JP2010276423A - Ｘ線集束装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＭＣＸの集束端における焦点ボケを改善し、試料上の微小領域に高い強度のＸ線を照射する。
【解決手段】ＭＣＸ２において、Ｘ線入射側端部２ａは平行端、Ｘ線出射側端部２ｃはその端面面積がＸ線入射側端部２ａよりも小さな平行端であり、途中がボトルネック形状部２ｂとなっている。これにより、大きなサイズのＸ線源からＸ線入射側端部２ａに導入されたＸ線は、そのエネルギー密度が高まって平行束としてＸ出射側端部２ｃから出射し、中心軸が一致するように配置されたＦＺＰ３に導入される。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、蛍光Ｘ線分析装置、ＸＲＤ、Ｘ線ＣＴ、レントゲン装置などのＸ線を利用した装置において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。

試料上の微小領域の成分分析を行うために利用される微小部蛍光Ｘ線分析装置では、Ｘ線源から出射されたＸ線をごく小径に絞って試料に照射する必要がある。非特許文献１に記載の微小部蛍光Ｘ線分析装置では、上記目的のために、マルチキャピラリ（この文献では「ポリキャピラリ」と呼ばれているが、本明細書中ではより一般的な「マルチキャピラリ」との用語を用いる）Ｘ線レンズが使用されている。

簡単にマルチキャピラリＸ線レンズ（以下「ＭＣＸ」と略す）について説明する（特許文献１、２など参照）。図５はＭＣＸの形態例を示す図、図６はＭＣＸにおけるＸ線の伝達の原理図である。ＭＣＸは、内径が２〜十数μｍ程度の微小径の、例えば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６に示すように、１本のキャピラリ３２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６（ａ）に示すようにキャピラリ３２が直線状でも、図６（ｂ）に示すようにキャピラリ３２が湾曲状であっても、同様にＸ線を案内することができる。

ＭＣＸには種々の形態があり、図５（ａ）に示すものは、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ＭＣＸ３０である。また図５（ｂ）に示すものは、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ＭＣＸ３１である。

上述したようにＭＣＸ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。これは、１本のキャピラリ３２の端面からＸ線が出射する際に、そのＸ線が最大、全反射臨界角の開き角度を有して拡がるためである。また、ＭＣＸ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起こる。このように理論上の要因と製造の限界による要因との両方によって、従来のＭＣＸ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。

こうした問題に対し、本願出願人は特許文献３において、ＭＣＸと絞り特性に優れたフレネルゾーンプレート（以下「ＦＺＰ」と略す）との組み合わせによる新しいＸ線集束装置を提案している。ＦＺＰ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。これに対し、ＭＣＸでは、ごく小径にＸ線を絞ることは難しくても、ＦＺＰの外径サイズ（例えば１ｍｍ程度）以下にＸ線を絞ることは容易である。こうしたことから、ＭＣＸとＦＺＰ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と言える。

特公平７−１１６００号公報 特公平７−４００８０号公報 特開２００７−９３３１６号公報

「エネルギー分散型微小部蛍光Ｘ線分析装置μＥＤＸシリーズ」、[online]、株式会社島津製作所、[平成２１年４月２６日検索]、インターネット＜URL: http://www.shimadzu.co.jp/surface/products/m_edx/index.html＞

しかしながら、実際に入手が容易なＦＺＰでは、図７（ａ）に示すように、中心軸に平行に入射するＸ線は効率良く焦点Ｆに集束されるものの、Ｘ線が中心軸に対して或る程度以上の角度をもって入射する場合、その集光効率はかなり低い。そのため、ＭＣＸでＸ線をいかに効率良く導いても、所望の焦点Ｆに照射されるＸ線の強度は低くなる。

入射Ｘ線の許容入射角度を拡げるにはＦＺＰを薄くすることが有効である。ところが、ＦＺＰを薄くした場合、大きなエネルギーを持つＸ線は輪帯パターンで干渉を生ずることなくそのまま透過してしまうため、焦点ＦにＸ線が集まらず、大きなサイズのＸ線スポットが形成されてしまう（図７（ｂ）参照）。もちろん、ＦＺＰを用いたことにより焦点ＦにおけるＸ線強度はその周囲よりも大きくなるから、焦点Ｆの周囲にＸ線が照射されても問題がない用途であれば上記のような構成は有用であるが、微小部蛍光Ｘ線分析装置などの用途では、目的とする微小領域の外側にＸ線が当たらないようにする必要があり、アパーチャなどにより不要なＸ線を遮蔽する必要が生じ、Ｘ線の利用効率も悪い。

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、ＭＣＸとＦＺＰとを用いたＸ線集束装置において、Ｘ線の焦点サイズを小さく絞り、且つ高い集光効率を達成することを目的としている。

上記課題を解決するためになされた第１発明に係るＸ線集束装置は、
a)多数の束ねられたＸ線案内用の細管から成り、Ｘ線入射側端部とＸ線出射側端部との間の少なくとも一部に各細管が平行に配置された平行部を有するとともに、前記Ｘ線出射側端部は各細管が平行に配置され且つその端面の面積が前記平行部の断面積よりも小さい平行端となっており、前記平行部と前記Ｘ線出射側端部との間で各細管の内径が連続的に縮小するように形成されてなる細管集合体と、
b)前記細管集合体のＸ線出射側端部の外側に、該細管集合体の中心軸と中心軸が一致するように配置されたフレネルゾーンプレートと、
を備えることを特徴としている。

また上記課題を解決するためになされた第２発明に係るＸ線集束装置は、
a)多数の束ねられたＸ線案内用の細管から成り、Ｘ線出射側端部はその外方の一点又は点とみなし得る微小領域に焦点を持つ集束端である細管集合体であって、且つ前記集束端にあって最外周に位置する細管の軸と当該細管集合体の中心軸とのなす角度が１°以下である超長焦点の細管集合体と、
b)前記細管集合体のＸ線出射側端部の外側に該細管集合体の中心軸と中心軸が一致するように配置されたフレネルゾーンプレートと、
を備えることを特徴としている。

細管集合体（マルチキャピラリＸ線レンズ）では、上述したように、１本の細管（キャピラリ）の内壁面をＸ線が全反射を繰り返すことで進行する。細管内壁へＸ線が当たる角度が全反射臨界角以下でありさえすれば、細管は屈曲した形状であってもよく、その内径が徐々に縮小するものであってもよい。

そこで、第１発明に係るＸ線集束装置では、少なくとも途中に平行部を有するとともに一方の端部が平行端であって、その平行端の端面の面積が上記平行部の断面積よりも小さく、且つその平行端における各細管の内径が上記平行部における各細管の内径よりも小さく形成されている細管集合体を用い、その断面積の小さな平行端をＸ線出射端部とする。この細管集合体の他方の端部、つまりＸ線入射端部は、集束端、平行端のいずれでもよい。特にＸ線源のサイズが或る程度大きい場合には、Ｘ線入射側端部を上記平行部が延伸された平行端としておくことにより、Ｘ線源から出射されたＸ線を効率良く受けることができる。

例えば、或る程度大きなサイズのＸ線源から出射されたＸ線が平行端であるＸ線入射端部から各細管に導入されると、Ｘ線は各細管内を効率よく（少ない損失で）案内され、平行端であるＸ線出射端部の端面から略平行なＸ線束として出射する。Ｘ線出射端部の端面面積はＸ線入射端部の端面面積よりも小さいから、Ｘ線出射端部から出射するＸ線の光束密度はＸ線入射端部に入射したＸ線の光束密度よりも大きくなる。Ｘ線出射端部の外側に配設されたフレネルゾーンプレートにはほぼ平行で且つ光束密度が高いＸ線束が入射するので、少ない損失でフレネルゾーンプレートの構造などに依存する焦点に効率よくＸ線が集束される。

一方、第２発明に係るＸ線集束装置では、Ｘ線出射端が集束端である細管集合体が用いられるが、その集束端の焦点は端面から非常に離れた位置にある。そのため、Ｘ線出射端の外側に配設されたフレネルゾーンプレートに入射するＸ線はほぼ平行束であるとみなせ、第１発明と同様に、少ない損失でフレネルゾーンプレートの構造などに依存する焦点に効率よくＸ線が集束される。

したがって第１及び第２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。

また、フレネルゾーンプレートに入射するＸ線はほぼ平行束となるので、フレネルゾーンプレートを或る程度厚くすることができる。そのため、Ｘ線のエネルギーが高くてもフレネルゾーンプレートをそのまま透過してしまうことを防止でき、所望の微小領域の外側にＸ線が当たることを回避することができる。それによって、例えばこのＸ線集束装置を微小部蛍光Ｘ線分析装置に用いることで、微小領域以外の部位の不所望の蛍光Ｘ線や二次電子などの発生を防止することができ、成分分布の空間分解能の向上などを達成することができる。

本発明の第１実施例であるＸ線集束装置の要部の構成図。 第１実施例のＸ線集束装置を用いたＸ線検査装置の概略構成図。 本発明の第２実施例であるＸ線集束装置の要部の構成図。 第１及び第２実施例のＸ線集束装置の効果を説明するための図。 一般的なマルチキャピラリ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Ｘ線集束装置の問題点を説明するための図。

[第１実施例]
本発明に係るＸ線集束装置の一実施例（第１実施例）について、図１、図２、及び図４を参照しながら説明する。

図１は第１実施例のＸ線集束装置の要部の構成図、図２は第１実施例のＸ線集束装置を用いたＸ線検査装置の概略構成図、図４は第１実施例（及び後述の第２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１に示すように、第１実施例によるＸ線集束装置１は、両端部２ａ、２ｃが平行端である平行／平行型のＭＣＸ（本発明における細管集合体）２と、ＦＺＰ３と、を含む。ＭＣＸ２のＸ線入射側の端部（第１平行端）２ａの端面の直径はφ１、Ｘ線出射側の端部（第２平行端）２ｃの端面の直径はφ１よりも小さいφ２であり、Ｘ線入射側端部２ａからＸ線出射側端部２ｃに向かう途中で連続的に外径が縮小するボトルネック形状部２ｂとなっている。このボトルネック形状部２ｂでは、各キャピラリの内径は徐々に縮小しており、且つ、外周側に位置するキャピラリはＭＣＸ２の中心軸に向かうように徐々に屈曲している。

ＦＺＰ３の外径（厳密にはＸ線を集束可能な有効外径）はＭＣＸ２のＸ線出射側端部２ｃの外径（厳密には最外周に位置するキャピラリの外側の径）よりも大きく、ＭＣＸ２のＸ線出射側端部２ｃの中心軸（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）と中心軸が一致するようにＦＺＰ３は配置されている。

図２に示すように、第１実施例のＸ線集束装置１を用いたＸ線検査装置では、大きなサイズのＸ線源１２と試料台１０上に載置された検査対象物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（蛍光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ＭＣＸなどを設けてもよい。

Ｘ線源１２から出射したＸ線はＭＣＸ２のＸ線入射側端部２ａ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Ｘ線出射側端部２ｃに案内される。この間、各キャピラリの内径は途中で徐々に小さくなるほか、多くのキャピラリは徐々に屈曲するが、キャピラリの内壁面にＸ線が当たる角度が全反射臨界角以下になるようにＭＣＸ２の構造を定めておくことにより、殆ど損失なくＸ線をＸ線出射側端部２ｃまで案内することができる。損失が殆どない場合、Ｘ線入射側端部２ａで各キャピラリに導入されたＸ線は、Ｘ線入射側端部２ａの断面面積とＸ線出射側端部２ｃの断面面積との比に応じて密度が上がる。つまり、前者の面積がＡ１、後者の面積がＡ２であれば、Ｘ線出射側端部２ｃから出射するＸ線の光束密度は入射時の光束密度のＡ１／Ａ２倍になる。

そしてＸ線出射側端部２ｃにおいて各キャピラリから出射されたＸ線は、略平行なＸ線束としてそのほぼ全てが小径のＦＺＰ３に入射する。上述したように高い光束密度でＦＺＰ３に略平行入射したＸ線はＦＺＰ３で回折されて焦点Ｆに効率良く集束される。

上記のような作用・効果は図４により容易に理解できる。図４は横軸に照射Ｘ線の横への拡がり、縦軸にＸ線強度をとった模式的なグラフである。即ち、図５（ｂ）に示したような一般的なＭＣＸの集束端から出射された場合には、図４中のＡに示すようになり、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）。これに対し、第１実施例の構成では、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４中のＢ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線エネルギーも多くなるので、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。

なお、上記実施例ではＭＣＸのＸ線入射端部を平行端としたが、これはＸ線源が或る程度以上のサイズを有する場合に有用である。Ｘ線源がほぼ１点とみなせる程度の大きさを有するもので、そこから放射状にＸ線が出射するような場合には、Ｘ線入射端部が点焦点を有する集束端であるＭＣＸを用いてもよい。即ち、ここで用いるＭＣＸは平行／平行型、又は点／平行型であり、且つ両端部の途中で連続的に外径がボトルネック状に絞られた形状を有するものである。

[第２実施例]
本発明に係るＸ線集束装置の他の実施例（第２実施例）について、図３を参照しながら説明する。図３は第２実施例のＸ線集束装置の要部の構成図である。

この実施例のＸ線集束装置において第１実施例と異なるのは、ＦＺＰ３の手前に配置されるＭＣＸ２０の構造である。即ち、第１実施例におけるＭＣＸ２はＸ線出射端部が平行端であったのに対し、この実施例におけるＭＣＸ２０ではＸ線出射端部２０ｃが集束端である。但し、そのＸ線出射側端部２０ｃの焦点距離は非常に長い。各キャピラリから出射するＸ線の中心軸とＭＣＸ２０自体の中心軸とのなす角度はキャピラリの位置（中心軸からの距離）により相違するが、最大でも（つまり最外周に位置するキャピラリから出射するＸ線の中心軸に対する角度は）１°以下となっている。そのため、Ｘ線出射側端部２０ｃは集束端ではあるものの、その端面から出射してＦＺＰ３に入射するＸ線はほぼ平行束であるとみなせる。それにより、第１実施例と同様に、ＦＺＰ３で高い効率でＸ線を焦点Ｆに集束させることができ、しかもその周りにＸ線の漏れを殆ど生じない。

即ち、第１及び第２実施例のＸ線集束装置によれば、ＭＣＸ２、２０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実質的に平行束として小径のＦＺＰ３に無駄なく導入し、ＦＺＰ３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に照射することができる。このようにして、Ｘ線源１２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、上記実施例はいずれも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。

１…Ｘ線集束装置
１０…試料台
１１…検査対象物
１２…Ｘ線源
１３…Ｘ線検出器
２、２０…マルチキャピラリＸ線レンズ（ＭＣＸ）
２ａ、２０ａ…Ｘ線入射側端部
２ｃ、２０ｃ…Ｘ線出射側端部
２ｂ…ボトルネック形状部
３…フレネルゾーンプレート（ＦＺＰ）

Claims (3)

1. a)多数の束ねられたＸ線案内用の細管から成り、Ｘ線入射側端部とＸ線出射側端部との間の少なくとも一部に各細管が平行に配置された平行部を有するとともに、前記Ｘ線出射側端部は各細管が平行に配置され且つその端面の面積が前記平行部の断面積よりも小さい平行端となっており、前記平行部と前記Ｘ線出射側端部との間で各細管の内径が連続的に縮小するように形成されてなる細管集合体と、
   b)前記細管集合体のＸ線出射側端部の外側に、該細管集合体の中心軸と中心軸が一致するように配置されたフレネルゾーンプレートと、
   を備えることを特徴とするＸ線集束装置。
2. 請求項１に記載のＸ線集束装置であって、
   前記細管集合体のＸ線入射側端部は前記平行部が延伸された平行端であることを特徴とするＸ線集束装置。
3. a)多数の束ねられたＸ線案内用の細管から成り、Ｘ線出射側端部はその外方の一点又は点とみなし得る微小領域に焦点を持つ集束端である細管集合体であって、且つ前記集束端にあって最外周に位置する細管の軸と当該細管集合体の中心軸とのなす角度が１°以下である超長焦点の細管集合体と、
   b)前記細管集合体のＸ線出射側端部の外側に該細管集合体の中心軸と中心軸が一致するように配置されたフレネルゾーンプレートと、
   を備えることを特徴とするＸ線集束装置。

Images