JP2011095224A - Dispersive crystal, wavelength dispersion type x-ray analysis device, and element distribution measuring method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a dispersive crystal 13, an wavelength dispersion type X-ray analysis device 10, and an element distribution measuring method, efficiently detecting more elements simultaneously and improving the energy resolution of a spectrum. <P>SOLUTION: The dispersive crystal 13 includes an inside surface forming a shape with lined arcs perpendicular to a reference plane surface including a predetermined reference line. The inside surface is constructed so that a curvature radius of an arc may decrease from a sample 1 to a detector 14 along the reference line and an angle formed by a line segment and a reference line from a reference intersection to the sample 1 side may decrease, which connects an arc intersection at which an arc and a reference plane intersect and a reference intersection at which the reference line and a plane including an arc intersect. The dispersive crystal 13 is arranged so that the reference line may agree with an axis connecting the sample 1 and the detection part 14. The detector 14 includes a linear or planar detection part 14a detecting an X-ray which is arranged to be perpendicular to an axis that the detection part 14a connects the sample 1 and the detector 14. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、分光結晶、波長分散型X線分析装置および元素分布測定方法に関する。   The present invention relates to a spectral crystal, a wavelength dispersive X-ray analyzer, and an element distribution measuring method.

X線または電子線を試料に照射して発生する蛍光X線または特性X線は、各々の元素によって固有の波長を持つため、これらを測定することにより試料を構成する元素の分析を行うことができる。   Fluorescent X-rays or characteristic X-rays generated by irradiating a sample with X-rays or electron beams have unique wavelengths depending on the respective elements. Therefore, it is possible to analyze the elements constituting the sample by measuring them. it can.

X線をプローブとするものは、蛍光X線分析装置(X-ray fluorescence analyzer; XFA)と呼ばれる。また、走査電子顕微鏡(scanning electron microscope; SEM)や電子プローブ・マイクロアナライザー(electron probe micro analyzer; EPMA)にも、電子線励起で発生する特性X線を分析する装置が付属している場合が多い。これら、蛍光X線および特性X線の分析装置には、大きくエネルギー分散型と波長分散型とがある。   An apparatus using X-rays as a probe is called an X-ray fluorescence analyzer (XFA). In many cases, a scanning electron microscope (SEM) and an electron probe micro analyzer (EPMA) are also provided with a device for analyzing characteristic X-rays generated by electron beam excitation. . These fluorescent X-ray and characteristic X-ray analyzers are largely classified into an energy dispersion type and a wavelength dispersion type.

半導体検出器を用いたエネルギー分散型は、広い立体角で効率よく蛍光X線および特性X線を検出できるメリットがあるが、エネルギー分解能が150eV程度であるため、分析濃度の検出下限が0.1at%程度と高いことや、波長的に近接する蛍光・特性X線を十分に分離できないなどの問題がある。   The energy dispersive type using a semiconductor detector has the advantage of being able to detect fluorescent X-rays and characteristic X-rays efficiently with a wide solid angle. However, since the energy resolution is about 150 eV, the detection limit of analysis concentration is 0.1 at%. There are problems such as high and low, and fluorescence / characteristic X-rays that are close in wavelength cannot be sufficiently separated.

一方、波長分散型は、エネルギー分解能が10eV程度とエネルギー分散型に比べて大きく優れているため、Signal/background比の関係から、検出下限が一桁から二桁向上する。また、蛍光・特性X線のピークが重なり合うこともなくなるため、定量解析が行い易い。さらに、詳細なスペクトル解析により元素分析のみならず、化学状態の評価も可能となる。   On the other hand, the wavelength dispersion type has an energy resolution of about 10 eV, which is significantly superior to the energy dispersion type. Therefore, the detection lower limit is improved by one to two digits due to the relationship between the signal / background ratio. Further, since the peaks of fluorescence and characteristic X-rays do not overlap, quantitative analysis is easy. Furthermore, detailed spectral analysis enables not only elemental analysis but also evaluation of chemical state.

従来の波長分散型蛍光X線分析装置は、図10に示すように、試料の広い領域に、X線発生源からのX線を照射して励起させ、放出される蛍光X線を、ソーラースリットを通過させ、平板の分光結晶にてBragg反射させた後、シンチレーションカウンターなどのX線検出器で検出する方式が一般的である。この方式では、試料、平板分光結晶、検出器のθ−2θの角度関係を保ちつつ走査することにより、蛍光X線スペクトルを取得する(例えば、非特許文献1参照)。   As shown in FIG. 10, a conventional wavelength dispersive X-ray fluorescence analyzer irradiates a wide area of a sample with X-rays from an X-ray generation source to excite and emits the emitted X-ray fluorescence to a solar slit. In general, the light is passed through and is subjected to Bragg reflection by a flat plate crystal crystal, and then detected by an X-ray detector such as a scintillation counter. In this method, a fluorescent X-ray spectrum is acquired by scanning while maintaining the angle relationship of θ-2θ of the sample, the flat plate crystal, and the detector (see, for example, Non-Patent Document 1).

またSEM、EPMAにおける波長分散型分析装置では、収束電子ビームにより直径数百ミクロン以下の領域から発生する特性X線を分析する。図11に示すように、特性X線は、ヨハンまたはヨハンソン型と呼ばれる湾曲結晶のBragg反射により、X線検出器の受光面に集光される。X線発生源、ヨハンソン型湾曲結晶、X線検出器の受光面は、ローランド円と呼ばれる円周上に配置されており、θ−2θの関係を保った精密な角度走査により、スペクトルを取得する。この方式は、概して集中方式と呼び、特性X線または蛍光X線を広い立体角で受けてBragg反射させることにより、効率良く分析できることを特徴とする(例えば、非特許文献2または3参照)。また、X線励起の場合でも、一次X線がスリットで適度に絞られ、蛍光X線源が微小領域に制限されていれば適用できる。   Further, wavelength dispersion type analyzers in SEM and EPMA analyze characteristic X-rays generated from a region of several hundred microns or less in diameter by a focused electron beam. As shown in FIG. 11, characteristic X-rays are condensed on the light receiving surface of the X-ray detector by Bragg reflection of a curved crystal called Johann or Johansson type. The X-ray generation source, the Johansson-type curved crystal, and the light-receiving surface of the X-ray detector are arranged on a circumference called a Roland circle, and a spectrum is acquired by precise angular scanning that maintains the relationship of θ-2θ. . This method is generally called a concentrated method, and is characterized in that it can be analyzed efficiently by receiving characteristic X-rays or fluorescent X-rays at a wide solid angle and performing Bragg reflection (see, for example, Non-Patent Document 2 or 3). Further, even in the case of X-ray excitation, it can be applied if the primary X-ray is appropriately focused by the slit and the fluorescent X-ray source is limited to a minute region.

しかし、非特許文献1、2および3に記載のような、従来の波長分散型のX線分析装置では、蛍光X線・特性X線発生源、分光結晶、X線検出器のθ−2θの角度関係を保ちながら、精密な角度走査を行う必要があるため、長い測定時間が必要となるという問題があった。また、その間、高出力の電子ビームを照射させ続けなければならないため、試料が損傷することがあるという問題もあった。   However, in the conventional wavelength dispersion type X-ray analyzers as described in Non-Patent Documents 1, 2, and 3, the X-2 of the fluorescent X-ray / characteristic X-ray generation source, the spectral crystal, and the X-ray detector There is a problem that a long measurement time is required because it is necessary to perform precise angular scanning while maintaining the angular relationship. In addition, there is a problem that the sample may be damaged because it is necessary to continue irradiation with a high-power electron beam.

このような問題を解決するため、測定時間が短く、試料損傷が少ない非走査型の波長分散型X線分析が提案されている。そのようなものとして、図12に示すように、微小X線発生源からの蛍光X線を平板分光結晶でBragg反射させ、蛍光X線の回折パターンを2次元検出器によって測定することにより、蛍光X線スペクトルを2.4eVのエネルギー分解能で求めた実験がある(例えば、非特許文献4参照)。この方式では、蛍光X線・特性X線を集光できないために、それらの測定に必ず2次元検出器を要する。また、平板分光結晶であるために、蛍光X線・特性X線を大きな立体角で受けることが困難である。また、分光結晶によるBragg反射後の蛍光X線・特性X線は角度的に広がりを持って進行していくため、2次元検出器の面積が小さい場合には、検知可能な波長域が狭くなり、効率の面で難点がある。   In order to solve such problems, non-scanning wavelength dispersion X-ray analysis has been proposed which has a short measurement time and little sample damage. As shown in FIG. 12, fluorescent X-rays from a minute X-ray generation source are Bragg-reflected by a plate spectral crystal, and a fluorescence X-ray diffraction pattern is measured by a two-dimensional detector. There is an experiment in which an X-ray spectrum is obtained with an energy resolution of 2.4 eV (for example, see Non-Patent Document 4). In this method, since fluorescent X-rays and characteristic X-rays cannot be collected, a two-dimensional detector is required for their measurement. Moreover, since it is a flat plate crystal, it is difficult to receive fluorescent X-rays and characteristic X-rays with a large solid angle. In addition, fluorescent X-rays and characteristic X-rays after Bragg reflection by the spectroscopic crystal travel with an angular spread, so if the area of the two-dimensional detector is small, the detectable wavelength range becomes narrow. There are difficulties in terms of efficiency.

そこで、本発明者らは、「試料」−「検出器」を結ぶ軸に平行な方向のビームの辺の長さを300μm以下に収束させる制御もしくは制限を行ったX線または電子線を試料に照射し、試料から発生する蛍光X線または特性X線を、円筒状結晶表面に対し垂直に結晶方向が制御された、円筒状曲率分布結晶レンズの回折現象を用いて、それぞれの波長ごとに異なる位置に集光させ、それらを2次元または1次元型の位置敏感X線検出器で検出することにより、広い波長範囲の蛍光X線または特性X線スペクトルを一度に測定できるようにした非走査型波長分散型X線分析装置を提案している(例えば、特許文献1参照)。また、図13に示すように、プラズマ励起X線発光の分野では、円錐状の結晶を作製して、2次元X線検出器を使用して分光実験をしている例もある(例えば、非特許文献5参照)。   Therefore, the present inventors used X-rays or electron beams that were controlled or restricted so that the length of the side of the beam in the direction parallel to the axis connecting “sample”-“detector” converged to 300 μm or less. Irradiation and fluorescent X-rays or characteristic X-rays generated from the sample are different for each wavelength by using a diffraction phenomenon of a cylindrical curvature distribution crystal lens whose crystal direction is controlled perpendicular to the cylindrical crystal surface. Non-scanning type that can measure fluorescent X-rays or characteristic X-ray spectra in a wide wavelength range at a time by focusing on the position and detecting them with a two-dimensional or one-dimensional position sensitive X-ray detector A wavelength dispersive X-ray analyzer has been proposed (see, for example, Patent Document 1). In addition, as shown in FIG. 13, in the field of plasma-excited X-ray emission, there is an example in which a conical crystal is produced and a spectroscopic experiment is performed using a two-dimensional X-ray detector (for example, non-existing). (See Patent Document 5).

なお、特許文献1に示す円筒状曲率分布結晶レンズは、Si、Ge、SiGe等の単結晶板を結晶の融点近傍温度にて、高温加圧により塑性加工させ、円筒状に成型したものであり(例えば、非特許文献6参照)、理想的な円筒面上に対し垂直に、少なくとも0.1度以下の精度で結晶の方位が制御されている。また、本発明者らは、特定元素周辺の三次元原子イメージング技術である逆X線光電子ホログラフィーを開発している(例えば、特許文献2参照)。この逆X線光電子ホログラフィーは、例えば、半導体中のドーパントや表面の吸着物の環境構造を三次元的に決定することができ、様々な物質・材料の物性・機能の解明に対し大きな寄与が期待される革新的な評価手法である。   In addition, the cylindrical curvature distribution crystal lens shown in Patent Document 1 is obtained by plastically processing a single crystal plate such as Si, Ge, SiGe or the like at a temperature near the melting point of the crystal by high-temperature pressurization, and molding it into a cylindrical shape. (See, for example, Non-Patent Document 6) The crystal orientation is controlled with an accuracy of at least 0.1 degrees or less perpendicular to the ideal cylindrical surface. In addition, the present inventors have developed reverse X-ray photoelectron holography, which is a three-dimensional atomic imaging technique around a specific element (see, for example, Patent Document 2). This inverse X-ray photoelectron holography can, for example, determine the environmental structure of dopants in semiconductors and adsorbates on the surface in three dimensions, and is expected to make a significant contribution to the elucidation of the physical properties and functions of various substances and materials. It is an innovative evaluation method.

特開2008−180656号公報JP 2008-180656 A 特開2006−300558号公報JP 2006-300558 A

合志陽一、佐藤公隆、「X線分析最前線」、アグネ技術センター、1998年Yoichi Koshi, Kimitaka Sato, "Frontier of X-ray analysis", Agne Technical Center, 1998 日本表面科学会、「電子プローブ・マイクロアナライザー」、丸善株式会社、1999年Japan Surface Science Society, "Electron Probe Microanalyzer", Maruzen Co., Ltd., 1999 桜井健次、「ローランド円半径100ミリの超小型ヨハンソン型蛍光X線分光器の開発」、X線分析の進歩 第35集、2004年、p.201-208Kenji Sakurai, “Development of an ultra-compact Johansson-type X-ray fluorescence spectrometer with a Roland circle radius of 100 mm”, Advances in X-ray analysis, Vol. 35, 2004, p.201-208 S. Hayakawa, Y. Kagoshima, Y. Tsusaka, J. Matsui and T. Hirokawa,“High resolution X-ray fluorescence measurements using a flat analyzer and anX-ray CCD”, J. Trace and Microprobe Technique, 2001年, 19, p.615-621S. Hayakawa, Y. Kagoshima, Y. Tsusaka, J. Matsui and T. Hirokawa, “High resolution X-ray fluorescence measurements using a flat analyzer and anX-ray CCD”, J. Trace and Microprobe Technique, 2001, 19 , p.615-621 C. Bonte, M. Harmand, F. Dorchiesa, S. Magnan, V. Pitre, and J.-C.Kieffer, P. Audebert and J.-P. Geindre, “High dynamic range streak camera forsubpicosecond time-resolved x-ray spectrometry”, Rev. Sci. Instrum., 2007年, 78, p.043503C. Bonte, M. Harmand, F. Dorchiesa, S. Magnan, V. Pitre, and J.-C.Kieffer, P. Audebert and J.-P. Geindre, “High dynamic range streak camera forsubpicosecond time-resolved x -ray spectrometry ”, Rev. Sci. Instrum., 2007, 78, p.043503 K. Nakajima, K. Fujiwara, W. Pan and H. Okuda, “Shapedsilicon-crystal wafers obtained by plastic deformation and their application tosilicon-crystal lenses”, Nature Materials, 2005年, 4, p.47-50K. Nakajima, K. Fujiwara, W. Pan and H. Okuda, “Shapedsilicon-crystal wafers obtained by plastic deformation and their application tosilicon-crystal lenses”, Nature Materials, 2005, 4, p.47-50

しかしながら、特許文献1に記載の円筒状曲率分布結晶レンズを用いた非走査型波長分散型X線分析装置では、同時に複数元素を検出する場合、依然として長い検出器が必要となる。すなわち、円筒状結晶を用いたときの、試料から焦点までの距離Lは、以下の式(1)で与えられる。   However, the non-scanning wavelength dispersion type X-ray analyzer using the cylindrical curvature distribution crystal lens described in Patent Document 1 still requires a long detector when detecting a plurality of elements at the same time. That is, the distance L from the sample to the focal point when a cylindrical crystal is used is given by the following formula (1).

ここで、rは結晶の曲率半径、dは結晶の格子面間隔、λはX線の波長、nは1以上の整数である。 Here, r s is the radius of curvature of the crystal, d is the lattice spacing of the crystal, λ is the X-ray wavelength, and n is an integer of 1 or more.

例えば、r=50mm、Ge(220)面の円筒状結晶を用いた場合、NiからGaまで(Ni、Cu、Zn、Ga)の元素を同時に分析しようと思えば、7cm以上の長さを有する検出器が必要となる。元素数をさらに増やせば、これ以上の長さが必要になる。現在、ダイレクト撮像方式(シンチレーターで変換しないタイプ)のX線CCDは、2cm×2cmのものが最大であり、これを直接、非走査型波長分散型X線分析装置に適用しても、効率よく測定することは難しいという課題があった。また、検出器の面を円筒の中心軸を含むように配置する必要があるため、図14に示すように、検出面に対し入射角が10−20゜程度のかなりの低角となり、スポットが滲みやすく、スペクトルのエネルギー分解能が低いという課題もあった。 For example, if a cylindrical crystal of r s = 50 mm and Ge (220) plane is used, a length of 7 cm or more is required if simultaneously analyzing elements from Ni to Ga (Ni, Cu, Zn, Ga). A detector is required. If the number of elements is further increased, a longer length is required. At present, the maximum size of the direct imaging system (type that does not convert with a scintillator) is 2cm x 2cm, and even if it is directly applied to a non-scanning wavelength dispersion X-ray analyzer, it is efficient. There was a problem that it was difficult to measure. Further, since it is necessary to arrange the surface of the detector so as to include the central axis of the cylinder, as shown in FIG. 14, the incident angle becomes a considerably low angle of about 10-20 ° with respect to the detection surface, and the spot is formed. There were also problems of easy bleeding and low spectral energy resolution.

また、非特許文献5に記載の円錐状の結晶を用いるものでも、大きな立体角でX線を受けられず、効率よく測定することは難しいという課題があった。   Further, even those using the conical crystals described in Non-Patent Document 5 cannot receive X-rays with a large solid angle, and there is a problem that it is difficult to measure efficiently.

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、より多くの元素を同時に効率よく検出することができ、スペクトルのエネルギー分解能を高めることができる分光結晶、波長分散型X線分析装置および元素分布測定方法を提供することを目的としている。   The present invention has been made by paying attention to such a problem, and a spectroscopic crystal and a wavelength dispersive X-ray analyzer that can detect more elements simultaneously and efficiently and can improve the energy resolution of the spectrum. And an element distribution measurement method.

上記目的を達成するために、本発明に係る分光結晶は、波長分散型X線分析で試料と検出器との間に配置して使用される分光結晶であって、所定の基準直線に沿って、前記基準直線を含む基準平面に対して垂直に交わる円弧を連ねた形状を成す内側面を有し、前記基準直線に沿って前記円弧の曲率が変化するとともに、前記円弧を含む円弧含有平面と前記基準直線との成す角が変化するよう構成されていることを、特徴とする。   In order to achieve the above object, a spectroscopic crystal according to the present invention is a spectroscopic crystal that is used by being disposed between a sample and a detector in wavelength dispersion X-ray analysis, and is along a predetermined reference line. An inner surface having a shape formed by connecting arcs perpendicular to a reference plane including the reference straight line, the curvature of the arc changing along the reference straight line, and an arc-containing plane including the arc An angle formed with the reference straight line is configured to change.

特に、本発明に係る分光結晶で、前記内側面は、前記基準直線に沿って前記試料から前記検出器に向かって、前記円弧の曲率半径が小さくなるとともに、前記円弧と前記基準平面とが交わる円弧交点と、前記基準直線と前記円弧含有平面とが交わる基準交点とを結ぶ線分と、前記基準交点から前記試料側の前記基準直線との成す角が小さくなるよう構成されていることが好ましい。   Particularly, in the spectroscopic crystal according to the present invention, the inner surface has a radius of curvature of the arc that decreases from the sample toward the detector along the reference straight line, and the arc and the reference plane intersect. It is preferable that the angle formed between the arc intersection, the line segment connecting the reference straight line and the reference intersection where the arc-containing plane intersects, and the reference straight line on the sample side from the reference intersection is reduced. .

また、本発明に係る波長分散型X線分析装置は、前記基準直線が前記試料と前記検出器とを結ぶ軸に一致するよう、または、前記基準平面内で前記軸と平行になるよう配置された本発明に係る分光結晶と、前記試料に向かってX線または電子線を照射する光源と、X線を検出する線状または面状の検出部を有し、前記検出部が前記軸に対して垂直を成すよう配置されている前記検出器とを、有していることを特徴とする。   Further, the wavelength dispersion type X-ray analyzer according to the present invention is arranged so that the reference straight line coincides with an axis connecting the sample and the detector, or parallel to the axis in the reference plane. A spectral crystal according to the present invention, a light source for irradiating the sample with X-rays or electron beams, and a linear or planar detection unit for detecting X-rays, the detection unit being configured with respect to the axis And the detector arranged to be vertical.

以下に、本発明に係る分光結晶およびその分光結晶を利用した本発明に係る波長分散型X線分析装置の原理について説明する。
図1に示すように、円錐状の結晶を用いた場合、X線の発生点(試料)pと集光点pとを結ぶ軸が、円錐状結晶の中心軸(円錐の頂点と底面の円の中心とを結ぶ軸であって、図1中のx軸と同一の軸)と一致するものとする。この結晶によって回折を生じるX線の波長は、次のBraggの式によって決定される。
Hereinafter, the principle of the spectral crystal according to the present invention and the wavelength dispersion X-ray analyzer according to the present invention using the spectral crystal will be described.
As shown in FIG. 1, when a conical crystals, the axis connecting the X-ray generating point (sample) p s and the focal point p f, the center axis of the cone-like crystal (vertex and the base of the cone And the same axis as the x-axis in FIG. 1). The wavelength of the X-ray that causes diffraction by this crystal is determined by the following Bragg equation.

ここで、dは格子面間隔、θは格子面と入射X線とがなす角で、通常Bragg角と呼ばれている。また、λはX線の波長であり、nは正の整数である。X線の発生点pから、lで示される円錐状結晶の弧(円錐の切断円)の部分に照射されるX線は、全て格子面に対する視射角θが等しいため、式(2)から、同一波長λのX線を回折することが分かる。回折したX線は、再び回転中心軸に向かって進行することとなる。この円錐切断円の中心点pからpまでの距離をLとする。また、pから集光点pまでの距離をLとする。このとき、L、Lの値を次式で計算することができる。 Here, d is an interval between lattice planes, and θ is an angle formed by the lattice plane and incident X-rays, and is usually called a Bragg angle. Λ is the wavelength of X-rays, and n is a positive integer. Since all the X-rays irradiated from the X-ray generation point p s to the arc (conical cut circle) portion of the conical crystal indicated by l have the same viewing angle θ with respect to the lattice plane, the equation (2) From this, it is understood that X-rays having the same wavelength λ are diffracted. The diffracted X-ray travels again toward the rotation center axis. Let L 1 be the distance from the center point p 1 to p s of this conical cut circle. In addition, the distance from the p l to the focal point p f and L 2. At this time, the values of L 1 and L 2 can be calculated by the following equations.

ここで、rは結晶の曲率半径、αは結晶表面と回転中心軸とのなす角である。θは、式(2)より、λの関数であることが分かる。 Here, r is the radius of curvature of the crystal, and α is the angle between the crystal surface and the rotation center axis. From equation (2), it can be seen that θ is a function of λ.

図2は、図1に示す円錐状結晶を、適当な厚みに輪切りにしたものの一部を、例として4つ(図2中ではa、b、c、dで表示)配列したものである。なお、ここでは各々の円錐状結晶の一部を、異なる回転中心軸の傾き、そして異なる場所に配置している。β、β、βは、Fで示される検出器の検出面または検出軸(検出部)の法線からの傾きである。なお、円錐状結晶cは、その回転中心軸と検出器の検出面または検出軸の法線とが平行とし(β=0゜)、図2中には表示していない。また、円錐状結晶a、b、c、dのαを、それぞれα、α、α、αとする。円錐状結晶a、b、c、dの弧l、l、l、lにおいて、それぞれ波長λ、λ、λ、λのX線(蛍光X線や特性X線)を反射するものとする。l、l、l、lにおける曲率半径を、それぞれr、r、r、rとする。ここで、λ、λ、λ、λの関係は、λ<λ<λ<λとする。 FIG. 2 shows an example in which a portion of the conical crystal shown in FIG. 1 which has been cut into appropriate thicknesses is arranged as an example (indicated by a, b, c and d in FIG. 2). Here, a part of each conical crystal is arranged at a different inclination and a different location of the rotation center axis. β a , β b , and β d are inclinations from the normal of the detection surface or detection axis (detection unit) of the detector indicated by F. Note that the conical crystal c has a rotation center axis parallel to the detection surface of the detector or the normal of the detection axis (β c = 0 °), and is not shown in FIG. In addition, α of the conical crystals a, b, c, and d are α a , α b , α c , and α d , respectively. X-rays (fluorescence X-rays and characteristic X-rays) of wavelengths λ a , λ b , λ c , and λ d at the arcs l a , l b , l c , and l d of the conical crystals a, b, c, and d, respectively. Shall be reflected. Let radii of curvature at l a , l b , l c , and l d be r a , r b , r c , and r d , respectively. Here, the relationship between λ a , λ b , λ c , and λ d is λ abcd .

図2に示すように、距離p−pfa、p−pfb、p−pfc、p−pfdは、それぞれ、D/cos(β)、D/cos(β)、D、D/cos(β)と表すことができる。ここで、Dはpから検出器Fまでの距離である。ただし、βが5゜以下の低角である場合、距離p−pfa、p−pfb、p−pfc、p−pfdは、全てDと近似することができる。ここで、式(2)、(3)、(4)より、焦点までの距離Dを一定に保ちつつ、λを大きくする場合には、基本的にはrも大きくする必要があることが分かる。従って、λ<λ<λ<λを満たすには、r<r<r<rとなる必要がある。また、結晶の位置が、p(試料)−F(検出器)間の中点であればα=0゜とし、中点から検出器寄りになるに従って、αを大きくする必要がある。また、p寄りになるに従って、αは小さくする必要がある。このため、αには、α<α<α<αの関係が必要となる。 As shown in FIG. 2, the distances p s -p fa , p s -p fb , p s -p fc , and p s -p fd are D / cos (β a ) and D / cos (β b ), respectively. , D, D / cos (β d ). Here, D is the distance from p s to the detector F. However, when β is a low angle of 5 ° or less, the distances p s −p fa , p s −p fb , p s −p fc , and p s −p fd can all be approximated to D. Here, from the equations (2), (3), and (4), it can be seen that when λ is increased while the distance D to the focal point is kept constant, it is basically necessary to increase r. . Therefore, in order to satisfy λ abcd , it is necessary to satisfy r a <r b <r c <r d . Further, if the crystal position is a midpoint between p s (sample) and F (detector), α = 0 °, and it is necessary to increase α as the midpoint approaches the detector. Also, α needs to be reduced as it approaches p s . Therefore, a relationship of α abcd is required for α.

これにより、図2に示すような、a、b、c、dの4つの円錐状結晶の一部の配置によって、X線の進行方向に対して、比較的、垂直に検出面・検出軸(検出部)が配置されている検出器F上に、異なる4つの波長λ、λ、λ、λのX線を結像することができる。また、pからFの方向に対して、結晶上での位置の変化とともに、パラメーターα、βおよびrを変えることにより、波長の異なるX線(蛍光X線や特性X線)を、X線の進行方向に対し比較的垂直に結像させることができる。 As a result, as shown in FIG. 2, the arrangement of a part of the four conical crystals a, b, c and d makes the detection surface / detection axis (vertical) relatively perpendicular to the X-ray traveling direction. X-rays having four different wavelengths λ a , λ b , λ c , and λ d can be imaged on the detector F in which the detection unit) is disposed. Also, by changing the parameters α, β and r along with the change in position on the crystal in the direction from p s to F, X-rays having different wavelengths (fluorescent X-rays and characteristic X-rays) can be converted into X-rays. It is possible to form an image relatively perpendicular to the traveling direction.

図2では、4つの円錐状結晶の一部を用いているが、さらに多くの円錐状結晶の一部を区分的に配列し、その結晶の幅を小さくしていき、スプライン曲線で補完すると、滑らかな曲面形状を想定することができる。本発明に係る分光結晶および波長分散型X線分析装置では、例えば、図2に示す円錐状結晶cの回転中心軸を基準直線(図2(a)中の、Lb)とし、図2(b)のp(試料)とp(検出器)とを結ぶ軸を含み紙面に垂直な面(図2(a)の紙面に対応する面)を基準平面とすると、幅を小さくした各円錐状結晶の一部が円弧に対応し、滑らかな曲面が内側面に対応する。 In FIG. 2, a part of four conical crystals is used, but a part of a larger number of conical crystals are arranged in a piecewise manner, the width of the crystals is reduced, and complemented with a spline curve. A smooth curved surface shape can be assumed. In the spectral crystal and wavelength dispersive X-ray analyzer according to the present invention, for example, the rotation center axis of the conical crystal c shown in FIG. 2 is a reference straight line (Lb in FIG. 2A), and FIG. ) And a plane perpendicular to the paper surface (a surface corresponding to the paper surface of FIG. 2A) including an axis connecting p s (sample) and p f (detector) is a reference plane. Part of the shaped crystal corresponds to the arc, and the smooth curved surface corresponds to the inner surface.

このことから、本発明に係る分光結晶および波長分散型X線分析装置は、非走査型であり、走査型のものに比べて、より多くの元素を同時に効率よく検出することができ、測定時間を大幅に短縮することができる。また、検出部(検出面または検出軸)が試料(p)と検出器(F)とを結ぶ軸に対して垂直を成すよう、検出器を配置することにより、検出部への入射角が垂直に近くなるため、スペクトルのエネルギー分解能を高めることができる。また、試料(p)から検出器(F)に向かって、円弧の曲率半径が小さくなるとともに、円弧と基準平面とが交わる円弧交点(図2(a)中の円錐dの場合、Parc)と、基準直線Lbと円弧含有平面とが交わる基準交点(図2(a)中の円錐dの場合、Pb)とを結ぶ線分と、基準交点(Pb)から試料側の基準直線Lbとの成す角が小さくなる場合には、特にそれらの効果が高い。 Therefore, the spectral crystal and the wavelength dispersion type X-ray analyzer according to the present invention are non-scanning type, and can detect more elements simultaneously and efficiently than the scanning type, and the measurement time. Can be greatly shortened. Further, by arranging the detector so that the detection unit (detection surface or detection axis) is perpendicular to the axis connecting the sample (p s ) and the detector (F), the incident angle to the detection unit is reduced. Since it is close to vertical, the energy resolution of the spectrum can be increased. Further, the radius of curvature of the arc decreases from the sample ( ps ) toward the detector (F), and an arc intersection where the arc and the reference plane intersect (Parc in the case of the cone d in FIG. 2A). And a line segment connecting the reference straight line Lb and the reference intersection point where the arc-containing plane intersects (Pb in the case of the cone d in FIG. 2A) and the reference straight line Lb on the sample side from the reference intersection point (Pb) These effects are particularly high when the angle formed is small.

また、図3(a)に示すように、分光結晶の背骨に相当する部分、すなわち、円弧と基準平面とが交わる円弧交点(Parc)を連ねた部分A−Bが直線の場合に比べ、図3(b)に示すように、背骨に相当する部分A−Bを曲げることにより、最大焦点間距離を短くすることができる。このため、図3(b)の場合には、さらに多くの元素を同時に検出することができ、効率がよい。また、検出器を小さくしたり、市販のものを使用したりすることができ、検出器の材料コストを低減できるとともに、装置の小型化を図ることができる。   Further, as shown in FIG. 3A, the portion corresponding to the backbone of the spectroscopic crystal, that is, the portion AB in which the arc intersections (Parc) where the arc and the reference plane intersect with each other is a straight line. As shown in FIG. 3B, the maximum focal distance can be shortened by bending the portion AB corresponding to the spine. For this reason, in the case of FIG.3 (b), more elements can be detected simultaneously and efficiency is good. Further, the detector can be made smaller or a commercially available one can be used, so that the material cost of the detector can be reduced and the apparatus can be downsized.

なお、本発明に係る分光結晶は、高精度でX線分析を行うために、内側面に対し垂直に、少なくとも0.1度以下の精度で結晶の方位が制御されていることが好ましい。また、検出器は、例えば、2次元の面状の検出部を有するものとして、X線CCD(charge-coupled device)やイメージングプレートなどから成り、1次元の線状の検出部を有するものとして、PSPC(position sensitive proportional counter)、PAD(pixel array detector)などから成ることが好ましい。   In the spectral crystal according to the present invention, in order to perform X-ray analysis with high accuracy, it is preferable that the crystal orientation is controlled with an accuracy of at least 0.1 degrees or less perpendicular to the inner surface. In addition, the detector includes, for example, a two-dimensional planar detection unit, an X-ray CCD (charge-coupled device), an imaging plate, and the like, and a one-dimensional linear detection unit. It is preferably composed of PSPC (position sensitive proportional counter), PAD (pixel array detector) and the like.

本発明に係る分光結晶は、Si、Ge、SiGeのいずれか一つから成ることが好ましい。この場合、X線分析に適した分光結晶を得ることができる。また、本発明に係る分光結晶は、単結晶板を、その融点近傍温度で加圧することにより塑性加工して形成されることが好ましい。この場合、加工精度が良く、高精度でX線分析を行うことができる。また、内側面に対し垂直に、少なくとも0.1度以下の精度で結晶の方位を容易に制御することができる。   The spectral crystal according to the present invention is preferably made of any one of Si, Ge, and SiGe. In this case, a spectral crystal suitable for X-ray analysis can be obtained. The spectral crystal according to the present invention is preferably formed by plastic working a single crystal plate at a temperature near its melting point. In this case, processing accuracy is good, and X-ray analysis can be performed with high accuracy. Also, the crystal orientation can be easily controlled with an accuracy of at least 0.1 degrees or less perpendicular to the inner surface.

本発明に係る分光結晶は、前記内側面の表面に、所定の膜間隔を有する多層膜が設けられていてもよい。この場合、比較的エネルギーが低い軟X線の領域でも、X線分析を行うことができる。多層膜は、例えば、(W/C)n、(Mo/Si)nなどの比較的密度の大きい物質と小さい物質とを組み合わせたものから成っている。 In the spectral crystal according to the present invention, a multilayer film having a predetermined film interval may be provided on the surface of the inner surface. In this case, X-ray analysis can be performed even in a soft X-ray region having relatively low energy. The multilayer film is composed of, for example, a combination of a material having a relatively high density such as (W / C) n and (Mo / Si) n and a material having a small density.

本発明に係る波長分散型X線分析装置で、前記光源は、照射するX線または電子線の前記軸に平行な方向の辺の長さが300μm以下であることが好ましい。この場合、エネルギー分解能を高めることができる。例えば、8keVのX線を使用したとき、検出器で5eVの分解能を達成することができる。   In the wavelength dispersive X-ray analyzer according to the present invention, the light source preferably has a side length of 300 μm or less in a direction parallel to the axis of the X-ray or electron beam to be irradiated. In this case, energy resolution can be increased. For example, when 8 keV X-rays are used, a resolution of 5 eV can be achieved with the detector.

本発明に係る波長分散型X線分析装置で、前記分光結晶は複数から成り、それぞれ前記内側面の形状が異なっており、それぞれが分光する異なる元素域によるX線が前記検出器で検出されるよう配置されていてもよい。この場合、分光結晶の面積や検出器の大きさの制限により、一つの分光結晶で、一度に広い元素域に亘って全てのX線(蛍光X線や特性X線)スペクトルを測定できないときであっても、複数の分光結晶により、一度に広い元素域に亘って測定を行うことができる。   In the wavelength dispersive X-ray analyzer according to the present invention, the spectroscopic crystal is composed of a plurality of pieces, each of which has a different shape on the inner surface, and X-rays generated by different element regions that are separated from each other are detected by the detector. It may be arranged as follows. In this case, all X-rays (fluorescent X-rays and characteristic X-rays) cannot be measured over a wide elemental area with a single spectroscopic crystal due to restrictions on the area of the spectroscopic crystal and the size of the detector. Even if it exists, it can measure over a wide elemental area | region at once with several spectral crystals.

本発明に係る元素分布測定方法は、本発明に係る波長分散型X線分析装置の前記光源から、X線または電子線を前記試料の表面を走査するよう照射し、前記試料のそれぞれの照射位置に対応するX線を前記検出器で検出し、その検出結果と対応する前記試料の照射位置とに基づいて、前記試料の元素分布情報を得ることを、特徴とする。   In the element distribution measurement method according to the present invention, the light source of the wavelength dispersive X-ray analyzer according to the present invention emits X-rays or electron beams so as to scan the surface of the sample, and each irradiation position of the sample The X-ray corresponding to is detected by the detector, and element distribution information of the sample is obtained based on the detection result and the irradiation position of the sample corresponding to the detection result.

本発明に係る元素分布測定方法によれば、いわゆる元素マッピングを容易に行うことができる。本発明に係る元素分布測定方法は、本発明に係る波長分散型X線分析装置を用いるため、同時に複数の元素を測定することができ、走査型のX線分析装置を用いる場合と比べて、大幅に測定時間を短縮することができる。測定精度を高めるため、光源から照射するX線または電子線は、ビーム径が数ミクロン以下に絞られていることが好ましい。   According to the element distribution measuring method according to the present invention, so-called element mapping can be easily performed. Since the element distribution measuring method according to the present invention uses the wavelength dispersive X-ray analyzer according to the present invention, it is possible to measure a plurality of elements at the same time, compared to the case of using a scanning X-ray analyzer, Measurement time can be greatly shortened. In order to improve measurement accuracy, it is preferable that the X-ray or electron beam emitted from the light source is narrowed to a beam diameter of several microns or less.

本発明によれば、より多くの元素を同時に効率よく検出することができ、スペクトルのエネルギー分解能を高めることができる分光結晶、波長分散型X線分析装置および元素分布測定方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a spectroscopic crystal, a wavelength dispersive X-ray analyzer, and an element distribution measuring method that can detect more elements simultaneously and efficiently and can enhance the energy resolution of the spectrum. .

本発明に係る分光結晶に関する、円錐状結晶における分光・集光の原理を示す(a)側面図、(b)正面図である。It is the (a) side view and (b) front view which show the principle of the spectroscopy and condensing in the conical crystal regarding the spectral crystal concerning this invention. 本発明に係る分光結晶に関する、図1に示すパラメーターの異なる4つの円錐状結晶の一部を配置して、一つの面上に集光させる場合の原理を示す(a)側面図、(b)平面図である。(A) Side view, (b) showing the principle when a portion of four conical crystals having different parameters shown in FIG. 1 are arranged and condensed on one surface, concerning the spectral crystal according to the present invention. It is a top view. 本発明に係る分光結晶の分光・集光の原理を示す(a)背骨に相当する部分が直線の場合、(b)背骨に相当する部分が湾曲した場合の側面図である。It is a side view in the case where (a) the part corresponding to the spine is a straight line, and (b) the part corresponding to the spine is curved, illustrating the principle of spectral and condensing of the spectral crystal according to the present invention. 本発明の実施の形態の分光結晶および波長分散型X線分析装置を示す側面図である。1 is a side view showing a spectral crystal and a wavelength dispersive X-ray analyzer according to an embodiment of the present invention. 図4に示す分光結晶および波長分散型X線分析装置の、試料から検出器までの範囲の側面図である。It is a side view of the range from a sample to a detector of the spectral crystal and wavelength dispersion type X-ray analyzer shown in FIG. 図4に示す分光結晶および波長分散型X線分析装置の、試料から検出器までの範囲の斜視図である。FIG. 5 is a perspective view of a range from a sample to a detector of the spectral crystal and wavelength dispersive X-ray analyzer shown in FIG. 4. 図4に示す分光結晶および波長分散型X線分析装置の、分光結晶が複数の場合の配置例を示す斜視図である。FIG. 5 is a perspective view showing an arrangement example of the spectral crystal and the wavelength dispersive X-ray analyzer shown in FIG. 4 when there are a plurality of spectral crystals. 図4に示す分光結晶および波長分散型X線分析装置の、分光結晶の形状の設計原理を説明する側面図である。It is a side view explaining the design principle of the shape of a spectral crystal of the spectral crystal and wavelength dispersion type | mold X-ray analyzer shown in FIG. 図4に示す分光結晶および波長分散型X線分析装置の、図8に示す分光結晶を用いた(a)5元素を含む試料の蛍光X線集光パターン、(b)集光パターンのX線強度分布を示すグラフ、(c)試料を純元素に変えた場合の蛍光X線集光パターンである。FIG. 8 shows (a) a fluorescent X-ray condensing pattern of a sample containing five elements, and (b) an X-ray of the condensing pattern of the spectroscopic crystal and wavelength dispersive X-ray analyzer shown in FIG. The graph which shows intensity distribution, (c) It is a fluorescent X-ray condensing pattern at the time of changing a sample into a pure element. 従来の一般的な波長分散型蛍光X線分析装置を示す側面図である。It is a side view which shows the conventional general wavelength dispersion type | mold fluorescence X-ray-analysis apparatus. 従来の集中方式による波長分散型特性X線分析装置を示す側面図である。It is a side view which shows the wavelength dispersion type characteristic X-ray analyzer by the conventional concentration system. 従来の平板分光結晶を用いた非走査型の波長分散型X線分析装置を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the conventional non-scanning wavelength dispersion type | mold X-ray-analysis apparatus using a flat plate spectral crystal. 従来の円錐状結晶を用いた非走査型の波長分散型X線分析装置を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the conventional non-scanning wavelength dispersion type | mold X-ray-analysis apparatus using a conical crystal. 従来の円筒状結晶を用いた非走査型の波長分散型X線分析装置を示す側面図である。It is a side view which shows the conventional non-scanning wavelength dispersion type | mold X-ray-analysis apparatus using a cylindrical crystal.

以下、図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
図4乃至図9は、本発明の実施の形態の分光結晶および波長分散型X線分析装置を示している。
図4乃至図6に示すように、波長分散型X線分析装置10は、非走査型であり、光源11とXZステージ12と分光結晶13と検出器14とを有している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
4 to 9 show a spectroscopic crystal and a wavelength dispersive X-ray analyzer according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIGS. 4 to 6, the wavelength dispersion type X-ray analyzer 10 is a non-scanning type, and includes a light source 11, an XZ stage 12, a spectral crystal 13, and a detector 14.

図4に示すように、光源11は、Moターゲットを用いた回転対陰極型のX線発生装置から成り、X線を照射可能になっている。光源11は、前方に配置されたスリット15により、ビームサイズを150×150μmに制限するようになっている。 As shown in FIG. 4, the light source 11 is composed of a rotating counter-cathode type X-ray generator using a Mo target, and can irradiate X-rays. The light source 11 is configured to limit the beam size to 150 × 150 μm 2 by a slit 15 disposed in front.

XZステージ12は、分析対象の試料1を設置するようになっている。XZステージ12は、設置された試料1に、光源11からのX線を照射して励起させ、蛍光X線または特性X線を放出させるようになっている。XZステージ12は、光源11に対する角度を調整して、試料1からの蛍光X線の放出方向を調整可能になっている。   The XZ stage 12 is configured to install the sample 1 to be analyzed. The XZ stage 12 emits fluorescent X-rays or characteristic X-rays by irradiating the installed sample 1 with X-rays from the light source 11 and exciting them. The XZ stage 12 can adjust the emission direction of fluorescent X-rays from the sample 1 by adjusting the angle with respect to the light source 11.

図4乃至図6に示すように、分光結晶13は、図1乃至図3で説明した原理に基づいた形状を成している。分光結晶13は、Si、Ge、SiGeのいずれか一つから成り、その単結晶板を、その融点近傍温度で加圧することにより塑性加工して形成されている。これにより、分光結晶13は、内側面に対し垂直に、少なくとも0.1度以下の精度で結晶の方位が制御されている。分光結晶13は、基準直線Lbが試料1と検出器14とを結ぶ軸に一致するよう配置されている。なお、分光結晶13は、5軸ステージに設置され、試料1や検出器14に対する角度を微調節可能になっている。   As shown in FIGS. 4 to 6, the spectroscopic crystal 13 has a shape based on the principle described with reference to FIGS. The spectral crystal 13 is made of any one of Si, Ge, and SiGe, and is formed by plastic working by pressing the single crystal plate at a temperature near its melting point. Thereby, the orientation of the crystal of the spectroscopic crystal 13 is controlled with an accuracy of at least 0.1 degrees or less perpendicular to the inner surface. The spectral crystal 13 is arranged such that the reference straight line Lb coincides with the axis connecting the sample 1 and the detector 14. The spectroscopic crystal 13 is installed on a five-axis stage, and the angle with respect to the sample 1 and the detector 14 can be finely adjusted.

検出器14は、X線CCDから成り、X線を検出する面状の検出部14aを有している。検出器14は、検出部14aが、試料1と検出器14とを結ぶ軸に対して垂直を成すよう配置されている。   The detector 14 is composed of an X-ray CCD, and has a planar detector 14a that detects X-rays. The detector 14 is arranged such that the detection unit 14 a is perpendicular to the axis connecting the sample 1 and the detector 14.

次に、作用について説明する。
波長分散型X線分析装置10は、分光結晶13により、試料1から放出される蛍光X線または特性X線を、試料1のX線源を中心とした動径方向に対し、比較的垂直な方向に、波長によってそれぞれ異なる位置に配列させて、焦点を結ばせることができる。それらは直線上に分布し、その強度分布が蛍光X線または特性X線のスペクトルと対応するようになっている。その複数のスペクトルを、検出器14により同時に検出することができる。
Next, the operation will be described.
The wavelength dispersive X-ray analyzer 10 causes the spectral crystal 13 to emit fluorescent X-rays or characteristic X-rays that are relatively perpendicular to the radial direction centering on the X-ray source of the sample 1. It is possible to focus in the direction by arranging in different positions depending on the wavelength. They are distributed on a straight line, and the intensity distribution corresponds to the spectrum of fluorescent X-rays or characteristic X-rays. The plurality of spectra can be detected simultaneously by the detector 14.

波長分散型X線分析装置10は、例えば、曲率半径50〜30mmで変化させたGe(110)の分光結晶13を用いた場合には、2〜3cmの範囲で4〜5元素の蛍光X線の焦点を結ばせることができる。このため、検出器14として、市販のX線CCDを使用しても、十分に対応することができる。具体的な一例として、図3(a)に示すように、分光結晶13の背骨に相当する部分A−Bが直線状の場合、Bragg角10.2〜32.7゜の領域に含まれるCrからMoのK線を集光させる、Ge(110)基板を用いた分光結晶13の曲率半径、軸傾きなどのパラメーターを、表1に示す。表1には、曲率半径60〜50、50〜30、30〜20mmの3タイプの分光結晶13を用いた場合の、カバーできる蛍光・特性X線のエネルギー範囲(Bragg角)と分析できる元素の範囲とを示している。   When the wavelength dispersive X-ray analyzer 10 uses, for example, a Ge (110) spectral crystal 13 having a curvature radius of 50 to 30 mm, fluorescent X-rays of 4 to 5 elements in a range of 2 to 3 cm. Can be focused. For this reason, even if a commercially available X-ray CCD is used as the detector 14, it can respond sufficiently. As a specific example, as shown in FIG. 3A, when the portion AB corresponding to the spine of the spectral crystal 13 is linear, the Cr included in the region having a Bragg angle of 10.2 to 32.7 °. Table 1 shows parameters such as the radius of curvature and the axis tilt of the spectroscopic crystal 13 using the Ge (110) substrate for condensing the K-line of Mo. Table 1 shows the energy range (Bragg angle) of the fluorescent and characteristic X-rays that can be covered and the elements that can be analyzed when three types of spectral crystals 13 having a radius of curvature of 60 to 50, 50 to 30, and 30 to 20 mm are used. Range.

なお、分光結晶13を製造するための形状結晶加工用グラファイト製金型は、例えば、表1に示すパラメーターなどを基に、三次元CADにて図面化し、5軸加工機を用いて作製することができる。   In addition, the graphite mold for shape crystal processing for manufacturing the spectral crystal 13 is prepared by drawing with a three-dimensional CAD based on the parameters shown in Table 1 and the like and using a five-axis processing machine. Can do.

このように、分光結晶13および波長分散型X線分析装置10は、非走査型であり、走査型のものに比べて、より多くの元素を同時に効率よく検出することができ、測定時間を大幅に短縮することができる。これにより、試料1の損傷を防ぐことができる。また、検出部14aが試料1と検出器14とを結ぶ軸に対して垂直を成すよう配置されているため、検出部14aへの入射角が垂直に近くなり、スペクトルのエネルギー分解能を高めることができる。また、検出器を小さくしたり、市販のものを使用したりすることができ、検出器の材料コストを低減できるとともに、装置の小型化を図ることができる。表1に示す具体的な一例では、焦点距離を20mm程度まで短くすることができ、装置を非常にコンパクトにすることができる。   Thus, the spectroscopic crystal 13 and the wavelength dispersive X-ray analyzer 10 are non-scanning, and can detect more elements simultaneously and efficiently than the scanning type, greatly increasing the measurement time. Can be shortened. Thereby, damage to the sample 1 can be prevented. In addition, since the detection unit 14a is arranged so as to be perpendicular to the axis connecting the sample 1 and the detector 14, the incident angle to the detection unit 14a becomes nearly vertical, and the energy resolution of the spectrum can be improved. it can. Further, the detector can be made smaller or a commercially available one can be used, so that the material cost of the detector can be reduced and the apparatus can be downsized. In a specific example shown in Table 1, the focal length can be shortened to about 20 mm, and the apparatus can be made very compact.

なお、分光結晶13は、内側面の表面に、所定の膜間隔を有する多層膜が設けられていてもよい。多層膜は、例えば、(W/C)n、(Mo/Si)nなどの比較的密度の大きい物質と小さい物質とを組み合わせたものから成っている。分光結晶13の内側面の表面に、面間隔5nmの人工多層膜を作製して分光に用いたときの、カバーできるエネルギー範囲を、表2に示す。表2に示すように、人工多層膜を使用することにより、比較的エネルギーが低い軟X線の領域でも、X線分析を行うことができる。 The spectral crystal 13 may be provided with a multilayer film having a predetermined film interval on the inner surface. The multilayer film is composed of, for example, a combination of a material having a relatively high density such as (W / C) n and (Mo / Si) n and a material having a small density. Table 2 shows the energy range that can be covered when an artificial multilayer film having a surface spacing of 5 nm is prepared on the inner surface of the spectral crystal 13 and used for spectroscopy. As shown in Table 2, by using an artificial multilayer film, X-ray analysis can be performed even in a soft X-ray region having relatively low energy.

また、図7に示すように、分光結晶13が複数から成り、それぞれ内側面の形状が異なっており、それぞれが分光する異なる元素域によるX線が検出器14で検出されるよう配置されていてもよい。この場合、分光結晶13の面積や検出器14の大きさの制限により、一つの分光結晶13で、一度に広い元素域に亘って全てのX線(蛍光X線や特性X線)スペクトルを測定できないときであっても、複数の分光結晶13により、一度に広い元素域に亘って測定を行うことができる。   Further, as shown in FIG. 7, the spectroscopic crystal 13 includes a plurality of crystals, each of which has a different shape on the inner side surface, and is arranged so that X-rays generated by different element regions that are spectrally separated can be detected by the detector 14. Also good. In this case, all the X-ray (fluorescent X-ray and characteristic X-ray) spectra are measured with a single spectral crystal 13 over a wide elemental area at a time due to limitations on the area of the spectral crystal 13 and the size of the detector 14. Even when it is not possible, measurement can be performed over a wide elemental region at once by the plurality of spectral crystals 13.

次に、分光結晶13および波長分散型X線分析装置10による測定例を示す。
ここでは、分光結晶13としてGe(110)単結晶を用い、Ge(220)回折を利用してNi〜Geまでの元素を集光させられるよう、Bragg角18〜25°に対応する結晶を作製した。
Next, a measurement example using the spectral crystal 13 and the wavelength dispersive X-ray analyzer 10 will be described.
Here, a Ge (110) single crystal is used as the spectroscopic crystal 13, and a crystal corresponding to a Bragg angle of 18 to 25 ° is produced so that elements from Ni to Ge can be condensed using Ge (220) diffraction. did.

分光結晶13に要求される曲面の設計は、三次元CAD(computer aided design)を用いて行った。図8に示すように、試作した分光結晶13は、検出器14の法線方向に平行な背骨を有し、背骨とX線源(試料1)との距離が50mmに配置されることを想定して作製した。このとき、分光結晶13の線源側端部において、Bragg角25.0°のX線を曲率半径50mm、軸傾き0.0°で受けるものとした。この時点で、「試料1(X線源)」−「分光結晶13の線源側端部」−「検出器14」の距離が、107.2mmと決定される。分光結晶13の背骨に対し、各元素に固有のBragg角で入射した蛍光X線が、それに等しい角度で反射し、検出器14上に到達する。この到達点で集光するためには、到達点とX線源とを結んだ線を中心軸とすればよいため、この軸に下ろした垂線が、それぞれの蛍光X線の集光に必要な曲率半径となる。既に、X線源、分光結晶13および検出器14の位置関係が定まっているため、各元素固有のBragg角および結晶の検出器側端部に18.0°で入射するという条件を与えると、曲率半径およびその曲率円(円弧を含む円)における試料1と検出器14とを結ぶ軸と、交差する軸の傾きが自ずと定まる。表3に、試作した分光結晶13の形状を規定する主要なパラメーターを示す。   The curved surface required for the spectral crystal 13 was designed using a three-dimensional CAD (computer aided design). As shown in FIG. 8, it is assumed that the prototype spectral crystal 13 has a spine parallel to the normal direction of the detector 14 and the distance between the spine and the X-ray source (sample 1) is 50 mm. And produced. At this time, the X-ray with a Bragg angle of 25.0 ° was received at the end of the spectral crystal 13 on the radiation source side with a radius of curvature of 50 mm and an axial inclination of 0.0 °. At this time, the distance of “sample 1 (X-ray source)” − “end of the spectral crystal 13 on the source side” − “detector 14” is determined to be 107.2 mm. Fluorescent X-rays incident on the backbone of the spectral crystal 13 at a Bragg angle unique to each element are reflected at an angle equal to that and reach the detector 14. In order to collect light at this arrival point, the line connecting the arrival point and the X-ray source may be used as the central axis, and a perpendicular line drawn down this axis is necessary for condensing each fluorescent X-ray. The radius of curvature. Since the positional relationship among the X-ray source, the spectroscopic crystal 13 and the detector 14 has already been determined, given the conditions that the Bragg angle specific to each element and the detector side end of the crystal are incident at 18.0 °, The inclination of the axis of intersection between the axis connecting the sample 1 and the detector 14 in the radius of curvature and the circle of curvature (a circle including an arc) and the intersecting axis are naturally determined. Table 3 shows main parameters that define the shape of the prototyped spectral crystal 13.

三次元CAD上で分光結晶13の両端部および各元素に対応した曲率円を描画した後、これらの円と円との間を滑らかに結ぶように曲面を自動生成させることで、曲面形状を決定した。この曲面を有する高温加圧加工用金型を同CAD上で設計し、CADシステムと接続された5軸加工機に情報を送ることで、グラファイトを要求金型形状に加工した。   After drawing the curvature circles corresponding to each end of the spectroscopic crystal 13 and each element on the three-dimensional CAD, the curved surface shape is determined by automatically generating curved surfaces so as to smoothly connect these circles. did. A high-temperature pressurizing die having this curved surface was designed on the same CAD, and the information was sent to a 5-axis machine connected to the CAD system to process the graphite into the required die shape.

Ge(110)単結晶ウエハを金型に挟み、不活性ガス雰囲気下で融点(938℃)近傍温度まで昇温後、プレスすることでその結晶性を維持したまま、平板単結晶ウエハを所望の分光結晶13の形状へと加工する。本実施例においては、53×49×0.5(厚さ)mmのGe(110)単結晶ウエハを,Ar雰囲気下で900℃に保持した後、50kgfの荷重を金型にかけることにより、高温加圧加工を施した。   A Ge (110) single crystal wafer is sandwiched between molds, heated to a temperature close to the melting point (938 ° C.) in an inert gas atmosphere, and then pressed to maintain a desired flat single crystal wafer while maintaining its crystallinity. Processing into the shape of the spectral crystal 13. In this example, a 53 × 49 × 0.5 (thickness) mm Ge (110) single crystal wafer was held at 900 ° C. in an Ar atmosphere, and then a 50 kgf load was applied to the mold. High-temperature pressure processing was performed.

試料1には5つの元素(Ni、Cu、Zn、Ga、Ge)を含有する合金を用い、これにX線を照射することで蛍光X線を発生させた。合金を励起させるための光源11(X線源)は、Moターゲットを用いた回転対陰極型のX線発生装置であり、X線のビームサイズをスリット15により、150×150μmに制限した。 For sample 1, an alloy containing five elements (Ni, Cu, Zn, Ga, Ge) was used, and X-rays were irradiated to the alloy to generate fluorescent X-rays. The light source 11 (X-ray source) for exciting the alloy is a rotating anti-cathode type X-ray generator using a Mo target, and the X-ray beam size is limited to 150 × 150 μm 2 by the slit 15.

X線CCDにより測定した、合金に含有される5元素の蛍光X線集光パターンを、図9(a)に示す。図9に示すように、測定されたパターンは、複数の元素からの蛍光X線が別々に集光されており、各元素のKα線がKαおよびKαに明瞭に分離されている。これらのパターンを、図9(a)の矢印の方向に平均化(積分)したものを、図9(b)に示す。図9(b)の横軸は測定したCCDのチャンネル数を、縦軸は強度(任意単位)を表している。また、試料1を純元素(Ni 99+%、Cu 99.96%、Zn 99.5%、Ge単結晶)に変えた場合の蛍光X線集光パターンを、図9(c)に示す。図9(c)に基づいて、図9(b)のピークを同定している。Cu Kαピークの半値幅から、エネルギー分解能は13eV程度と算出することができる。 FIG. 9A shows a fluorescent X-ray condensing pattern of five elements contained in the alloy measured by an X-ray CCD. As shown in FIG. 9, the measured pattern, a fluorescent X-ray from the plurality of elements are condensed separately, K [alpha line of each element are clearly separated in K [alpha 1 and K [alpha 2. FIG. 9B shows a result obtained by averaging (integrating) these patterns in the direction of the arrow in FIG. In FIG. 9B, the horizontal axis represents the number of measured CCD channels, and the vertical axis represents intensity (arbitrary unit). Further, FIG. 9C shows a fluorescent X-ray condensing pattern when the sample 1 is changed to a pure element (Ni 99 +%, Cu 99.96%, Zn 99.5%, Ge single crystal). Based on FIG. 9C, the peak of FIG. 9B is identified. From the half width of the Cu Kα 1 peak, the energy resolution can be calculated to be about 13 eV.

このように、分光結晶13および波長分散型X線分析装置10によれば、蛍光X線や特性X線の受光立体角が大きく、かつ複数の元素の高分解能スペクトルを同時に検出することができるため、測定時間を飛躍的に短縮することができる。例えば、従来の走査型のX線分析装置に比べて、測定時間を1〜2桁程度短縮することができる。このため、従来は困難であった、低出力であるが高分解能なコールドタイプのFE−SEMでも、波長分散方式を適用することができる。   As described above, according to the spectroscopic crystal 13 and the wavelength dispersive X-ray analyzer 10, the light receiving solid angle of fluorescent X-rays and characteristic X-rays is large, and high-resolution spectra of a plurality of elements can be detected simultaneously. Measurement time can be dramatically shortened. For example, the measurement time can be shortened by about 1 to 2 digits as compared with a conventional scanning X-ray analyzer. For this reason, the chromatic dispersion method can be applied even to a cold type FE-SEM with low output but high resolution, which has been difficult in the past.

なお、本発明の実施の形態の元素分布測定方法として、分光結晶13および波長分散型X線分析装置10を使用して、光源11から、X線または電子線を試料1の表面を走査するよう照射し、試料1のそれぞれの照射位置に対応するX線を検出器14で検出し、その検出結果と対応する試料1の照射位置とに基づいて、試料1の元素分布情報を得てもよい。   As a method for measuring the element distribution according to the embodiment of the present invention, the surface of the sample 1 is scanned with X-rays or electron beams from the light source 11 using the spectral crystal 13 and the wavelength dispersive X-ray analyzer 10. The X-ray corresponding to each irradiation position of the sample 1 is detected by the detector 14, and the element distribution information of the sample 1 may be obtained based on the detection result and the irradiation position of the corresponding sample 1. .

この本発明の実施の形態の元素分布測定方法によれば、いわゆる元素マッピングを容易に行うことができる。従来の走査型の波長分散型の測定装置を使用する場合には、基本的に一度に一元素しか測定できないため、幾つかの元素を同時に測定するには、長い測定時間を要していた。これに対し、本発明の実施の形態の元素分布測定方法では、波長分散型X線分析装置10を用いるため、同時に複数の元素を測定することができ、大幅に測定時間を短縮することができる。なお、測定精度を高めるため、光源11から照射するX線または電子線は、ビーム径が数ミクロン以下に絞られていることが好ましい。   According to the element distribution measuring method of the embodiment of the present invention, so-called element mapping can be easily performed. In the case of using a conventional scanning type wavelength dispersion type measuring apparatus, basically only one element can be measured at a time. Therefore, it takes a long measuring time to measure several elements simultaneously. On the other hand, in the element distribution measurement method according to the embodiment of the present invention, since the wavelength dispersion type X-ray analyzer 10 is used, a plurality of elements can be measured at the same time, and the measurement time can be greatly shortened. . In order to increase the measurement accuracy, the X-ray or electron beam emitted from the light source 11 is preferably narrowed to a beam diameter of several microns or less.

また、分光結晶13および波長分散型X線分析装置10によれば、特定元素周辺の三次元原子イメージング技術である逆X線光電子ホログラフィーを高精度で実施することができる。逆X線光電子ホログラフィーは、特性X線の強度を、試料方位の関数として測定する手法であるが、電子線励起のために制動放射白色X線も同時に検出される。この制動放射X線は、スペクトルのバックグランドとなるため、特に0.1%以下の微量元素の測定を行う場合には、エネルギー分解能が150eV程度の半導体検出器ではホログラフィー測定が困難となる。従来の波長分散型のX線分析装置では、特性X線の受光立体角が小さく、十分な強度が稼げないため、ホログラフィー測定が困難であった。これに対し、分光結晶13および波長分散型X線分析装置10は、分解能が高いため、そのような微量元素の検出下限を改善することができ、高精度のホログラフィー測定を行うことができる。   Further, according to the spectral crystal 13 and the wavelength dispersive X-ray analyzer 10, reverse X-ray photoelectron holography, which is a three-dimensional atomic imaging technique around a specific element, can be performed with high accuracy. Inverse X-ray photoelectron holography is a technique for measuring the intensity of characteristic X-rays as a function of sample orientation, and bremsstrahlung white X-rays are also detected simultaneously for electron beam excitation. Since this bremsstrahlung X-ray becomes a spectrum background, holographic measurement becomes difficult with a semiconductor detector having an energy resolution of about 150 eV, particularly when measuring trace elements of 0.1% or less. In the conventional wavelength dispersion type X-ray analyzer, since the solid angle of receiving characteristic X-rays is small and sufficient intensity cannot be obtained, holographic measurement is difficult. On the other hand, since the spectral crystal 13 and the wavelength dispersive X-ray analyzer 10 have high resolution, the lower detection limit of such trace elements can be improved, and high-precision holographic measurement can be performed.

また、分光結晶13および波長分散型X線分析装置10によれば、時分割測定が可能な検出器14を用いることにより、反応中の試料のX線スペクトル変化を測定し、リアルタイムで解析することもできる。   Further, according to the spectroscopic crystal 13 and the wavelength dispersive X-ray analyzer 10, by using the detector 14 capable of time-division measurement, the change in the X-ray spectrum of the sample during the reaction is measured and analyzed in real time. You can also.

1 試料
10 波長分散型X線分析装置
11 光源
12 XZステージ
13 分光結晶
14 検出器
14a 検出部
15 スリット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sample 10 Wavelength dispersive X-ray analyzer 11 Light source 12 XZ stage 13 Spectroscopic crystal 14 Detector 14a Detector 15 Slit

Claims (9)

波長分散型X線分析で試料と検出器との間に配置して使用される分光結晶であって、
所定の基準直線に沿って、前記基準直線を含む基準平面に対して垂直に交わる円弧を連ねた形状を成す内側面を有し、前記基準直線に沿って前記円弧の曲率が変化するとともに、前記円弧を含む円弧含有平面と前記基準直線との成す角が変化するよう構成されていることを、
特徴とする分光結晶。
A spectroscopic crystal that is used between a sample and a detector in wavelength dispersive X-ray analysis,
An inner surface having a shape formed by connecting arcs perpendicular to a reference plane including the reference line along a predetermined reference line, and the curvature of the arc changes along the reference line; An angle formed by an arc-containing plane including an arc and the reference straight line is configured to change.
Spectral crystal characterized.
前記内側面は、前記基準直線に沿って前記試料から前記検出器に向かって、前記円弧の曲率半径が小さくなるとともに、前記円弧と前記基準平面とが交わる円弧交点と、前記基準直線と前記円弧含有平面とが交わる基準交点とを結ぶ線分と、前記基準交点から前記試料側の前記基準直線との成す角が小さくなるよう構成されていることを、特徴とする請求項1記載の分光結晶。   The inner surface has an arc intersection where the radius of curvature of the arc decreases from the sample toward the detector along the reference straight line, and an arc intersection where the arc and the reference plane intersect, and the reference straight line and the arc. 2. The spectroscopic crystal according to claim 1, wherein an angle formed by a line segment connecting a reference intersection where the contained plane intersects with the reference straight line on the sample side from the reference intersection is reduced. . Si、Ge、SiGeのいずれか一つから成ることを、特徴とする請求項1または2記載の分光結晶。   3. The spectral crystal according to claim 1, wherein the spectroscopic crystal is made of any one of Si, Ge, and SiGe. 単結晶板を、その融点近傍温度で加圧することにより塑性加工して形成されることを、特徴とする請求項1、2または3記載の分光結晶。   4. The spectroscopic crystal according to claim 1, 2 or 3, wherein the single crystal plate is formed by plastic working by pressing at a temperature near its melting point. 前記内側面の表面に、所定の膜間隔を有する多層膜が設けられていることを、特徴とする請求項1、2、3または4記載の分光結晶。   5. The spectroscopic crystal according to claim 1, wherein a multilayer film having a predetermined film interval is provided on a surface of the inner surface. 前記基準直線が前記試料と前記検出器とを結ぶ軸に一致するよう、または、前記基準平面内で前記軸と平行になるよう配置された請求項1、2、3、4または5記載の分光結晶と、
前記試料に向かってX線または電子線を照射する光源と、
X線を検出する線状または面状の検出部を有し、前記検出部が前記軸に対して垂直を成すよう配置されている前記検出器とを、
有していることを特徴とする波長分散型X線分析装置。
6. The spectroscopic method according to claim 1, wherein the reference line is arranged so as to coincide with an axis connecting the sample and the detector, or to be parallel to the axis in the reference plane. Crystals,
A light source that emits X-rays or electron beams toward the sample;
The detector having a linear or planar detection unit for detecting X-rays, wherein the detection unit is arranged to be perpendicular to the axis;
A wavelength dispersive X-ray analyzer characterized by comprising:
前記光源は、照射するX線または電子線の前記軸に平行な方向の辺の長さが300μm以下であることを、特徴とする請求項6記載の波長分散型X線分析装置。   The wavelength dispersion type X-ray analyzer according to claim 6, wherein the light source has a side length of 300 μm or less in a direction parallel to the axis of the X-ray or electron beam to be irradiated. 前記分光結晶は複数から成り、それぞれ前記内側面の形状が異なっており、それぞれが分光する異なる元素域によるX線が前記検出器で検出されるよう配置されていることを、特徴とする請求項6または7記載の波長分散型X線分析装置。   The said spectroscopic crystal consists of two or more, respectively, The shape of the said inner surface differs, It arrange | positions so that the X-ray by the different element area | region which each may disperse | distributes may be detected with the said detector. 6. A wavelength dispersive X-ray analyzer according to 6 or 7. 請求項6、7または8記載の波長分散型X線分析装置の前記光源から、X線または電子線を前記試料の表面を走査するよう照射し、前記試料のそれぞれの照射位置に対応するX線を前記検出器で検出し、その検出結果と対応する前記試料の照射位置とに基づいて、前記試料の元素分布情報を得ることを、特徴とする元素分布測定方法。
An X-ray or an electron beam is irradiated from the light source of the wavelength dispersive X-ray analyzer according to claim 6, 7 or 8 so as to scan the surface of the sample, and the X-ray corresponding to each irradiation position of the sample Is detected by the detector, and element distribution information of the sample is obtained based on the detection result and the corresponding irradiation position of the sample.
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