JP2007093316A - 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の外側に多層膜フレネルゾーンプレートによるＸ線レンズ（ＦＺＰ）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小径のＦＺＰ３に導入し、ＦＺＰ３によりＸ線の集束径をさらに絞る。これにより、ごく狭い領域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の中心軸）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、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完全に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焦点サイズを小さく絞ることができるＸ線集束装置を提供することである。

上述したようにマルチキャピラリＸ線レンズはＸ線を効率良く収集して、或る程度の径に絞るのには非常に有効な素子である。そこで、本願発明者はこうしたマルチキャピラリＸ線レンズの特性を利用し、特にＸ線の絞り特性に優れるフレネルゾーンプレート（ＦＺＰ）とマルチキャピラリＸ線レンズとを組み合わせることに想到した。

即ち、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たフレネルゾーンプレートによる集光レンズと、を備えることを特徴としている。

周知のようにフレネルゾーンプレートはニュートンリングの回折及び干渉を利用したレンズであり、加工精度を高めることで絞り径を非常に小さくすることができる反面、それ自体を大きなサイズとすることが難しく光（Ｘ線）を取り込む立体角が小さいという特性を持つ。しかしながら、上述したようにマルチキャピラリＸ線レンズでは、ごく小径にＸ線を絞ることは難しくても、フレネルゾーンプレートのサイズ（例えば１ｍｍ程度以下）以下にＸ線を絞ることは容易であるので、上記のようなフレネルゾーンプレートの欠点は問題とならない。即ち、マルチキャピラリＸ線レンズとフレネルゾーンプレートとの組み合わせは、両者のそれぞれの長所を活かし、逆に欠点をそれぞれが補い合う優れた組み合わせである。

したがって本発明に係るＸ線集束装置によれば、例えばＸ線源から出射されたＸ線を効率良く収集することでＸ線強度を高め、それをごく微小な領域に集中的に照射することができる。それにより、例えば同じＸ線源を用いてもＸ線照射領域における単位面積当たりのＸ線強度を従来に比べてかなり大きくすることができ、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はフレネルゾーンプレートの一例である多層膜フレネルゾーンプレート単体による集光動作を示す光路構成図、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、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であり、他方の端部が平行端２ｂである点／平行型のマルチキャピラリＸ線レンズ（本発明における細管集合体）２の集束端２ａの外側に、多層膜フレネルゾーンプレートによるＸ線レンズ（以下、ＦＺＰレンズと呼ぶ）３が配置された構成を有している。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ＦＺＰレンズ３の光軸とが一致するように、両者は配置されている。例えばＦＺＰレンズ３は外径が１ｍｍであり、マルチキャピラリＸ線レンズ２はその集束端２ａの集光径が１ｍｍ未満となる構成を有したものである。マルチキャピラリＸ線レンズ２において、この程度のサイズに集光径を絞ることは非常に容易である。

ＦＺＰレンズ３は、周知のように、その中心の光軸の周囲に、Ｘ線を通過させる物質と遮断する物質とを交互に同心円状に配した透過型の回折格子の一種であり、図２に示すように、平行に（（ａ）参照）、集束しながら（（ｂ）参照）、或いは拡がりながら（（ｃ）参照）入射したＸ線をそれぞれ或る１点Ｆに集光する作用を有する。焦点のサイズや焦点距離はＦＺＰレンズ３を構成する物質の種類や輪帯パターンの間隔などに依存して任意に決めることができるが、通過するＸ線の波長にも依存するため、使用するＸ線の波長帯域を考慮して適切に定めればよい。

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の例えば平行端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線は全体として集束して小径のＦＺＰレンズ３に当たる。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、こうして拡がろうとするＸ線は、図３に示すようにＦＺＰレンズ３を通過する際に集束されるため、各キャピラリから出たＸ線はほぼ１点とみなし得るようなごく微小な領域４を通過することとなる。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の外側にフレネルゾーンプレートを配置しない、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。一方、フレネルゾーンプレート単体では図中のＢに示すように、照射Ｘ線の拡がりは非常に小さくすることができるが、光の取り込みが少ないので照射全Ｘ線光量子数は少ない。

これに対し、本発明のようにマルチキャピラリＸ線レンズとフレネルゾーンプレートとを組み合わせた構成では、効率良く収集したＸ線を小さく絞って照射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小径のＦＺＰレンズ３に無駄なく導入し、ＦＺＰレンズ３によりＸ線をさらに絞って例えば検査対象物１１上のごく微小な領域４に照射することができる。Ｘ線はＦＺＰレンズ３を通過する際にその一部が吸収されたり散乱されたりして減衰するが、その減衰の程度はＸ線の絞りの程度に比較すれば小さく、実質的に無視できる程度である。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。 多層膜フレネルゾーンプレート単体による集光動作を示す光路構成図。 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…平行端
３…多層膜フレネルゾーンプレート（ＦＺＰ）Ｘ線レンズ

Claims (1)

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たフレネルゾーンプレートによる集光レンズと、
   を備えることを特徴とするＸ線集束装置。
   
   

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