対し、上述したような絞り部材３の形状でその内面を鏡面にしていない部材をマルチキャピラリＸ線レンズ２の集束端２ａの外側に配置した場合には、図中のＢに示すようになり、従来に比べて照射Ｘ線を小さく絞ることができることが分かる。この場合には、絞り部材の内面に当たったＸ線が吸収或いは散乱して減じるので、照射全Ｘ線光量子数は少なくなるが、もともとのＸ線強度が大きい場合や高い感度を必要としない場合などの用途で、照射Ｘ線を絞ることが特に重要である用途には、十分に利用することができる。

さらに、上述したような絞り部材３の内面を鏡面にした場合には、その内面に当たったＸ線の多くも照射Ｘ線として利用することができるので、図中のＣに示すようになる。即ち、従来に比べて照射Ｘ線を小さく絞ることができるとともに照射全Ｘ線光量子数も多くなるので、高い空間分解能と高い感度とを両立させることができる。

即ち、本実施例のＸ線集束装置によれば、マルチキャピラリＸ線レンズ２によりＸ線を効率よく収集してその集光径を或る程度絞って絞り部材３に無駄なく導入し、絞り部材３によりＸ線をさらに絞って例えば検査対象物１１上のごく微小な照射領域４に照射することができる。このようにして、本実施例によるＸ線集束装置によれば、Ｘ線源で発生するＸ線の強度がそれほど大きくなくても、ごく微小な領域に高い強度のＸ線を照射することができる。

なお、上記実施例では、マルチキャピラリＸ線レンズ２の集束端２ａから出たＸ線の全てが絞り部材３に入射するように構成されていたが、実際には、マルチキャピラリＸ線レンズ２の外周側のキャピラリは内周側のキャピラリよりもＸ線の通過効率が悪くなる傾向にあるため、外周側のキャピラリから出射するＸ線の全て又は一部が絞り部材３に入射しない構成としても、全体としてＸ線強度の低下はそれほど問題とならない。

また、上記実施例では、切頭円錐形状の絞り部材３の内面でＸ線を反射させるようにしていたが、Ｘ線の照射領域のサイズを小さくするという点に着目すれば、絞り部材３の内面でＸ線を吸収してしまってもよい。その場合、上述したようにＸ線の強度は低下するもののＸ線の照射領域のサイズは小さくできる。また、絞り部材３の形状や材料などは上記記載のものに限らない。

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。

本発明の一実施例であるＸ線集束装置の要部の構成図。 図１中の絞り部材の斜視図。 図１中の集束端付近の光路構成図。 本実施例の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。 本実施例のＸ線集束装置の効果を説明するための図。 従来知られているマルチキャピラリＸ線レンズの形態例を示す図。 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。 従来のマルチキャピラリＸ線レンズの問題点を説明するための図。 従来のマルチキャピラリＸ線レンズの問題点を説明するための図。

符号の説明

１…Ｘ線集束装置
２…マルチキャピラリＸ線レンズ
２ａ…集束端
２ｂ…端部
３…絞り部材

Claims (3)

1. 多数の束ねられたＸ線案内用の細管から成り、少なくとも一方の端面がその外方において微小領域にＸ線を集中的に照射する集束端となっている細管集合体と、
   該細管集合体の集束端の外側に配置され、その集束端の端面から出射したＸ線のうち、各細管の中心線より外方に拡がるＸ線の一部を内方に折り返す又は遮蔽する絞り手段と、
   を備えることを特徴とするＸ線集束装置。
2. 前記絞り手段は切頭円錐形状の内面を有する絞り部材であり、該部材の底面側開口端面が前記細管集合体の集束端の端面に面して配置されてなることを特徴とする請求項１に記載のＸ線集束装置。
3. 前記絞り部材の内面は鏡面仕上げされたもの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。
   
   

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