JP2009238600A

JP2009238600A - Ｘ線管用磁気シールド板

Info

Publication number: JP2009238600A
Application number: JP2008083641A
Authority: JP
Inventors: Kohei Shirota; 畊平代田; Toru Koyama; 小山　　徹; Hiromi Kai; 廣海甲斐
Original assignee: Tohken Co Ltd
Current assignee: Tohken Co Ltd
Priority date: 2008-03-27
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2009-10-15

Abstract

【課題】Ｘ線管において、試料の位置に漏洩するＸ線管の磁界型電子レンズによる磁界をレンズ性能に殆ど影響することなく遮蔽すると共に、試料が非磁性体である場合には磁界型電子レンズによる磁界を遮蔽せずに、試料を透過するＸ線を観察したときに最大限の高倍率が得られるようにすることのできるＸ線管用磁気シールド板を提供する。
【解決手段】磁界型の対物レンズによって電子線を集束させて、Ｘ線ターゲットに照射することにより発生するＸ線を試料に照射するＸ線管の前記Ｘ線ターゲットと前記試料の間に設置される、磁性体から成るＸ線管用磁気シールド板であって、Ｘ線を通すための孔を有し、Ｘ線管に対して着脱可能になっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、Ｘ線ターゲットに電子線を集束させて照射することにより発生するＸ線を試料に照射するＸ線管の対物レンズや集束レンズ等の磁界型電子レンズによって発生する磁界を遮蔽するためのＸ線管用磁気シールド板に関する。

Ｘ線顕微装置は、Ｘ線管によって試料にＸ線を照射し、試料を透過したＸ線の画像を検出することによって、試料内部の微細な構造を非破壊で透視検査する装置である。図５は、従来の一般的なＸ線顕微装置の構成例を示している。Ｘ線顕微装置２１は、電子線Ｒｅを発する電子銃１と、電子線Ｒｅを集束させるための磁界型電子レンズである集束レンズ２及び対物レンズ３と、電子線Ｒｅが集束することによってＸ線Ｒｘを発生させるＸ線ターゲット６と、Ｘ線Ｒｘが照射される被検査体としての試料７と、試料７を透過したＸ線Ｒｘを検出するＸ線画像検出器８とを具備している。対物レンズ３の周りには強いレンズ磁界を発生させるために、磁束の通路であるヨークの切れ端部となるポールピース（磁極片）上極４とポールピース下極５が設けられている。なお、集束レンズ２、対物レンズ３及びポールピース上極４とポールピース下極５は、電子線Ｒｅの光軸Ｙに関して回転対称となる形状をしている。

Ｘ線顕微装置２１において、電子銃１から発せられた電子線Ｒｅは、集束レンズ２及び対物レンズ３によってＸ線ターゲット６上に電子線プローブとして集束し、Ｘ線ターゲット６に集束した電子線Ｒｅが当たることによってＸ線Ｒｘが発生する。Ｘ線Ｒｘは試料７に照射され、試料７を透過したＸ線ＲｘはＸ線画像検出器８によって画像として検出され、試料７の内部が拡大投影されることによって、試料７内部の微細構造を非破壊で透視検査する。

Ｘ線画像検出器８で検出されるＸ線像の分解能は、電子線ＲｅがＸ線ターゲット６上に集束する際に形成される電子線プローブの径に大きく依存している。高分解能Ｘ線顕微装置では、電子線プローブのプローブ径（直径）ｄをできる限り小さく絞る必要がある。図６に、電子線Ｒｅの電子線プローブのプローブ径ｄと集束角αを示す。

一方、Ｘ線像をリアルタイムで観察する場合には、明るい像を得る必要があり、そのためには電子線Ｒｅのプローブ電流ｉｏをできる限り大きくする必要がある。プローブ電流ｉｏと、電子線Ｒｅの電子源平均輝度Ｒ、集束角α及びプローブ径ｄとの関係は下記数１で与えられる。
（数１）
ｉｏ＝Ｒ・π・α^２・π・（ｄ／２）^２
数１よりプローブ電流ｉｏは、プローブ径ｄ及び集束角αの自乗に比例する。したがって、プローブ径ｄを小さくするとプローブ電流ｉｏは小さくなるので、Ｘ線像を明るくするためには、集束角αをできる限り大きくする必要がある。

しかし、集束角αを大きくすると、収差（主として光軸上の球面収差）によってＸ線ターゲット６上の電子線Ｒｅは大きく広がる。この広がりは、電子レンズの球面収差係数をＣｓとするとＣｓα^３で与えられるため、広がりを小さくするためにはできるだけ球面収差係数Ｃｓを小さくする必要がある。球面収差係数Ｃｓは、通常Ｘ線顕微装置２１の磁界型の電子レンズの磁界（レンズ）中心からＸ線ターゲット６までの距離の略３〜４乗に比例する。したがって、球面収差係数Ｃｓを小さくするために、Ｘ線ターゲット６の位置をできる限り磁界中心に近づける必要がある。

一方、高分解能で観察を行う際には、試料７をＸ線ターゲット６に近づけて観察しないと、分解能に見合った高倍率を得ることはできない。しかし、Ｘ線ターゲット６を磁極の内部に置いた場合、試料７が極く小さい場合を除いて、試料７をＸ線ターゲット６に近づけることはできない。したがって、Ｘ線ターゲット６の位置は必然的に磁極の外部で、できる限り磁界中心に近い位置となる。このようにした場合、Ｘ線顕微装置２１のポールピース上極４とポールピース下極５、Ｘ線ターゲット６及び試料７の位置関係と、光軸Ｙ上の磁界Ｂｚの分布例は図７に示される。

電子レンズによる励磁をかなり強くする必要があるので、図７に示されるように電子レンズによる軸上磁界Ｂｚは、Ｘ線ターゲット６を超えて試料７の位置まで０．１〜０．３テスラ、或いはこれ以上の強さで食み出すようになる。このような状態でも試料７が非磁性体であれば、試料７がレンズの磁界を乱すことはなく、電子レンズの性能に影響が出ることはないので問題はない。しかし、試料７が磁性体である場合は、試料７によって電子レンズの磁界が乱され電子レンズの性能を悪化させる。更に、試料７が強い磁界によって引っ張られ、試料７が破壊されたり、Ｘ線ターゲット６を損傷したりする恐れがある。このため、安定した観察が困難である。

このような電子レンズによって生成される磁界を遮蔽するようにした従来技術として、特開平１０−１０６４６６号公報（特許文献１）には、スピンＳＥＭにおいて漏洩磁界を遮蔽するようにした磁界形対物電子レンズが開示されている。この磁界形対物電子レンズでは、磁界を形成するコイルによって励磁される下部磁極片に、非磁性体又は磁性体から成るスペーサを介して磁気シールドを固定している。磁気シールドは直径ｄの電子線通過孔を有し、この直径ｄは下部磁極片の磁極の直径より小さくなっている。このようにして、磁界形対物レンズから試料側に漏洩する磁界の大きさが地磁気より小さくなるようにしている。

また、特開平２−１８１３５０号公報（特許文献２）には、対物レンズからの漏洩磁界を遮蔽するために、磁気シールド部材を設けた透過形電子顕微鏡が開示されている。この透過型電子顕微鏡に備えられたトップエントリステージには、試料ホルダが着脱可能になっており、試料ホルダに磁気シールドを固定している。試料の磁区観察を行う際には、磁気シールドを固定した試料ホルダに試料を設けて観察を行い、高分解能観察を行う際には、トップエントリステージから試料ホルダを取り外し、別の位置に試料を設定できるようにしている。

更に、特開平６−２８３１２８号公報（特許文献３）には、着脱可能な磁界シールドを備えて、収束レンズ、対物レンズなどからの漏洩磁界の影響を事実上全く受けないようにした第一試料室と、対物レンズ内に備えて、高い拡大率の像を結像でき、高分解能な投射像の得ることができる第二試料室を具備した電子顕微鏡が開示されている。
特開平１０−１０６４６６号公報特開平２−１８１３５０号公報特開平６−２８３１２８号公報

上述の特許文献１乃至３は、いずれも電子顕微鏡において電子レンズによる磁界を遮蔽して試料を観察するようにしたものであるが、弱い磁界（例えば０．００１〜０．０１テスラ）を高度に遮蔽しようとするものであり、対象とする磁界の強さは電子レンズの性能には全く関係しない小さなレベルである。また、Ｘ線ターゲットを備えたＸ線顕微装置のようなＸ線管において電子レンズによる磁界を遮蔽して試料を観察するものではない。

本発明は上述のような事情によりなされたものであり、本発明の目的は、Ｘ線管において、試料の位置に漏洩するＸ線管の磁界型電子レンズによる磁界をレンズ性能に殆ど影響することなく遮蔽すると共に、試料が非磁性体である場合には磁界型電子レンズによる磁界を遮蔽せずに、試料を透過するＸ線を観察したときに最大限の高倍率が得られるようにすることのできるＸ線管用磁気シールド板を提供することにある。

本発明は、磁界型の対物レンズによって電子線を集束させて、Ｘ線ターゲットに照射することにより発生するＸ線を試料に照射するＸ線管の前記Ｘ線ターゲットと前記試料の間に設置される、磁性体から成るＸ線管用磁気シールド板に関し、本発明の上記目的は、前記Ｘ線を通すための孔を有し、前記Ｘ線管に対して着脱可能になっていることによって達成される。

本発明の上記目的は、前記Ｘ線管用磁気シールド板と前記対物レンズのポールピース下極との間に間隙を設けて、前記Ｘ線管用磁気シールド板を前記対物レンズの磁気回路から切り離すようにしたことによって、或いは前記間隙が０．３ｍｍ〜２ｍｍであることによって、或いは前記Ｘ線管用磁気シールド板の厚さが２ｍｍ以下であることによって、或いは前記Ｘ線管用磁気シールド板は円盤であることによって、或いは前記円盤の直径が前記Ｘ線管の対物レンズのポールピース下極の穴の直径の０．５倍〜１．５倍であることによって、或いは前記円盤の一部に切り欠きが設けられていることによって、或いは前記孔は、断面が前記Ｘ線の進行方向に大きくなっていく円錐台形状をしていることによって、より効果的に達成される。

本発明に係るＸ線管用磁気シールド板によれば、Ｘ線ターゲットと試料の間に磁性体で成り、Ｘ線を通すための孔を有するＸ線管用磁気シールド板を着脱可能に設置するので、試料が磁性体の場合には、Ｘ線管の磁界型電子レンズによって試料の位置に漏洩する磁界をレンズ性能に殆ど影響することなく遮蔽し、磁界擾乱による磁界型電子レンズの性能の低下を防止し、磁力による試料の移動及び試料の破壊を防止すると共に、磁力によって試料がＸ線ターゲットと衝突してＸ線ターゲットが破損するのを防止することができる。更に、試料が非磁性体の場合には、試料を透過するＸ線を観察する際にＸ線管用磁気シールド板を取り外し、最大限の高倍率が得られるように試料とＸ線ターゲットの距離を小さくすることができるので、透過Ｘ線を高分解能で観察するのに適している。また、Ｘ線管用磁気シールド板はＸ線ターゲットの外側に設置されるため、電子線をＸ線ターゲットに集束するための磁界には殆ど影響を与えることなく、試料の位置における漏洩磁界を遮蔽することができる。

なお、Ｘ線管用磁気シールド板と対物レンズのポールピース下極との間隙を０．３ｍｍ〜２ｍｍにして、Ｘ線管用磁気シールド板の厚さを２ｍｍ以下とし、Ｘ線管用磁気シールド板を直径が対物レンズの穴径の０．５〜１．５倍の円盤とすることによって、より効果的にＸ線管の電子レンズによる漏洩磁界をレンズ性能への影響を更に押さえて遮蔽することができると共に、試料の透過Ｘ線を観察する際に充分な高倍率を得ることができる。

更に、Ｘ線管用磁気シールド板は、Ｘ線を試料に照射することによって発生する蛍光Ｘ線分析を行うときに、Ｘ線の照射領域を制限するための絞りとしても機能し、試料の分析領域を限定することもできる。

本発明に係るＸ線管用磁気シールド板によれば、Ｘ線を発生するＸ線ターゲットと、Ｘ線ターゲットからのＸ線が照射される試料との間に、Ｘ線管から発生する磁界を遮蔽するために磁性体から成るＸ線管用磁気シールド板を設置する。Ｘ線管用磁気シールド板はＸ線ターゲットからのＸ線を通すための孔を有する。また、Ｘ線管用磁気シールド板はＸ線管から着脱可能となっており、試料が非磁性体の場合には取り外せるようになっている。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係るＸ線管用磁気シールド板９を設置したＸ線顕微装置２０の構成例を示す断面構成図である。図１に示されるように、Ｘ線管用磁気シールド板９は、Ｘ線Ｒｘを発生するＸ線ターゲット６とＸ線Ｒｘが照射される試料７との間に着脱可能に設置され、Ｘ線Ｒｘを通すための孔９Ａを有している。また、Ｘ線管用磁気シールド板９は円盤であり、Ｘ線顕微装置２０の磁界型電子レンズである集束レンズ２及び対物レンズ３から発生する磁界を試料７の位置で遮蔽するために、鉄、パーマロイ等の磁性体でできている。Ｘ線管用磁気シールド板９が設置されていることを除いてＸ線顕微装置２０の構成は図５に示されるＸ線顕微装置２１と同じであるが、本発明に係るＸ線管用磁気シールド板９を設けることが可能なＸ線管の構成は、図１に示されるＸ線顕微装置２０の構成に限定されるものではない。

図１に示されるＸ線顕微装置２０において、試料７の位置に集束レンズ２及び対物レンズ３のＸ線顕微装置２０の磁界型電子レンズによって発生する磁界は、Ｘ線管用磁気シールド板９によって遮蔽される。また、Ｘ線ターゲット６から発生したＸ線は、Ｘ線管用磁気シールド板９の孔９Ａを通って試料７に照射されるため、Ｘ線管用磁気シールド板９の孔９Ａによって試料７に照射されるＸ線Ｒｘを制限することもできる。これを利用して、蛍光Ｘ線分析を行うときに試料７にＸ線が照射される分析領域を限定することができる。

図２は、Ｘ線管用磁気シールド板９の位置と寸法、及びＸ線管用磁気シールド板９を設置した場合の光軸Ｙに沿った軸上磁界Ｂｚの分布例を示す図である。図２に示されるように、Ｘ線管用磁気シールド板９とポールピース下極５の間に間隙ｓを設けることによって、Ｘ線管用磁気シールド板９を対物レンズ３の磁気回路から浮かせるようにしている。間隙ｓを大きくとると、漏洩磁界の遮蔽効果を大きくでき、レンズ性能への影響を更に小さくできるが、Ｘ線ターゲット６と試料７の距離を小さくできないため、試料７の透過Ｘ線を観察する際に充分な高倍率が得られなくなる。一方、間隙ｓが小さ過ぎると、Ｘ線管用磁気シールド板９が対物レンズ３の磁気回路に組み込まれてしまい、漏洩磁界の遮蔽効果が小さくなり、レンズ性能への影響も大きくなってしまう。試料７の透過Ｘ線を観察する際に適度な高倍率が得られると共に、Ｘ線管用磁気シールド板９による磁界遮蔽効果を充分に得て、更にレンズ性能への影響を小さくするためには、間隙ｓを０．３ｍｍ〜２ｍｍにすることが好ましい。

また、Ｘ線管用磁気シールド板９の直径ｄ１は、漏洩磁界の遮蔽をレンズ性能への影響をより小さく押さえて効果的に行うために、対物レンズ３のポールピース下極５の穴径ｂの０．５倍〜１．５倍であることが好ましい。Ｘ線管用磁気シールド板９の厚さｔは、大きい方が磁界遮蔽効果が大きくなる。しかし、Ｘ線管用磁気シールド板９の厚さｔを大きくすると、Ｘ線ターゲット６と試料７の間の距離を小さくできないため、試料７を透過するＸ線を観察する際に高倍率が得られなくなってしまう。このため、Ｘ線管用磁気シールド板９の厚さｔは２ｍｍ以下とすることが好ましい。

Ｘ線管用磁気シールド板９の孔９Ａの直径ｄ２は、小さい方がＸ線顕微装置２０の電子レンズから発生する磁界の遮蔽効果が大きい。例えば、孔９Ａの直径ｄ２が２ｍｍでも磁界の遮蔽効果はかなり大きいが、孔９Ａの直径ｄ２を１ｍｍとすると、磁界の遮蔽効果は孔９Ａの直径ｄ２を２ｍｍとした場合の２倍程度になる。一方、孔９Ａの直径ｄ２が小さいと、Ｘ線管用磁気シールド板９の心出しが難しくなる。これはＸ線ターゲット６上で、電子線Ｒｅが正確にＸ線ターゲット６の中心にある保証がないからである。

図２の実線で示される曲線はＸ線管用磁気シールド板９を設置した場合の軸上磁界Ｂｚの分布例であり、破線で示される曲線はＸ線管用磁気シールド板９を設置しなかった場合の軸上磁界Ｂｚの分布例である。図２に示されるように、Ｘ線管用磁気シールド板９を設置することによって、Ｘ線ターゲット６の下側で磁界が小さくなっている。一方、電子線Ｒｅを集束させるためのＸ線ターゲット６より上側の磁界には殆ど影響がなく、レンズ性能には殆ど影響はない。したがって、Ｘ線管用磁気シールド板９を設置しても、Ｘ線ターゲット６に電子線Ｒｅの電子線プローブを集束させるために作用する磁界にはほとんど影響を与えず、Ｘ線ターゲット６より外側に漏洩する磁界を遮蔽するだけである。そのため、Ｘ線管用磁気シールド板９は、電子線Ｒｅの電子線プローブに対する対物レンズ性能である収差、焦点距離にはほとんど影響しない。また、Ｘ線管用磁気シールド板９の位置の調節に関しては高度な機械的精度を必要としない。よって、本発明に係るＸ線管用磁気シールド板９による漏洩磁界の遮蔽方法は、試料７の透過Ｘ線像によって内部構造を高分解能で観察するのに適している。

試料７が磁性体の場合、Ｘ線管用磁気シールド板９を設置することによって、試料７による磁界擾乱によってＸ線顕微装置２０の電子レンズの性能の低下、磁力による試料７の移動及び試料７の破壊を防止できる。また、Ｘ線ターゲット６は、薄いベリリウム板材にタングステン等の重金属を蒸着させたものであり、真空シールも兼ねている。このＸ線ターゲット６に、磁力によって試料７が引っ張られて試料７がＸ線ターゲット６に衝突すると、Ｘ線ターゲット６は容易に破壊されてしまう恐れがある。Ｘ線管用磁気シールド板９を設置することは、磁性体の試料７がＸ線ターゲット６に衝突しないようにするための、プロテクタとしての効果もある。

試料７が磁性体の場合に、試料７の透過Ｘ線をできる限り高倍率で観察するためには、漏洩磁界の大きさが許容値以下になる位置で、できる限り試料７をＸ線ターゲット６に近づける必要がある。また、Ｘ線管用磁気シールド板９の位置の調節に関しては高度な機械的精度を必要としないので、Ｘ線管用磁気シールド板９は着脱可能になっている。そのため、試料７が非磁性体の場合にはＸ線管用磁気シールド板９を取り外すことによって、試料７をＸ線ターゲット６にできる限り近づけることが可能となって、試料７の透過Ｘ線を最大限の高倍率で観察することができる。

試料７の透過Ｘ線を観察する際に、試料７を大きく傾けて多方位から透過Ｘ線を観察する３次元観察を行う場合がある。Ｘ線顕微装置の場合、試料７をＸ線ターゲット６との距離をできるだけ小さくするため、試料７のみを傾斜することは困難である。そこで図３に示されるように、Ｘ線ターゲット６からＸ線Ｒｘを発生させる電子光学系と試料７を共に大きく傾けて３次元観察を行う。または、試料７に対向するＸ線画像検出器８の向きを、Ｘ線ターゲット６上のＸ線発生位置を回転中心にして大きく振ることによって３次元観察を行う。図３（ａ）では電子線Ｒｅの光軸Ｙと同じ方向に試料７を透過するＸ線ＲｘをＸ線画像検出器８で画像として検出するようになっており、図３（ｂ）及び図３（ｃ）では電子線Ｒｅの光軸Ｙに対して傾いた方向に試料７を透過するＸ線ＲｘをＸ線画像検出器８で画像として検出するようになっている。

このような３次元観察を行う場合には、Ｘ線管用磁気シールド板９の孔９Ａは、電子線Ｒｅの光軸Ｙに対して傾いた方向に照射されたＸ線Ｒｘも通すようにする必要がある。そのため、図４に示されるように、Ｘ線管用磁気シールド板９の孔９Ａを断面がＸ線Ｒｘの進行方向に大きくなる円錐台形状にする必要がある。この場合も孔９Ａの直径ｄ２が小さい方が漏洩磁界の遮蔽効果が大きくなるので、このことを考慮に入れて孔９Ａの直径ｄ２を調節する必要がある。

以上の本発明の実施形態では、Ｘ線管用磁気シールド板９を円盤としたが、本発明に係るＸ線管用磁気シールド板は円盤に限定されない。例えば、Ｘ線管用磁気シールド板は、円盤の一部に切り欠きを設けたような円盤に準ずるものであっても良い。また、Ｘ線管用磁気シールド板の形状は、三角形、四角形又は不規則な形状であっても良い。

以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明に係るＸ線管用磁気シールド板を設置したＸ線顕微装置の断面構成図である。Ｘ線管用磁気シールド板の位置と寸法、及びＸ線管用磁気シールド板を設置した場合の光軸Ｙに沿った軸上磁界Ｂｚの分布を示す図である。Ｘ線顕微装置における３次元観察を説明する図である。円錐台形状の孔を有するＸ線管用磁気シールド板の断面図である。Ｘ線顕微装置の一般的な構成例を示す図である。電子線プローブのプローブ径と集束角を示す図である。従来のＸ線顕微装置における、光軸Ｙに沿った軸上磁界Ｂｚの分布を示す図である。

符号の説明

１電子銃
２集束レンズ
３対物レンズ
４ポールピース上極
５ポールピース下極
６Ｘ線ターゲット
７試料
８Ｘ線画像検出器
９Ｘ線管用磁気シールド板
２０、２１Ｘ線顕微装置

Claims

磁界型の対物レンズによって電子線を集束させて、Ｘ線ターゲットに照射することにより発生するＸ線を試料に照射するＸ線管の前記Ｘ線ターゲットと前記試料の間に設置される、磁性体から成るＸ線管用磁気シールド板であって、前記Ｘ線を通すための孔を有し、前記Ｘ線管に対して着脱可能になっていることを特徴とするＸ線管用磁気シールド板。
前記Ｘ線管用磁気シールド板と前記対物レンズのポールピース下極との間に間隙を設けて、前記Ｘ線管用磁気シールド板を前記対物レンズの磁気回路から切り離すようにした請求項１に記載のＸ線管用磁気シールド板。
前記間隙が０．３ｍｍ〜２ｍｍである請求項２に記載のＸ線管用磁気シールド板。
前記Ｘ線管用磁気シールド板の厚さが２ｍｍ以下である請求項１乃至３のいずれかに記載のＸ線管用磁気シールド板。
前記Ｘ線管用磁気シールド板は円盤である請求項１乃至４のいずれかに記載のＸ線管用磁気シールド板。
前記円盤の直径が前記Ｘ線管の対物レンズのポールピース下極の穴の直径の０．５倍〜１．５倍である請求項５に記載のＸ線管用磁気シールド板。
前記円盤の一部に切り欠きが設けられている請求項５又は６に記載のＸ線管用磁気シールド板。
前記孔は、断面が前記Ｘ線の進行方向に大きくなっていく円錐台形状をしている請求項１乃至７のいずれかに記載のＸ線管用磁気シールド板。