JP2010032341A - Ｘ線分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ビームラインが短く、分解能が高く、且つ短時間で２次元領域の測定が可能な分析装置、特にＸＡＦＳ分析装置又は小角散乱Ｘ線分析装置を提供すること。
【解決手段】荷電粒子発生手段によって生成された荷電粒子を内部に周回させる荷電粒子周回手段（１）と、
周回する荷電粒子の周回軌道（１３）上に配置された横長ターゲット（１４）に、周回する荷電粒子を衝突させて発生したＸ線を分光して単色Ｘ線を発生させる分光手段（２）と、
分光手段（２）から出力される単色Ｘ線を測定対象の試料（４）に照射し、試料（４）から出力されるＸ線を測定する測定手段（３）とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、Ｘ線を用いた分析装置に関し、特にＸ線吸収微細構造（X-ray absorption fine structure：ＸＡＦＳ）分析装置及び小角散乱Ｘ線分析装置に関する。

Ｘ線を用いた分析装置として、Ｘ線吸収微細構造（以下、ＸＡＦＳと記す）分析装置、小角散乱Ｘ線分析装置が知られている。ＸＡＦＳ分析装置では、光源から放射されるＸ線を、分光器（結晶）を用いて分光し、分光されたＸ線を測定対象物に照射してＸ線の透過光を測定することによって、Ｘ線波長に依存する吸収波形を得る。Ｘ線光源には、強収束タイプのシンクロトロン（例えば、ＳＰｒｉｎｇ８）や、Ｘ線管が使用される。小角散乱Ｘ線分析装置では、Ｘ線を測定対象に照射し、Ｘ線の入射方向に対して微小角度を成す方向に散乱されるＸ線を観測する（例えば、下記特許文献１参照）。

一方、Ｘ線を発生する方法に関しては、種々の方法が知られている。その一つとして、電子ビームをターゲット（陽極）金属に当ててターゲット物質固有の特性Ｘ線を発生するＸ線管による方法がある。さらに、シンクロトロン放射を利用してＸ線を発生する方法、みらくる型放射光発生装置によるＸ線発生方法、加速器の高エネルギー電子ビームを用いたＸ線レーザーを発生する方法、パラメトリックＸ線を発生する方法などが知られている。みらくる型放射光発生装置は、放射光発生装置として、弱収束シンクロトロンを用いた小型の放射光発生装置である。下記特許文献２には、弱収束シンクロトロンを用いた小型の放射光発生装置の応用として、卓上型放射光治療診断装置が開示されている。
特開平８−１４５９１６号公報 特開２００５−２３７７３０号公報

しかし、ＳＰｒｉｎｇ８などの強収束型の放射光装置からの放射光を用いてＸＡＦＳを測定する場合、光源の大きさが約２０μｍと比較的大きい。従って、波長分解能（λ／Δλ：λは波長）として約５０００の値を実現するためには、ビームラインは、例えば約２０ｍと長くなってしまう。さらに、波長分解能を高くするには、より長いビームラインが必要となり、分光に必要な結晶が二枚もしくは四枚必要となる。また、Ｘ線波長を変えるためには、これらの結晶を走査することが必要であるので、精度の高い駆動機構が必要となり、測定時間が比較的長くなる。

また、Ｘ線管は発散角は大きいが、単色であるので、ＸＡＦＳ分析装置の光源には使用することができない。

また、Ｓｐｒｉｎｇ８などの強収束型の放射光装置からの放射光を用いて種々の波長で小角散乱を測定する場合にも、ＸＡＦＳの場合と同様に、光源が比較的大きく、発散角度が小さいので、分光のためにビームラインが長くなる。また、ある所定の面積領域に関して測定する場合、照射Ｘ線を走査することが必要となり、測定に時間がかかってしまう。

従って、本発明の目的は、ビームラインが短く、分解能が高く、且つ短時間で２次元領域の測定が可能な分析装置、特にＸＡＦＳ分析装置又は小角散乱Ｘ線分析装置を提供することにある。

本発明の目的は、以下の手段によって達成される。

即ち、本発明に係るＸ線分析装置は、荷電粒子を横長ターゲットに衝突させ、発生したＸ線を分光して利用するＸ線分析装置において、前記横長ターゲットに衝突する前記荷電粒子が、前記横長ターゲットの長手方向に広がった軌道を形成し、前記横長ターゲットから発生する前記長手方向に広がって分布するＸ線から単色Ｘ線を発生させることを特徴としている。

前記長手方向に広がる前記荷電粒子の軌道を形成する手段は、荷電粒子発生手段によって発生された荷電粒子を内部に周回させる荷電粒子周回手段であり、周回する前記荷電粒子の周回軌道面内に配置された線状の前記横長ターゲットに、周回する前記荷電粒子が衝突して発生するＸ線を分光する分光手段と、前記分光手段から出力されたＸ線を測定する測定手段とを備えることができる。

また、前記荷電粒子周回手段は、前記荷電粒子を、軌道面に対して垂直な方向に幅５ｍｍ以下、水平な方向に幅１ｍｍ以上６０ｍｍ以下にわたって円盤状に分布させる手段であることができる。

また、前記荷電粒子周回手段は、弱収束の電子周回装置であり、前記軌道面に垂直な方向の電子の収束力を、前記軌道面に平行な方向の電子の収束力よりも強くしてもよい。

また、前記横長ターゲットから放射されるＸ線を分光する手段は、円盤状の軌道面に対して平行な開口を持ち、分光されたＸ線が線状に分布して放射され、分光された前記Ｘ線のエネルギー分散が、前記円盤状の軌道面に対して垂直な方向に発生することができる。

また、前記分光手段は、平板もしくは湾曲形状の結晶で構成されていることができる。

また、前記ターゲットに入射する前記電子のエネルギーが３０ｋｅＶ以上２０ＭｅＶ以下であり、前記ターゲットの線径が１０μｍ以下で長さが１ｃｍ以上であることができる。

また、前記Ｘ線分析装置をＥＸＡＦＳ測定に使用する場合、前記横長ターゲットの長手方向に平行に、分析対象である同種または異種の複数の試料を配置することができる。

また、前記Ｘ線分析装置をＸ線反射率測定に使用する場合、線状に分布する分光された単色Ｘ線を、測定対象である横長試料の全面に照射することができる。

また、前記Ｘ線分析装置を散乱実験に使用する場合、前記横長ターゲットの長手方向に平行に、同種または異種の複数の試料を配置し、線状に分布するＸ線に対して直角方向の散乱を観測することができる。

本発明によれば、光源の大きさが比較的小さく、発散角度が比較的大きい白色光を生成することができる荷電粒子周回手段を使用するので、一枚もしくは二枚の比較的少ない分光用の結晶を用い、短いビームラインで、高い波長分解能のＸ線分析装置を実現することができる。

本願発明を、ＸＡＦＳ分析装置として実現すれば、高い波長分解能の測定が可能であり、測定を短時間で行える。発散角度が比較的大きいので、分光手段にて分光される波長範囲が広いために位置敏感型検出器を用いることによって、Ｘ線波長を走査することなく、短時間で測定が可能である。小角散乱Ｘ線分析装置として実現すれば、２次元領域の測定を短時間で行うことができる。両装置は、測定対象物質の時間的な変化を測定することも可能である。

同様に、本発明は、ＥＸＡＦＳ（Extended X-ray absorption fine structure）の測定に適用することや、小角散乱に限定されないＸ線反射率測定および散乱実験に適用することもでき、その場合にも上記と同様の効果を奏することができる。

以下、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態に関して詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係るＸ線分析装置、特にＸＡＦＳ分析装置の概略構成を示す平面図である。本実施形態に係るＸ線分析装置は、荷電粒子周回手段１と、荷電粒子発生手段（図示せず）と、分光手段２と、測定手段３とを備えて構成されている。

荷電粒子発生手段は、例えばマイクロトロンである。荷電粒子発生手段によって生成された電子は輸送され、荷電粒子周回手段１に導入される。

荷電粒子周回手段１は、例えば、弱集束型シンクロトロンであり、導入された荷電粒子を内部で周回させて蓄積する。荷電粒子は、主磁石（図示せず）による磁場の下で、パータベータ１１によって軌道を調整され、加速空洞１２によって加速されて、安定なビーム軌道１３を形成する。このとき、荷電粒子の収束力を、前記ビーム軌道１３面に垂直な方向で強く、平行な方向で弱くすることによって、扁平なビーム軌道１３を形成することができる。すなわち、ビーム軌道１３平面に垂直な方向をＺ軸とする場合、扁平なビーム軌道１３は、動径方向Ｒに広がり、Ｚ軸方向に圧縮された形状である。図１では、ビーム軌道１３を、その外周及び内周に対応する２つの円で示している。図１では、パータベータ１１の電流の時間変化、加速空洞１２による電場発生タイミングを制御する制御装置などは省略されている。なお、弱集束型シンクロトロンは公知であるので、ここでは詳細な説明は省略する。

荷電粒子周回手段１内で周回する荷電粒子は、ビーム軌道１３上に配置されたターゲット１４に入射し、種々の波長のＸ線（すなわち白色光）１５を放射する。ターゲット１４は横長の形状であり、ターゲット１４の長手方向の面に荷電粒子が入射するように配置されている。荷電粒子が電子の場合、ターゲット１４には、例えば、ベリリウム（Ｂｅ）、銅（Ｃｕ）、炭素（Ｃ）、アルミニウム（Ａｌ）などが使用される。

分光手段２は、入射されるＸ線１５を波長に応じて異なる方向に出力する手段であり、例えば結晶である。分光手段２に入射するＸ線１５が種々の波長を含む白色光であるので、結晶格子による回折によって、出力方向に応じてＸ線の波長が決まる。

測定手段３は、例えば２次元のＸ線検出器である。

従って、分光手段２と測定手段３との間に測定対象の試料４を配置し、分光手段２からのＸ線を試料４に照射し、透過するＸ線強度をＸ線の測定手段３によって測定すれば、試料４のＸ線吸収微細構造（ＸＡＦＳ）の影響を受けたスペクトルを測定することができる。このとき、荷電粒子周回手段１からのＸ線は白色光であるが、分光手段２から出力されるＸ線の波長は、図１に矢印で示したλ方向に変化している。そしてλ方向に垂直なＺ軸方向については波長は一定である。従って、試料４の２次元領域に関して、ＸＡＳＦを一度に測定することができる。

また、荷電粒子周回手段１中のターゲット１４から放射されるＸ線は光源点の大きさが約１μｍと小さいので、分解能λ／Δλが非常に高くなる。所定の分解能λ／Δλを得るためには、ビームラインを従来よりも非常に短くすることができ、従って、装置全体を非常にコンパクトに形成することが可能になる。

分解能は光源点の大きさに比例するので、例えば、従来のＳＰｒｉｎｇ８においては、光源点の大きさが約２０μｍであり、λ／Δλ＝５０００の分解能を得るためには、ビームラインとして約２０ｍが必要であるとすると、本発明のＸ線分析装置では、光源点の大きさが約２μｍであるので、λ／Δλ＝５０００の分解能を得るためには、ビームラインとして約２ｍでよいことになる。また、本発明において、ビームラインをＳＰｒｉｎｇ８と同様に２０ｍにすると、λ／Δλ＝１００００の分解能を実現することができる。

さらに、本発明のＸ線分析装置では、電子のエネルギーが２０ＭｅＶの場合、荷電粒子周回手段１中のターゲット１４から放射されるＸ線は発散角θが約５０ｍｒａｄと非常に大きいので一度に分光できるＸ線波長範囲は広くなる。例えば、従来のＳＰｒｉｎｇ８においては、発散角θが約０．０６ｍｒａｄであるために、一度に分光できるＸ線波長範囲はかなり狭い。よって、本発明のＸ線分析装置では、波長を走査する必要がなく、測定手段にて、一度にＸＡＦＳの測定が可能である。従って、走査なしに短時間で測定ができる。

なお、本発明では発散角θが約５０ｍｒａｄと大きいので、分光手段２には約１０ｃｍ以上の大きさの結晶を使用することが望ましい。

また、ターゲット１４からのＸ線は、錐状に放射されるので、分光手段２及び測定手段３の配置は、図１に示した配置に限定されない。即ち、図１に示した分光手段２及び測定手段３を、放射Ｘ線１５の放射方向の回りに任意の角度だけ回転させて配置してもよい。

また、図１の分光手段２は平面の結晶面を使用しているので、分光後のＸ線は、分光手段２にＸ線が入射する面積よりも広がる。これに対しては、例えば、湾曲形状結晶の一つである図２に示したサジタル分光手段２ａを使用して、Ｘ線の広がりを集束させることができる。図２において、Ｚ軸は図１と同じであり、Ｘ軸の方向はＺ軸及びＹ軸に直交する方向である。また、図２に示したサジタル分光手段２ａの配置は、図１において、サジタル分光手段２ａに対応する分光手段２を、放射Ｘ線１５の放射方向の回りに９０度回転させた配置である。サジタル分光手段２ａのＸ線が入射される面は、図２に示したような曲面に形成されている。具体的には、結晶の一方の面を、円筒の側面の一部を切り出した形状に形成する。サジタル分光手段２ａは、その円筒軸が、ターゲットから放射されるＸ線の放射方向に略平行になるように配置されている。この場合、長さＬの線状（又は細い棒状）のターゲット１４ａを使用し、ターゲット１４ａを、ビーム軌道１３の面に平行であり、且つターゲット１４ａの長手方向（Ｙ軸方向）の側面に電子ビームが入射するように、配置する。

荷電粒子周回手段内を周回する荷電粒子の集合（バンチ）は、周回面に平行な方向に広がった扁平な円盤状をしている。この断面形状は、軌道面に対して垂直な方向に幅５ｍｍ以下、水平な方向に幅１ｍｍ以上６０ｍｍ以下であることが望ましいい。荷電粒子が電子の場合、例えば幅が約２ｃｍである。従って、Ｌ＝２（ｃｍ）のターゲット１４ａを上記したように配置すれば、ターゲット１４ａに入射する電子によって、図２に示したようにターゲット１４ａの各部分からＸ線が放射される。そしてサジタル分光手段２ａに入射したＸ線は、分光されて出力される。このとき、サジタル分光手段２ａの曲面の曲率に応じて、出力されるＸ線の広がりを集束させることができる。従って、測定対象の試料の大きさ（測定対象の面積）に応じて、適切な曲率の曲面を有するサジタル分光手段を使用すればよい。

（第２の実施の形態）
次に、本発明のＸ線分析装置を小角散乱Ｘ線分析装置として実現する場合について説明する。図３は、本実施の形態に係るＸ線分析装置（小角散乱Ｘ線分析装置）の概略構成を示す断面図である。本Ｘ線分析装置は、荷電粒子周回手段（図示せず）と、荷電粒子発生手段（図示せず）と、分光手段２と、測定手段３と、波長選択手段５とを備えて構成されている。荷電粒子周回手段、分光手段２、測定手段３、及び、荷電粒子のバンチの望ましい形状は、第１の実施の形態と同様であるので説明を省略する。

図３において、ＸＹＺ軸は図２と同様に設定している。ターゲットには、図２に示したように線状（又は細い棒状）のターゲット１４ａを、図２に関して説明したように配置する。波長選択手段５に、分光手段２から放射されるＸ線のうち、所定波長のＸ線を通過させ、それ以外の波長のＸ線を遮断するスリット５１を備えている。第１の実施形態に関して説明したように、分光手段２から放射されるＸ線の放射方向と分光手段２の平面との成す角度でＸ線の波長が決まるので、スリット５１の長手方向（Ｙ軸方向）をターゲット１４ａ長手方向と平行になるように配置すれば、スリット５１を通過するＸ線の波長はほぼ等しくなる。

スリット５１を通過したＸ線は、試料に照射される。図４は、試料４ａに入射するＸ線と散乱されるＸ線を示す斜視図である。小角散乱を測定するには、測定手段の位置を、試料４ａに入射するＸ線の入射方向と微小な角度φを成す方向に、試料４ａから散乱されるＸ線を測定する。φは例えば、φ≦１０（ｄｅｇ）である。そして、試料４ａの位置を平行移動させれば、例えば、試料４ａの所望領域について小角散乱Ｘ線を測定することができる。

従来では、試料の２次元領域について小角散乱Ｘ線を測定する場合、微小領域での小角散乱Ｘ線の測定と、Ｘ線の照射位置を２方向に変更する処理とを繰り返し実行しなければならなかったが、本実施形態のＸ線分析装置では、１方向（Ｙ軸方向）に関しては一度に測定することができるので、これに直交する方向にのみ試料の照射位置をずらせばよい。従って、測定時間を短縮することができる。

また、分光手段２をターゲット１４ａの長軸に平行な軸（Ｙ軸方向）の回りに所定角度回転させれば、スリット５１を通過するＸ線の波長を変化させることができるので、波長毎の小角散乱Ｘ線を効率的に測定することができる。一方、分光手段２を固定して、波長選択手段５、試料４ａ及び測定手段３を、これらの相対的な位置関係を変化させずに、所定角度だけ回転させてスリット５１を通過させるＸ線の波長を変更してもよい。

また、図３に示した分光手段２を、図２に示したサジタル分光手段２ａに置き換えてもよい。即ち、測定対象の試料４ａの大きさ（測定対象の面積）に応じて、適切な曲率の曲面を有するサジタル分光手段２ａを使用すれば、より効率的な測定が可能になる。

以上、２つの実施の形態を用いて本発明のＸ線分析装置を説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されず、種々の変更を加えて実施することができ、それらも本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明の実施の形態に係るＸ線分析装置、特にＸＡＳＦ分析装置の概略構成を示す平面図である。 本発明の実施の形態に係るサジタル分光器を使用する場合の概略構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係るＸ線分析装置、特に小角散乱Ｘ線分析装置の概略構成を示す縦断面図である。 図３における、試料付近のＸ線の散乱状況を示す斜視図である。

符号の説明

１ 荷電粒子周回手段
２ 分光手段
２ａ サジタル分光手段
３ 測定手段
４、４ａ 試料
５ 波長選択手段
１１ パータベータ
１２ 加速空洞
１３ ビーム軌道
１４、１４ａ ターゲット
１５ Ｘ線
５１ スリット

Claims (10)

1. 荷電粒子を横長ターゲットに衝突させ、発生したＸ線を分光して利用するＸ線分析装置において、
   前記横長ターゲットに衝突する前記荷電粒子が、前記横長ターゲットの長手方向に広がった軌道を形成し、
   前記横長ターゲットから発生する前記長手方向に広がって分布するＸ線から単色Ｘ線を発生させることを特徴とするＸ線分析装置。
2. 前記長手方向に広がる前記荷電粒子の軌道を形成する手段が、荷電粒子発生手段によって発生された荷電粒子を内部に周回させる荷電粒子周回手段であり、
   周回する前記荷電粒子の周回軌道面内に配置された線状の前記横長ターゲットに、周回する前記荷電粒子が衝突して発生するＸ線を分光する分光手段と、
   前記分光手段から出力されたＸ線を測定する測定手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載のＸ線分析装置。
3. 前記荷電粒子周回手段が、前記荷電粒子を、軌道面に対して垂直な方向に幅５ｍｍ以下、水平な方向に幅１ｍｍ以上６０ｍｍ以下にわたって円盤状に分布させる手段であることを特徴とする請求項１又は２に記載のＸ線分析装置。
4. 前記荷電粒子周回手段が、弱収束の電子周回装置であり、
   前記軌道面に垂直な方向の電子の収束力が、前記軌道面に平行な方向の電子の収束力よりも強いことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のＸ線分析装置。
5. 前記横長ターゲットから放射されるＸ線を分光する手段が、円盤状の軌道面に対して平行な開口を持ち、分光されたＸ線が線状に分布して放射され、
   分光された前記Ｘ線のエネルギー分散が、前記円盤状の軌道面に対して垂直な方向に発生することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のＸ線分析装置。
6. 前記分光手段が、平板もしくは湾曲形状の結晶で構成されていることを特徴とする請求項２〜５の何れか１項に記載のＸ線分析装置。
7. 前記ターゲットに入射する前記電子のエネルギーが３０ｋｅＶ以上２０ＭｅＶ以下であり、
   前記ターゲットの線径が１０μｍ以下で長さが１ｃｍ以上であることを特徴とする請求項４〜７の何れか１項に記載のＸ線分析装置。
8. 前記Ｘ線分析装置をＥＸＡＦＳ測定に使用する場合、
   前記横長ターゲットの長手方向に平行に、分析対象である同種または異種の複数の試料が配置されることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載のＸ線分析装置。
9. 前記Ｘ線分析装置をＸ線反射率測定に使用する場合、
   線状に分布する分光された単色Ｘ線を、測定対象である横長試料の全面に照射することを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載のＸ線分析装置。
10. 前記Ｘ線分析装置を散乱実験に使用する場合、
    前記横長ターゲットの長手方向に平行に、同種または異種の複数の試料を配置し、線状に分布するＸ線に対して直角方向の散乱を観測することを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載のＸ線分析装置。

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