JP2011089987A - Ｘ線回折および蛍光 - Google Patents

Abstract

【課題】XRDおよびXRFの両方のために使用可能な、特に、使うのがより簡単な、より小型の装置を提供する。
【解決手段】X線回折XRDおよびX線蛍光測定XRFの両方の機能をもつ機器が、試料台上の試料に向けられる入射X線ビームを生成するX線源１０を配置している。高エネルギーのエネルギー分散型XRDのために、固定角2θのところにX線検出システムがマウントされる。XRFのためには、X線検出システムが使用される。
【選択図】図１

Description

本発明は、エネルギー分散型X線回折およびX線蛍光の両方のための装置および該装置の動作方法に関する。

X線回折（XRD: X-ray diffraction）およびX線蛍光（XRF: X-ray fluorescence）は、試料の構造および元素組成を探査する二つのよく知られた方法である。一般に、機器は、一方または他方のいずれかを実行するよう設計される。

しかしながら、いくつかの出願では、X線回折およびX線蛍光の両方を実行する機器が提案されている。

たとえば、US5,745,543は、XRF検出器に到達する低X線パワーの問題を、XRD測定を可能にする線焦点源、平面状または円筒状の分析用結晶を蛍光測定部における位置敏感検出器と一緒に使うことによって克服しようとする機器を提案している。よって、強度を低下させるコリメート系は使用されない。

WO2008/107108によって別の提案がされている。これは、XRDとXRFを組み合わせようとするときに経験されうる困難に関する有用な議論を含んでいる。特に、議論は、XRDのために幅広い角度範囲にわたって動かせ、かつXRFのために試料に近いようにX線検出器を配置することの難しさを浮かび上がらせている。各技法の強度／感度は、それぞれについての特定の源を使って最適化される。

G. Harding, X-ray scatter tomography for explosives detection", Radiation Physics and Chemistry volume 71 (2004), pp.869-881

したがって、XRDおよびXRFの両方のために使用可能な、特に、使うのがより簡単な、以下の特性を全部含む、一部含むまたは全く含まない、より小型の装置であって、より通常の設計の複雑な試料の取り扱いを必要とすることなく、たとえば生産ライン、製造プラントおよび大学のような研究機関に取り入れることのできるものに対する必要性が残っている。

本発明者らは、エネルギー分散型XRDの使用は、XRFと組み合わせるのに、よってXRDとXRFの両方を実行する複合機器に、特に好適であることを認識するに至った。

好ましくは、使用されるエネルギー範囲は、10keV超、好ましくは20keV超の高エネルギーX線を含む。高エネルギーのエネルギー分散型（HEED: high energy energy dispersive）XRDの使用は、良好な粒子統計を許容するので特に好適である。これは、XRF管のXRFのために使われる特性線ではなく、XRF管の連続帯放射をXRDのために使うことによってできる。XRFに好適な特性線は、3keVのすぐ下（原子番号Zが小さい元素を高める）および20keV近辺（中くらいの範囲の元素を高める）の範囲でありうる。XRDのための2.6keVのL線（たとえばRh L線）を使うと、非常に貧弱な侵入深さとなり、よって貧弱な粒子統計になる。その代わりに回折のためにそのような管の連続帯放射を使うと、試料のマトリクスに依存して好適なエネルギー範囲での測定ができる。

ここで、本発明のよりよい理解のために、純粋に例として、付属の図面を参照して実施形態を記述する。

本発明に基づく装置を示す図である。 セメント試料について得られた結果を示す図である。

図１を参照すると、本発明に基づく装置は、真空にされているまたは湿った／液体の試料の場合には気体充填されている（He）のでもよい筐体２および試料をマウントするための試料ホルダー４を含む。試料ホルダーは、特定の種類の試料、本例ではセメントを保持するために適応されてもよい。試料ホルダー４は、点線で示される、試料面６と称する方向に、横方向に延在する。

X線源１０は、試料面の一方の側に、入射X線方向１６のX線ビームを形成するようX線をコリメートするビーム調整システム１２と整列して設けられる。X線源１０は、白色X線、つまりある範囲の波長のX線と、特性線の両方の源である。

さらなる詳細を下記で論じる。X線源は筐体内のX線ポート１４にマウントされる。このポートは、X線源をマウントするためのものなので、X線源ポート１４と称される。

X線検出システム２２をマウントするために、X線ポート２０が2θの角度で、本例ではX線源に対して試料面の反対側に、設けられる。このX線検出システム２２は、エネルギー分散型X線回折測定のために意図されており、よってX線ポートはXRDポート２０と称され、X線検出システムはXRD検出システム２２と称される。XRD検出システム２２へのビームを得るために、ビームをコリメートするビーム調整システム２４が、XRDポート２０の前面に設けられる。

典型的なX線回折では、試料の構造を決定するために、入射X線と同じエネルギーをもつ回折されたX線の強度が、角度2θの関数として測定される。角度2θ、探査される長さスケールdおよび波長λの間の関係は、よく知られたブラッグの式nλ＝2dsinθによって与えられる。

これに対し、エネルギー分散型（ED: energy dispersive）X線回折では、固定角2θが使用され、可変量はエネルギーである。エネルギーと波長の間の関係式λ＝hc/Eをブラッグ則と組み合わせて使って、エネルギー分散型回折ができる。こうして、多数のエネルギーで測定することによって、波長λを固定したまま2θを変える代わりに、角度2θが固定されて波長λが変えられる。したがって、XRD検出システム２２は、最も単純な設計では、エネルギー分散型検出器である。

この手法は、実際、特に高精度用途において、非常に並外れたものであるが、非特許文献１によって、爆発物検出のために提案されている。

本発明者らは、XRDについてのこの非常に並外れた手法がXRF用途と組み合わせるために特に好適であることを認識するに至った。

さらなる検出システム３２をマウントするために、さらなるポート３０が設けられる。今の場合はXRF用なので、このポートはXRFポート３０と称され、検出システム３２はXRF検出システム３２と称される。ポート３０は、源ポート１４と試料面６の同じ側にある。XRFポートは、透過または反射のために位置されるよう選ぶことができる。透過の使用は、原子番号の大きな元素のために有用であるが、原子番号がより低い元素については、XRFポートは、図のように、源ポート１４と試料面６の同じ側に位置される。

XRF測定は比較的普通のものなので、XRF測定についてはそれほど詳細な説明はしない。きわめて並外れているのは、ED XRD測定である。

上記の記述からわかるように、源は複数エネルギーでのX線の源であってもよい。エネルギー分散型XRDのためには、「白色」X線放射、つまり、連続スペクトルのX線放射が必要とされる。これに対し、XRD用の典型的な管はきわめて単色性の高いX線（たとえば特性線からの）を使うか、そのような単色性のX線を生成するためにモノクロメータを使うことがある。よって、XRDだけを考えるなら、エネルギー分散型XRDのためのX線源１０は、電子ビームのための金属標的を使用することが好ましいであろう。ここで、金属標的１８はたとえば原子番号の大きな金属からなる。連続帯の強度は標的の原子番号とともに増大するからである。好適な標的は、Ta、W、……Auのような物質を含む。

しかしながら、XRFのための要件は異なっている。XRFのためには、離散的な線をもつ源を使うことが好ましい。典型的には、金属標的１８は、原子番号Zの小さな元素および中程度の元素を高めるよう特性線を与えるよう選ばれた材料からなる。Mo、Rh、……Agのような物質は、低エネルギー範囲および20keVの範囲に特性線を与える。こうした物質はすでにやや大きな原子番号を有するので、その白色放射をED XRDのために使うのにも好適である。正しい2θ角を選べば、特性線および回折線との干渉が回避できる。

こうして、本実施形態に基づく装置では、Mo、RhまたはAgのような、42ないし46の原子番号をもつ物質が特に好ましい。

最終的には、本発明の利点は、角度計や可動部分を必要とせず、単に一つのX線源と二つのX線検出器が固定した位置でポートにマウントされているということである。この結果、ほどほどのコストでXRDおよびXRFの両方の機能をもつX線装置が得られる。

本装置は、特に特定の業界において、特定の試料に合わせて適応されてもよい。たとえば、セメント産業では、遊離石灰量を測定する必要があることがあり、これは特定の値のdに対応するピークをもつ。よって、所与の機器における厳密な固定角2θは意図される試料に依存することになり、よってdの値もである。だが、5°ないし12°またさらには20°までの範囲の典型的な角度2θが一般に好まれる。ブラッグの法則nλ＝2dsinθは、エネルギー範囲がわかっているとき、よってエネルギー（波長λではなく）の範囲もわかっているときの、θの、よって2θの好適な値を与える。

しかしながら、製薬上の試料の測定のためには、長さスケールdはずっと大きいことがあり、この場合、2θはより小さくする必要がある。したがって、そのような試料の測定のためには、0.1°ないし5°の範囲の角度2θの範囲が好ましい。よって、全体として、2θの値は0.1°ないし20°からの値であってよく、意図される用途に依存して、好ましくはより狭い範囲5°ないし12°または0.1°ないし5°、好ましくは0.1°ないし1°の一つにあってもよい。

使用では、試料が試料台にマウントされ、X線が試料に向けられ、X線スペクトルがXRD検出システム２２およびXRF検出システム３２の両方によって測定される。

一例において、3mmないし4mmの厚さをもつセメントの試料が測定された。角2θはこの例では10.1°であった。図２は、さまざまなエネルギーでのXRD検出器からの結果を示している。セメント試験について最も関心のあるピークはd＝.245nm（よって28keV、2θ＝10.1°）の遊離石灰ピークである。これは明瞭に見え、マークされている。

このきわめて通常でない並外れた構成でも、良好なXRD結果が達成できることが見て取れるであろう。

検出システムは典型的には上述したようなエネルギー分散型システムであってよい。そのような手法においては、本装置は可動部分をもたない、特に角度計をもたないことができる。

しかしながら、代替的な実施形態では、検出システムは、結晶、角度計および通常のX線検出器といった波長分散型の要素を有していてもよい。これらは、適切なポートにマウントされうる統合検出システムに組み合わされてもよい。

ある代替では、角度計は省略して、単一の位置不感性検出器が使用されてもよい。

もう一つの手法は、そのような波長分散型要素と組み合わせて位置敏感検出器を使う。それにより、検出システムは、該組み合わせを使って、エネルギーの関数としてX線強度を測定する。

上述した実施形態は、単一のXRDポートおよび単一のXRFポートを含むが、XRD検出システムおよびXRF検出システムが異なる角度に動かされることを許容するために、あるいは複数の測定を同時に許容するために、筐体はさらなるポートを有していてもよいことを注意しておく。特に、異なるエネルギー範囲においてXRF放射を同時に測定するために複数のXRF検出システムを有することが有利である場合がある。場合によっては、これらのXRFポートのいくつかは、X線源に対して試料面と反対側に、すなわちXRDポートと同じ側にマウントされてもよい。

さらに、実施形態によっては一対またはそれ以上のXRDポートを有していてもよい。たとえば、上述したような異なる用途のために、範囲5°ないし12°の角度2θに一つのXRDポートがあり、0.1°ないし5°の範囲に一つのXRDポートがあるのでもよい。

さらに、上記の実施形態は、ポートに固定されるX線源および検出システムに関して記述されている。しかしながら、機器は場合によっては、源および検出器なしで、単に裸のポートとともに供給されてもよい。

２ 筐体
４ 試料ホルダー
６ 試料面
１０ X線源
１２ ビーム調整システム
１４ X線ポート（X線源ポート）
１６ 入射X線方向
１８ 金属標的
２０ X線ポート（XRDポート）
２２ X線検出システム（XRD〔X線回折〕検出システム）
２４ ビーム調整システム
３２ さらなる検出システム（XRF〔蛍光X線分析〕検出システム）
３０ さらなるポート（XRFポート）

Claims (15)

1. 組み合わされたX線回折XRDおよびX線蛍光XRF装置であって：
   連続波長範囲にわたって同時に放射を与え、該放射が複数の特性線を含む、X線源と；
   入射ビーム方向の回折面内の入射X線ビームを画定するよう構成されたビーム調整システムと；
   入射X線ビーム中に試料を保持するよう構成され、試料面を画定する試料ホルダーと；
   XRFポートであって、蛍光分析を行うために該ポート上にマウントされるX線検出システムを用いて前記試料から出るX線を測定するよう位置されたXRFポートと；
   回折X線を測定するために前記入射ビーム方向に対して、0.1°ないし20°の範囲内の固定した2θの角度で配置されたXRDポートと；
   前記入射ビーム方向に対して角度2θをもつ回折X線を選択するよう、前記XRDポートと整列して位置されたビーム調整システムとを有する、
   装置。
2. 請求項１記載の組み合わされたX線回折およびX線蛍光装置であって、前記X線源が少なくとも10keVの幅で、10keVより上に延びる波長の範囲にわたるX線を与えるよう適応されている、装置。
3. 請求項１または２記載の組み合わされたX線回折およびX線蛍光装置であって、前記固定した角度2θが5°ないし12°の範囲内にある、装置。
4. 請求項１または２記載の組み合わされたX線回折およびX線蛍光装置であって、前記固定した角度2θが0.1°ないし5°の範囲内にある、装置。
5. 請求項１ないし４のうちいずれか一項記載の組み合わされたX線回折およびX線蛍光装置であって、前記XRDポートにマウントされたエネルギー分散型XRD検出システムと、前記XRFポートにマウントされたエネルギー分散型XRF検出システムとを有する、装置。
6. 請求項５記載の組み合わされたX線回折およびX線蛍光装置であって、前記XRD検出システムが角度計、少なくとも一つのクリスタルおよび少なくとも一つの検出器を有する、装置。
7. 請求項５記載の組み合わされたX線回折およびX線蛍光装置であって、前記XRD検出システムが、波長分散型素子および検出器を有する、装置。
8. 請求項７記載の組み合わされたX線回折およびX線蛍光装置であって、前記検出器が位置敏感検出器である、装置。
9. 請求項５記載の組み合わされたX線回折およびX線蛍光装置であって、前記XRD検出システムが、選択されたエネルギーにおけるエネルギーを検出するよう調整可能なエネルギー選択的な検出器を有する、装置。
10. 請求項１ないし９のうちいずれか一項記載の組み合わされたX線回折およびX線蛍光装置であって、複数のXRFポートを有する、装置。
11. 請求項１ないし１０のうちいずれか一項記載の組み合わされたX線回折およびX線蛍光装置であって、複数のXRDポートを有し、前記XRF検出システムは角度計、少なくとも一つのクリスタルおよび少なくとも一つの検出器を有する、装置。
12. 請求項１ないし１１のうちいずれか一項記載の組み合わされたX線回折およびX線蛍光装置であって、複数のXRDポートを有する、装置。
13. X線源、ビーム調整システム、試料ホルダー、X線蛍光（XRF）ポートおよびX線回折（XRD）ポートを有する組み合わされたX線回折およびX線蛍光装置の運用方法であって：
    前記試料ホルダーに試料をマウントする段階と；
    前記X線源から、連続波長範囲にわたって同時に放射を与え、該放射が複数の特性線を含む、段階と；
    回折面内の入射ビーム方向に、前記試料に入射する入射X線ビームを画定する段階と；
    蛍光分析のために前記XRFポートにおいてX線を測定する段階と；
    前記入射ビーム方向に対して固定した2θの角度をもつ回折X線を選択する段階と；
    選択された回折X線の強度をエネルギーの関数として測定する段階とを含む、
    方法。
14. 前記X線源から、少なくとも10keVの幅で、10keVより上に延びる波長の範囲にわたるX線を与えることを含む、請求項１３記載の方法。
15. 前記固定した角度2θが5°ないし12°の範囲内および／または0.1°ないし5°の範囲内にある、請求項１３または１４記載の方法。

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