JP2013019678A - High-speed xafs measurement device and operation method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、低濃度試料に対してミリ秒の時間分解能で連続的に時間分解計測を行うことのできる高速XAFS測定装置、及びその作動方法に関する。 The present invention relates to a high-speed XAFS measuring apparatus capable of continuously performing time-resolved measurement with a time resolution of millisecond on a low-concentration sample, and an operating method thereof.
触媒などの材料物質の化学反応における作用を原子レベルで理解するには、化学反応過程にある材料物質の構造や化学状態をその場観察することが必要である。これらの材料物質の多くは結晶状態を取らずに非晶質構造を形成しており、その構造解析や化学状態解析をガス雰囲気・溶液雰囲気などのその場環境で実施できる最も有効な手法として、XAFS計測法を挙げることができる。XAFS計測法は、測定対象原子のX線吸収端エネルギーの近傍でのX線吸収量の変化を、試料から透過するX線量の測定(透過XAFS法)や、試料からの蛍光X線量の測定(蛍光XAFS法)により高精度に計測する手法である(例えば、非特許文献1)。 In order to understand the effects of chemical reactions of material substances such as catalysts at the atomic level, it is necessary to observe the structure and chemical state of the material substances in the chemical reaction process in situ. Many of these material substances form an amorphous structure without taking a crystalline state, and as the most effective technique for carrying out structural analysis and chemical state analysis in an in-situ environment such as a gas atmosphere / solution atmosphere, An XAFS measurement method can be mentioned. In the XAFS measurement method, a change in the X-ray absorption amount in the vicinity of the X-ray absorption edge energy of a measurement target atom is measured by measuring an X-ray dose transmitted through a sample (transmission XAFS method) or by measuring a fluorescent X-ray dose from a sample ( This is a method of measuring with high accuracy by the fluorescent XAFS method (for example, Non-Patent Document 1).
触媒活性のような一過性の化学反応を追跡するには、ミリ秒オーダーから分オーダーの時間スケールでXAFS計測を連続的に実行することが必要である。従来のミリ秒オーダーの時間分解能でのXAFS計測は、湾曲結晶X線分光器を利用したエネルギー分散型XAFS計測法により行われていた(例えば、非特許文献2)。この計測法は、位置敏感型X線検出器を用いて、試料を透過するX線強度をXAFSのスペクトル領域全体に渡って一括で計測する手法であるため、計測時間の分解能をミリ秒オーダーにすることが可能である。しかしながら、測定対象とする元素の濃度が高い試料(例えば、約1重量%以上の高濃度試料)に対してのみ適用可能であり、多くの実触媒や薄膜デバイスなどに代表される濃度の低い試料(例えば、約1重量%未満の低濃度試料)に対しては適用できない。 To track transient chemical reactions such as catalyst activity, it is necessary to continuously perform XAFS measurements on a time scale from the millisecond to minute order. Conventional XAFS measurement with a time resolution on the order of milliseconds has been performed by an energy dispersive XAFS measurement method using a curved crystal X-ray spectrometer (for example, Non-Patent Document 2). This measurement method uses a position-sensitive X-ray detector to measure the X-ray intensity transmitted through the sample in a batch over the entire XAFS spectral region, so the measurement time resolution is on the order of milliseconds. Is possible. However, it can be applied only to a sample with a high concentration of element to be measured (for example, a high concentration sample of about 1% by weight or more), and a sample with a low concentration represented by many actual catalysts and thin film devices. It is not applicable to (for example, a low concentration sample of less than about 1% by weight).
このような中で、クイックXAFS計測法の開発が行われてきている。クイックXAFS計測法は、高濃度試料のみに適用できる透過XAFS法に加え、低濃度試料に適用できる蛍光XAFS法を併用する手法である(例えば、非特許文献3)。クイックXAFS計測法では、X線分光器を高速に角度走引する(例えば、1°程度の角度範囲を、10msから1分程度の速度で角度走引する)ことによりX線エネルギーを測定し、試料に入射するX線の強度、試料を透過したX線の強度を高速、高効率かつ、高精度に計測するシステムを用いる(透過クイックXAFS計測システム)。効率性の観点から、試料に入射するX線の強度は、その約10〜30%を検出するように設計することが望ましく、試料を透過したX線の強度は、そのほぼ100%を計測することが望ましいとされている。これに加えて、クイックXAFS計測法では、試料から発する蛍光X線の強度について高速、高効率かつ、高精度に計測を行うシステムを用いる(蛍光クイックXAFS計測システム)。 Under such circumstances, a quick XAFS measurement method has been developed. The quick XAFS measurement method is a technique in which a fluorescent XAFS method that can be applied to a low concentration sample is used in addition to a transmission XAFS method that can be applied only to a high concentration sample (for example, Non-Patent Document 3). In the quick XAFS measurement method, the X-ray spectrometer is measured at high speed (for example, the angle range of about 1 ° is angled at a speed of about 10 ms to about 1 minute), and the X-ray energy is measured. A system that measures the intensity of X-rays incident on the sample and the intensity of X-rays transmitted through the sample at high speed, high efficiency, and high accuracy (transmission quick XAFS measurement system) is used. From the viewpoint of efficiency, it is desirable that the intensity of the X-ray incident on the sample is designed to detect about 10 to 30%, and the intensity of the X-ray transmitted through the sample measures almost 100%. It is considered desirable. In addition, the quick XAFS measurement method uses a system that measures the intensity of fluorescent X-rays emitted from a sample at high speed, high efficiency, and high accuracy (fluorescence quick XAFS measurement system).
これまでに、10ミリ秒オーダーの時間分解能を有するクイックXAFS計測システムが知られている(非特許文献4)。また、10ミリ秒以下の時間分解能でクイックXAFS計測を行うために使用できる高速角度走引X線分光器が存在する(非特許文献5)。 So far, a quick XAFS measurement system having a time resolution of the order of 10 milliseconds is known (Non-Patent Document 4). In addition, there is a high-speed angular scanning X-ray spectrometer that can be used to perform quick XAFS measurement with a time resolution of 10 milliseconds or less (Non-Patent Document 5).
従来の透過クイックXAFS計測に用いるX線検出器としては、10マイクロ秒オーダーの応答時間性能を有するガス電離X線検出器(イオンチェンバー検出器)がある。また、従来の蛍光クイックXAFS計測に用いるX線検出器としては、1マイクロ秒以下の応答時間性能を有する光電子増倍管あるいは、シリコンPINフォトダイオード検出器がある(非特許文献4,6)。ここで「応答時間」は、X線が検出器に入射し、それが計測回路で電気信号として計測された時に、当該電気信号が有する時間幅によって決定される。応答時間が短い、すなわち応答速度が速いと、計測された電気信号の時間幅は狭くなり、それだけ計測の時間分解能は向上することになる。 As an X-ray detector used for conventional transmission quick XAFS measurement, there is a gas ionization X-ray detector (ion chamber detector) having a response time performance on the order of 10 microseconds. As an X-ray detector used for conventional fluorescence quick XAFS measurement, there is a photomultiplier tube or a silicon PIN photodiode detector having a response time performance of 1 microsecond or less (Non-Patent Documents 4 and 6). Here, the “response time” is determined by the time width of the electric signal when the X-ray enters the detector and is measured as an electric signal by the measurement circuit. When the response time is short, that is, the response speed is high, the time width of the measured electrical signal is narrowed, and the time resolution of the measurement is improved accordingly.
また、時間分解XAFS計測は高いX線強度が得られる放射光実験施設においてのみ可能であり、従来の10ミリ秒オーダーの時間分解能を有するクイックXAFS計測法では、放射光X線パルスが均一な時間分布をもつ放射光運転条件(例えば放射光施設SPring−8では運転時間全体の60〜70%程度を占める)の下でのみ計測を行うことができる(非特許文献7)。 In addition, time-resolved XAFS measurement can be performed only in a synchrotron radiation experimental facility where high X-ray intensity can be obtained. In the conventional quick XAFS measurement method having a time resolution on the order of 10 milliseconds, the time when the synchrotron X-ray pulse is uniform. Measurement can be performed only under a synchrotron radiation operating condition having a distribution (for example, the synchrotron radiation facility SPring-8 occupies about 60 to 70% of the entire operation time) (Non-patent Document 7).
従来のクイックXAFS計測法において透過X線を検出するための検出器として用いられてきたイオンチェンバー検出器の応答時間は10マイクロ秒オーダーであった。そのため、ミリ秒オーダーの時間分解能を有するXAFS計測を行うために、10マイクロ秒以下の応答時間で透過X線の強度を計測可能なX線検出器を開発する必要がある。 The response time of an ion chamber detector that has been used as a detector for detecting transmitted X-rays in the conventional quick XAFS measurement method is on the order of 10 microseconds. Therefore, in order to perform XAFS measurement having time resolution on the order of milliseconds, it is necessary to develop an X-ray detector capable of measuring the intensity of transmitted X-rays with a response time of 10 microseconds or less.
また、蛍光X線検出器として用いる光電子増倍管は、電流計測モードで使用する場合の応答時間は10マイクロ秒オーダーであった。また、光電子増倍管をフォトンカウンティングモードで動作させると、応答時間は1マイクロ秒以下を実現できるが、高強度の入射X線を用いた場合に計数ロス(数え落とし)が生じ、効率良く計測することが困難であった。一方、シリコンPINフォトダイオード検出器はX線を吸収するシリコン素子の空乏層厚さが薄く、特に20keV以上の高エネルギーX線を高効率で計測することが困難であった。従って、高強度の蛍光X線を少ない計数ロスで計測する方法が必要とされている。 The photomultiplier tube used as the fluorescent X-ray detector had a response time on the order of 10 microseconds when used in the current measurement mode. When the photomultiplier tube is operated in the photon counting mode, the response time can be 1 microsecond or less, but counting loss occurs when high-intensity incident X-rays are used. It was difficult to do. On the other hand, the silicon PIN photodiode detector has a thin depletion layer thickness of a silicon element that absorbs X-rays, and it has been difficult to measure high energy X-rays of 20 keV or more with high efficiency. Therefore, there is a need for a method for measuring high-intensity fluorescent X-rays with a small counting loss.
更に、XAFSに用いるX線源の運転条件として、放射光X線のパルスが不均一な時間分布をもつような場合には、試料に入射するX線の強度がマイクロ秒のオーダーで時間変動してしまうため、従来は、このような運転条件をミリ秒オーダーの時間分解能を有するクイックXAFS計測に使用することが困難であった。X線パルスの時間分布が不均一な放射光運転条件は、例えば放射光施設SPring−8を例にとると、運転時間全体の30〜40%程度を占めるものであるため、かかる運転条件をXAFS測定に利用できないことは非常に非効率である。そのため、このような運転条件の下でXAFS計測を行うことが可能な技術が求められている。 Further, as an operating condition of the X-ray source used for XAFS, when the synchrotron radiation X-ray pulse has a non-uniform time distribution, the intensity of the X-ray incident on the sample varies with time in the order of microseconds. Therefore, conventionally, it has been difficult to use such operating conditions for quick XAFS measurement having a time resolution on the order of milliseconds. For example, the synchrotron radiation facility SPring-8 occupies about 30 to 40% of the synchrotron radiation operating conditions in which the time distribution of the X-ray pulses is non-uniform. It is very inefficient to be unavailable for measurement. Therefore, a technique capable of performing XAFS measurement under such operating conditions is demanded.
上記目的を達成するため、本発明のXAFS計測装置は、X線応答時間が10マイクロ秒以下の入射X線検出器、X線応答時間が10マイクロ秒以下の透過X線検出器、及びX線応答時間が10マイクロ秒以下の蛍光X線検出器、を備えている。 In order to achieve the above object, an XAFS measurement apparatus of the present invention includes an incident X-ray detector having an X-ray response time of 10 microseconds or less, a transmission X-ray detector having an X-ray response time of 10 microseconds or less, and an X-ray A fluorescent X-ray detector having a response time of 10 microseconds or less;
本発明の入射X線検出器および透過X線検出器としては、X線応答時間が10マイクロ秒以下の任意の透過型X線検出装置を用いることができるが、好ましくはイオンチェンバー検出器であり、この場合には、応答時間を10マイクロ秒以下にするため、イオンチェンバー検出器を構成する2枚の電極の間隔を1〜3mmとし、X線の光軸方向における各電極の長さを200mm〜400mmとする必要がある。電極間隔が1mmより狭いと、電極間にX線を通過させることが困難となるため、好ましくない。また電極長が200mmよりも短いと、電極への移動速度が高速であるが、X線吸収率の低い軽元素不活性ガス(例えば、ヘリウムあるいは窒素)を使用できなくなるため、好ましくない。電極間隔および電極長をこの範囲にすることにより、10マイクロ秒以下のX線応答時間が得られる。 As the incident X-ray detector and the transmission X-ray detector of the present invention, any transmission X-ray detector having an X-ray response time of 10 microseconds or less can be used, but an ion chamber detector is preferable. In this case, in order to reduce the response time to 10 microseconds or less, the interval between the two electrodes constituting the ion chamber detector is set to 1 to 3 mm, and the length of each electrode in the X-ray optical axis direction is set to 200 mm. It is necessary to be set to ~ 400 mm. If the distance between the electrodes is narrower than 1 mm, it is difficult to pass X-rays between the electrodes, which is not preferable. If the electrode length is shorter than 200 mm, the moving speed to the electrode is high, but it is not preferable because a light element inert gas (for example, helium or nitrogen) having a low X-ray absorption rate cannot be used. By setting the electrode interval and the electrode length within this range, an X-ray response time of 10 microseconds or less can be obtained.
本発明の蛍光X線検出器としては、X線応答時間が10マイクロ秒以下の任意の蛍光X線検出装置を用いることができるが、低エネルギーから高エネルギーの蛍光X線(例えば、4〜40keV)に対応する場合、好ましくは、複数のX線光子からなる電圧パルスを複数の電圧パルスに複製するパルス分配器と、X線光子の個数に対応した電圧パルスを計測するパルスカウンターとを備えている。かかる構成をとることにより、複数のX線光子からなる電圧パルスを光子1個とカウントすることによる光子の数え落としが極めて少なくなり、高効率な10マイクロ秒以下のX線応答時間を達成することができる。 As the fluorescent X-ray detector of the present invention, any fluorescent X-ray detector having an X-ray response time of 10 microseconds or less can be used, but low to high energy fluorescent X-rays (for example, 4 to 40 keV). ), Preferably, a pulse distributor that replicates a voltage pulse composed of a plurality of X-ray photons into a plurality of voltage pulses, and a pulse counter that measures a voltage pulse corresponding to the number of X-ray photons. Yes. By adopting such a configuration, the number of photons counted by counting a voltage pulse consisting of a plurality of X-ray photons as one photon is extremely reduced, and a highly efficient X-ray response time of 10 microseconds or less is achieved. Can do.
本発明のXAFS計測装置は、X線源に接続された、入射X線強度の時間変動とX線計測のタイミングとを同期させるための装置を更に備えていても良い。
本発明のXAFS計測装置を作動させる際に、かかる同期装置を用いて、X線源から照射されるX線の強度に対応した同期信号を測定し、当該同期信号に基づきX線計測のためのトリガー信号を生成し、当該トリガー信号を透過X線検出器及び蛍光X線検出器に入力して入射X線強度の時間変動とX線計測のタイミングとを同期させることにより、入射強度に時間変動の存するX線を入射X線として用いる場合であっても、10マイクロ秒以下の時間間隔で連続的にXAFS計測を行うことが可能となる。
The XAFS measurement apparatus of the present invention may further include an apparatus connected to the X-ray source for synchronizing the time variation of the incident X-ray intensity and the timing of the X-ray measurement.
When the XAFS measurement apparatus of the present invention is operated, the synchronization device is used to measure a synchronization signal corresponding to the intensity of X-rays emitted from the X-ray source, and for X-ray measurement based on the synchronization signal. Generates a trigger signal, inputs the trigger signal to a transmission X-ray detector and a fluorescent X-ray detector, and synchronizes the time variation of the incident X-ray intensity with the timing of the X-ray measurement, thereby varying the time of the incident intensity. Even in the case where X-rays having the above are used as incident X-rays, XAFS measurement can be continuously performed at time intervals of 10 microseconds or less.
本発明のXAFS計測装置及びその作動方法を利用することにより、濃度の希薄な各種の触媒物質(燃料電池電極触媒、蓄電池電極触媒、光触媒、化学合成触媒等)や材料物質の構造や電子状態が化学反応によって変化する様子を、10ミリ秒以下の時間分解能でその場観察することが可能となる。 By utilizing the XAFS measuring apparatus and its operating method of the present invention, the structure and electronic state of various kinds of catalytic materials (fuel cell electrode catalyst, storage battery electrode catalyst, photocatalyst, chemical synthesis catalyst, etc.) and material materials having a low concentration can be obtained. It is possible to observe in situ the state of change caused by a chemical reaction with a time resolution of 10 milliseconds or less.
本発明のXAFS計測装置は、試料に入射するX線の強度を10マイクロ秒以下の応答時間で計測可能な検出器、試料を透過したX線の強度を10マイクロ秒以下の応答時間で計測可能な検出器、および、試料から発生する蛍光X線の強度を10マイクロ秒以下の応答時間で計測可能な検出器を具備している。 The XAFS measurement apparatus of the present invention can detect the intensity of X-rays incident on a sample with a response time of 10 microseconds or less, and can measure the intensity of X-rays transmitted through the sample with a response time of 10 microseconds or less. And a detector capable of measuring the intensity of fluorescent X-rays generated from the sample with a response time of 10 microseconds or less.
(入射X線検出器および透過X線検出器)
図1に、従来から入射X線検出器および透過X線検出器として広く用いられている平行平板型イオンチェンバー検出器の模式図を示す。平行平板型イオンチェンバー検出器は、2枚の電極(高圧電極2と電子収集電極3)の間に不活性ガス(ヘリウム、窒素、あるいはアルゴンあるいは、それらの混合ガス)を充填した筐体1である(図1)。2枚の電極2,3の間には、高電圧が負荷され、強い電場が形成される。X線はイオンチェンバーの側面に設置された窓4から入射し、不活性ガスを電離し、ガスイオンと電子とを生成する。電極2,3間に負荷された電場に従って、ガスイオンは高圧電極2側に、電子は電子収集極3側に移動することで、2つの電極の間に微小電流が流れる。それを高速微小電流計測器6(例えば、高速電流アンプおよび高速デジタイザ)を用いて計測し、X線強度を計測する。不活性ガスに吸収されなかったX線は、もう一方の側面に設置された窓5から出射する。イオンチェンバーの応答時間は、応答速度が充分に高速な(例えば、1マイクロ秒程度の応答時間を有する)微小電流計測器を使用する場合、電離イオンと電子のそれぞれが電極まで移動する時間によって決定される。
(Incident X-ray detector and transmitted X-ray detector)
FIG. 1 is a schematic diagram of a parallel plate ion chamber detector that has been widely used as an incident X-ray detector and a transmission X-ray detector. The parallel plate ion chamber detector is a case 1 in which an inert gas (helium, nitrogen, argon, or a mixed gas thereof) is filled between two electrodes (a high-voltage electrode 2 and an electron collecting electrode 3). Yes (Figure 1). A high voltage is loaded between the two electrodes 2 and 3, and a strong electric field is formed. X-rays enter from a window 4 installed on the side of the ion chamber, ionize the inert gas, and generate gas ions and electrons. According to the electric field loaded between the electrodes 2 and 3, gas ions move to the high voltage electrode 2 side, and electrons move to the electron collecting electrode 3 side, so that a minute current flows between the two electrodes. It is measured using a high-speed minute current measuring device 6 (for example, a high-speed current amplifier and a high-speed digitizer), and the X-ray intensity is measured. X-rays that have not been absorbed by the inert gas are emitted from the window 5 installed on the other side surface. The response time of the ion chamber is determined by the time for each ionized ion and electron to move to the electrode when using a microcurrent measuring device with a sufficiently high response speed (for example, having a response time of about 1 microsecond). Is done.
本発明の一実施態様においては、図2に記載されているように、10マイクロ秒以下の応答時間で透過X線を検出するために、イオンチェンバー検出器を構成する2枚の電極2,3の間隔を従来の間隔(多くは10mm以上)の1/3以下の3mmとして(ナローギャップ構造)、電極間の電場強度を高めた。さらに、電極間隔を3mmに短くすると、X線の入射により電離したイオン及び電子の電極までの移動距離が1/3以下に短縮される。加えて、当該実施態様においては、X線の光軸方向における電極の長さを280mmとした。電極長を200mm以上にすることで、ヘリウムや窒素などの、電極への移動速度が高速であるものの、X線吸収率の低い軽元素不活性ガスを使用することが可能となる。これらの結果として、電離イオンと電子とが電極へ到達するまでに要する時間を、従来の1/5倍程度に短縮することができる。これにより、試料に入射するX線、および試料から透過したX線強度をマイクロ秒オーダーの応答時間で計測することが可能となる。また、本発明の長電極長ナローギャップイオンチェンバー検出器は、長尺で間隔の狭い電極間の中心付近に高精度にX線を通過させるため、自動高さ調整ステージ10および自動傾斜角度調整ステージ9を用いて高精度に遠隔操作で位置調整することができる。まず自動高さ調整ステージを用いて、長電極長ナローギャップイオンチェンバー検出器を通過するX線の強度を計測しながら、電極間の中心付近をX線が通過するようにイオンチェンバーの高さ調整を行う。次に自動傾斜角度調整ステージを用いて、長電極長ナローギャップイオンチェンバー検出器を通過するX線の強度を計測しながら、電極とX線の通過する向きを平行に合わせる。上記の操作により、X線は、長電極長ナローギャップイオンチェンバー検出器の全長にわたり電極の中心付近を通過する。 In one embodiment of the invention, as described in FIG. 2, the two electrodes 2, 3 comprising an ion chamber detector are used to detect transmitted X-rays with a response time of 10 microseconds or less. Was set to 3 mm (narrow gap structure), which is 1/3 or less of the conventional interval (mostly 10 mm or more), and the electric field strength between the electrodes was increased. Furthermore, if the electrode interval is shortened to 3 mm, the moving distance of ions and electrons ionized by the incidence of X-rays to the electrode is reduced to 1/3 or less. In addition, in this embodiment, the length of the electrode in the X-ray optical axis direction is 280 mm. By setting the electrode length to 200 mm or more, it is possible to use a light element inert gas having a low X-ray absorption rate, such as helium and nitrogen, although the moving speed to the electrode is high. As a result, the time required for ionized ions and electrons to reach the electrode can be shortened to about 1/5 times that of the prior art. This makes it possible to measure the X-ray incident on the sample and the X-ray intensity transmitted from the sample with a response time on the order of microseconds. The long electrode long narrow gap ion chamber detector of the present invention allows the X-ray to pass with high accuracy near the center between the long and narrow electrodes, and therefore the automatic height adjustment stage 10 and the automatic tilt angle adjustment stage. 9 can be used for remote position adjustment with high accuracy. First, the height of the ion chamber is adjusted so that the X-ray passes through the center between the electrodes while measuring the intensity of the X-ray passing through the long electrode length narrow gap ion chamber detector using an automatic height adjustment stage. I do. Next, using the automatic tilt angle adjustment stage, the direction of the X-ray passing through the electrode is adjusted in parallel while measuring the intensity of the X-ray passing through the long electrode length narrow gap ion chamber detector. By the above operation, the X-rays pass near the center of the electrode over the entire length of the long electrode length narrow gap ion chamber detector.
(蛍光X線検出器)
本発明の一実施態様において、蛍光X線検出器は、更に計測システムを具備している。図4に示すように、蛍光X線検出器に接続される計測システムは、高速プリアンプ13、高速パルス分配器14、高速閾値弁別器15、及び高速パルスカウンター16を備えている。これらの高速プリアンプ13、高速パルス分配器14、高速閾値弁別器15、及び高速パルスカウンター16は、いずれも少なくとも500MHz〜1GHzの応答速度を有することが望ましい。また、特に高速プリアンプは5倍以上の増幅率を有し、高速閾値弁別器は最低分別電圧が10mV以下であることが望ましい。
(X-ray fluorescence detector)
In one embodiment of the present invention, the X-ray fluorescence detector further comprises a measurement system. As shown in FIG. 4, the measurement system connected to the fluorescent X-ray detector includes a high-speed preamplifier 13, a high-speed pulse distributor 14, a high-speed threshold discriminator 15, and a high-speed pulse counter 16. These high-speed preamplifier 13, high-speed pulse distributor 14, high-speed threshold discriminator 15, and high-speed pulse counter 16 all desirably have a response speed of at least 500 MHz to 1 GHz. In particular, it is desirable that the high-speed preamplifier has an amplification factor of 5 times or more, and the high-speed threshold discriminator has a minimum separation voltage of 10 mV or less.
かかる計測システムにより、試料から発せられる蛍光X線の強度をマイクロ秒オーダーの応答時間で、計数ロス少なく高効率に計測することが可能となる。
本発明の蛍光X線検出器としては、例えば、高速応答方式の光電子増倍管12の前面にX線を高速に可視光変換する高速シンチレーター11(例えば、プラスティックシンチレーター)を装着したX線検出器素子を利用し、これを複数個並べて大受光面積化した蛍光X線検出器(非特許文献5)を用いる。高速シンチレーター11は、その蛍光寿命が少なくとも1ナノ秒〜3ナノ秒であるか、それ以下であることが望ましい。たとえば、サンゴバン株式会社のBC−420などを用いることができる。
With such a measurement system, it is possible to measure the intensity of fluorescent X-rays emitted from a sample with high response efficiency in the order of microseconds and with low counting loss.
As the fluorescent X-ray detector of the present invention, for example, an X-ray detector equipped with a high-speed scintillator 11 (for example, plastic scintillator) that converts X-rays into visible light at high speed on the front surface of a photomultiplier tube 12 of a high-speed response system. A fluorescent X-ray detector (Non-patent Document 5) using a plurality of elements and arranging a plurality of the elements to increase the light receiving area is used. The high-speed scintillator 11 desirably has a fluorescence lifetime of at least 1 nanosecond to 3 nanoseconds or less. For example, BC-420 manufactured by Saint-Gobain Co., Ltd. can be used.
蛍光X線計測器にX線光子が入射することにより出力される電圧パルスは、まず高速プリアンプ13を用いて5倍以上に増幅される。その後、高速閾値分別器15に内蔵される閾値弁別回路(ディスクリミネーター)において、電圧パルスの高さと設定した閾値電圧とを比較することにより、各パルスをX線光子1個により発生したシグナルとノイズとに弁別し、シグナルのみを高速パルスカウンター16に送りパルス数を計数する。 A voltage pulse output when an X-ray photon enters the X-ray fluorescence measuring instrument is first amplified five times or more using the high-speed preamplifier 13. Thereafter, in a threshold discrimination circuit (discriminator) built in the high-speed threshold discriminator 15, by comparing the voltage pulse height with a set threshold voltage, each pulse is generated by one X-ray photon. It discriminates from noise and sends only the signal to the high-speed pulse counter 16 to count the number of pulses.
ここで、高強度のX線が蛍光X線計測器に入射する条件では、電圧パルスが発生する時間間隔が、電圧パルスの平均的な幅よりも時間的に近接する場合がある。この場合、複数個(N個)の電圧パルスが重なり、X線光子1個の約N倍の高さをもつ電圧パルスが発生する。図3に示したように、この電圧パルスをX線光子1個と計数してしまうと、計数ロス(数え落とし)が生じる。このような場合に、本発明の計測システムにおいては、高速パルス分配器14によりN倍の高さをもつ電圧パルスをN個の等価な電圧パルスに分割する。複数の光子からなる電圧パルスを分割するに際して、電圧パルスに含まれる光子数に応じて閾値分別回路の閾値電圧を設定することにより、数え落としの極めて少ない計数を行うことが可能となる。例えば、図5に示すように、上記の閾値電圧は、入射光子(N−1)個分の電圧パルスよりも若干高い電圧に設置すればよい。 Here, under conditions where high-intensity X-rays are incident on the fluorescent X-ray measuring instrument, the time interval at which the voltage pulse is generated may be closer in time than the average width of the voltage pulse. In this case, a plurality of (N) voltage pulses are overlapped to generate a voltage pulse having a height approximately N times that of one X-ray photon. As shown in FIG. 3, if this voltage pulse is counted as one X-ray photon, a counting loss (counting down) occurs. In such a case, in the measurement system of the present invention, the high-speed pulse distributor 14 divides a voltage pulse having a height N times into N equivalent voltage pulses. When dividing a voltage pulse composed of a plurality of photons, it is possible to perform counting with very few countdowns by setting the threshold voltage of the threshold classification circuit in accordance with the number of photons contained in the voltage pulse. For example, as shown in FIG. 5, the threshold voltage may be set to a voltage slightly higher than the voltage pulse for incident photons (N−1).
(X線源との同期による連続計測)
本発明の一実施態様においては、XAFS計測装置は、入射X線源との間に、入射X線強度の時間変動とX線計測のタイミングとを同期させるための装置を更に備えている。当該装置は、同期信号発生器、タイミング調整回路、及び計測回路を備える。
(Continuous measurement by synchronization with X-ray source)
In one embodiment of the present invention, the XAFS measurement apparatus further includes an apparatus for synchronizing the time variation of the incident X-ray intensity and the timing of the X-ray measurement with the incident X-ray source. The apparatus includes a synchronization signal generator, a timing adjustment circuit, and a measurement circuit.
かかる装置により、入射X線源である放射光ビームの運転モードが不均一分布運転モードである場合にも、クイックXAFS計測装置を作動させることができる。図6及び図7に模式的に示すように、X線源の運転モードが不均一分布運転モードであると、X線源の放射光蓄積リングを周回する電子(例えばSPring−8の場合、電子が1周するために約4.8マイクロ秒を要する)により、トレインと呼ばれる時間空間領域にX線光子が集中的に蓄積され(例えばSPring−8の場合、X線光子全体の70−80%程度)、他の領域におけるX線光子の分布は希薄になる。そのため、試料へ入射するX線強度には、マイクロ秒のオーダーで時間的な変動が生ずる。ここで、クイックXAFS計測では、1つのXAFSスペクトルの計測時間を1/100〜1/1000程度に分割した時間間隔でX線強度を連続的に計測する。従って、10ミリ秒のオーダーの時間分解能でのクイックXAFS計測の場合は、10マイクロ秒オーダーの時間間隔で計測を行うため、上記のX線強度の時間変動は時間平均されることにより、計測に現れず問題とならない。一方、10ミリ秒以下の時間分解能での計測においては、10マイクロ秒以下の時間間隔で計測を行うため、上記のX線強度の時間変動によりXAFSスペクトルに影響が現れ、スペクトル計測を実施することができない。不均一分布運転モードは、例えばSPring−8の場合、全運転時間の30〜40%程度を占めるため、不均一分布運転モードにおいてXAFSを利用することができないと、測定不可能な期間が多くなり、非効率である。 With such an apparatus, the quick XAFS measurement apparatus can be operated even when the operation mode of the radiation beam that is the incident X-ray source is the non-uniform distribution operation mode. As schematically shown in FIGS. 6 and 7, when the operation mode of the X-ray source is the non-uniform distribution operation mode, electrons that circulate around the radiation storage ring of the X-ray source (for example, in the case of SPring-8, electrons Takes about 4.8 microseconds to make one round), so that X-ray photons are concentrated in a time-space region called a train (for example, in the case of SPring-8, 70-80% of the total X-ray photons) Degree), the distribution of X-ray photons in other regions is dilute. Therefore, the X-ray intensity incident on the sample varies with time in the order of microseconds. Here, in the quick XAFS measurement, the X-ray intensity is continuously measured at a time interval obtained by dividing the measurement time of one XAFS spectrum into about 1/100 to 1/1000. Therefore, in the case of quick XAFS measurement with a time resolution on the order of 10 milliseconds, the measurement is performed at time intervals on the order of 10 microseconds. It does not appear and does not matter. On the other hand, in the measurement with a time resolution of 10 milliseconds or less, the measurement is performed at a time interval of 10 microseconds or less. Therefore, the XAFS spectrum is affected by the time variation of the X-ray intensity, and the spectrum measurement is performed. I can't. For example, in the case of SPring-8, the non-uniform distribution operation mode occupies about 30 to 40% of the total operation time. Therefore, if XAFS cannot be used in the non-uniform distribution operation mode, the period during which measurement is impossible increases. Is inefficient.
そこで、本発明においては、同期信号発生器、タイミング調整回路、及び計測回路を具備することにより、X線強度計測のタイミングを放射光のトレインと時間的に同期させ、不均一分布運転モードにおいても10マイクロ秒以下の時間間隔で連続的に計測することを可能にした。具体的には、図8に示すように、X線源である放射光蓄積リング21から供給されるトレインに対応した同期信号を同期信号発生器22において発生させ、これをタイミング調整回路23に導入し、タイミング調整回路23で時間遅延を適宜調整した後、X線検出器24の計測回路25にゲートトリガー信号として入力することにより、トレインのタイミングと同期したX線強度計測が可能となる。これにより、入射X線強度に生じる時間変動を防ぐことができ、結果として、全ての放射光運転モードに対して10ミリ秒以下の時間分解能でXAFS計測を実施することができる。 Therefore, in the present invention, the synchronization signal generator, the timing adjustment circuit, and the measurement circuit are provided to synchronize the timing of the X-ray intensity measurement with the synchrotron radiation train in time, and even in the non-uniform distribution operation mode. It was possible to continuously measure at time intervals of 10 microseconds or less. Specifically, as shown in FIG. 8, a synchronization signal corresponding to the train supplied from the synchrotron radiation storage ring 21 which is an X-ray source is generated in the synchronization signal generator 22 and introduced into the timing adjustment circuit 23. Then, after adjusting the time delay appropriately by the timing adjustment circuit 23, it is input as a gate trigger signal to the measurement circuit 25 of the X-ray detector 24, whereby X-ray intensity measurement synchronized with the train timing becomes possible. Thereby, the time fluctuation which arises in incident X-ray intensity | strength can be prevented, and as a result, XAFS measurement can be implemented with the time resolution of 10 milliseconds or less with respect to all the radiation light operation modes.
大型放射光施設であるSPring−8のビームラインBL40XUにおいて、入射X線検出器および透過X線検出器として280mmの電極長、3mmの電極間隔を有するイオンチェンバーを用いて、白金箔に対して透過法XAFS測定を行った。入射X線検出器には純窒素ガスを用い、透過X線検出器には窒素85%およびアルゴンガス15%からなる混合ガスを用いた。電極間の電圧は1kVに設定した。分光器には、小型のSi(111)チャネル結晶を用い、ガルバノスキャナを用いて250Hz(±0.2°)で角度走引を行った。結果として、白金L3吸収端における透過法XANESスペクトルの計測時間は2ミリ秒であった。 In the beam line BL40XU of SPring-8, which is a large synchrotron radiation facility, it is transmitted through a platinum foil using an ion chamber having an electrode length of 280 mm and an electrode interval of 3 mm as an incident X-ray detector and a transmission X-ray detector. Method XAFS measurements were performed. Pure nitrogen gas was used for the incident X-ray detector, and a mixed gas composed of 85% nitrogen and 15% argon gas was used for the transmission X-ray detector. The voltage between the electrodes was set to 1 kV. A small Si (111) channel crystal was used as the spectroscope, and angular scrutiny was performed at 250 Hz (± 0.2 °) using a galvano scanner. As a result, the measurement time of the transmission XANES spectrum at the platinum L3 absorption edge was 2 milliseconds.
1 イオンチェンバー筐体
2 電子収集電極
3 高圧電極
4 X線入射窓
5 X線出射窓
6 高速微小電流計測器
7 高圧電源
8 電場補正電極
9 自動傾斜角度調整ステージ
10 自動高さ調整ステージ
11 高速シンチレーター
12 高速光電子増倍管
13 高速プリアンプ
14 高速パルス分配器
15 高速閾値弁別器
16 高速パルスカウンター
21 放射光蓄積リング
22 同期信号発生器
23 タイミング調整回路
24 X線検出器
25 計測回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ion chamber housing | casing 2 Electron collection electrode 3 High voltage electrode 4 X-ray entrance window 5 X-ray exit window 6 High-speed microcurrent measuring instrument 7 High-voltage power supply 8 Electric field correction electrode 9 Automatic inclination angle adjustment stage 10 Automatic height adjustment stage 11 High-speed scintillator 12 high-speed photomultiplier tube 13 high-speed preamplifier 14 high-speed pulse distributor 15 high-speed threshold discriminator 16 high-speed pulse counter 21 synchrotron radiation ring 22 synchronization signal generator 23 timing adjustment circuit 24 X-ray detector 25 measurement circuit
Claims (6)
試料を透過したX線を検出する透過X線検出器、及び
試料から発せられる蛍光X線を検出する蛍光X線検出器、
を具備しており、入射X線検出器及び透過X線検出器がイオンチェンバー検出器であり、当該イオンチェンバー検出器を構成する2枚の電極のX線光軸方向の長さが200〜400mm、電極の間隔が1〜3mmである、高速XAFS計測装置。 An incident X-ray detector for detecting X-rays incident on the sample;
A transmitted X-ray detector for detecting X-rays transmitted through the sample, and a fluorescent X-ray detector for detecting fluorescent X-rays emitted from the sample;
The incident X-ray detector and the transmitted X-ray detector are ion chamber detectors, and the length of the two electrodes constituting the ion chamber detector in the X-ray optical axis direction is 200 to 400 mm. A high-speed XAFS measurement apparatus in which the distance between the electrodes is 1 to 3 mm.
複数のX線光子からなる電圧パルスから、X線光子の個数分の電圧パルスを複製するパルス分配器、及び
当該X線光子の個数に対応した電圧パルスを計測するパルスカウンター、
を具備する、請求項1に記載の高速XAFS計測装置。 X-ray fluorescence detector
A pulse distributor that replicates voltage pulses corresponding to the number of X-ray photons from a plurality of X-ray photon voltage pulses, and a pulse counter that measures voltage pulses corresponding to the number of X-ray photons,
The high-speed XAFS measurement apparatus according to claim 1, comprising:
X線の電圧パルスを増幅するプリアンプ、及び
電圧パルスをX線光子により発生したシグナルとノイズとに弁別する閾値弁別器
を更に具備する、請求項2に記載の高速XAFS計測装置。 X-ray fluorescence detector
The high-speed XAFS measurement device according to claim 2, further comprising: a preamplifier that amplifies an X-ray voltage pulse; and a threshold discriminator that discriminates the voltage pulse from a signal and noise generated by an X-ray photon.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011150742A JP2013019678A (en) | 2011-07-07 | 2011-07-07 | High-speed xafs measurement device and operation method therefor |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN106605140A (en) * | 2014-06-06 | 2017-04-26 | 斯格瑞公司 | X-ray absorption measurement system |
JP2021016069A (en) * | 2019-07-11 | 2021-02-12 | 日本放送協会 | Solid-state imaging element and imaging device |
-
2011
- 2011-07-07 JP JP2011150742A patent/JP2013019678A/en not_active Withdrawn
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