JP2013253815A

JP2013253815A - Ｘ線分光器

Info

Publication number: JP2013253815A
Application number: JP2012128332A
Authority: JP
Inventors: Masato Okui; 眞人奥井
Original assignee: KOHZU PREC CO Ltd; KOHZU PRECISION CO Ltd
Current assignee: KOHZU PREC CO Ltd; KOHZU PRECISION CO Ltd
Priority date: 2012-06-05
Filing date: 2012-06-05
Publication date: 2013-12-19

Abstract

【課題】Ｘ線のエネルギースペクトルを分光するＸ線分光器であって、位置検出器を用いた測定に於いて、その波長分解能を大幅に改善し、コンパクトで機械的に単純化すると共に、シンプルに高精度を得られるようにする。
【解決手段】試料Ａから放射されたＸ線を分光結晶５で分光し、検出器４で検出するＸ線分光器にあって、分光結晶５の反射面を凸面としたことを特徴とする構成で、分光結晶５の反射面を凸面とすることにより、理想的なBragg角に対してわずかに異なる分光結晶５への入射角を大きくし、これによって分光器の測定分解能を向上させることができ、分光結晶上の位置毎に異なる波長のＸ線を同時に分光することができるため分光結晶５上の位置毎の角度が大きくなり、同時に、試料から分光結晶５までの距離及び分光結晶５から検出器４までの距離を極めて小さなものにすることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、Ｘ線のエネルギースペクトルを分光するＸ線分光器に関するものである。

物理学、化学、生物学、地学などの物質科学或いは工学では、物質の構造或いは物性を測定する要請があり、Ｘ線回折、Ｘ線小角散乱、吸収スペクトルの測定、蛍光エックス線分析、電子線マイクロプローブアナライザー等をはじめとする多くのＸ線分析法が使われてきた。

これらのＸ線分析法は、物質中に於ける回折、散乱、吸収あるいは励起等のＸ線との相互作用を測定するもので、これ等の作用により生じた或いは変化したＸ線が、どのようなエネルギースペクトルによって構成されるかを測定するＸ線分光器はいずれのＸ線分析に於いても必要不可欠なものである。

特開２００５−１４０７１９号公報特開２００２−２１４１６５号公報

図１は、高分解能を得るＸ線分光器として、最も一般的な反平行二結晶型分光器の原理図であり、ここでは結晶を反平行配置（＋＋）にとることで、チャンネルカットのような平行配置（＋−）の分光器よりも角度分解能を上げようとしたものである。分光結晶の回折角は、理想結晶の回折角とは異なり、その結晶のモザイク化などの結晶性の影響から、或る一定のダーウィン幅を持っている。このため、或る結晶面で回折を起こした場合、ロッキング曲線として示されたダーウィン幅内の強度分布で回折することになるのである。

図１にあって、所定の発光源からの分光対象となるＸ線λの第一結晶１でのBragg（ブラッグ）角をθ1、そのＸ線のエネルギーをＥBとすると、この分光対象となるＸ線λの第一結晶１からの出射角は入射角と同じ角度θ1で、エネルギーはＥBであり、第二結晶２へ入射するときの角度はθ2で、同じく角度θ2で出射する。そして、上記のロッキング曲線の範囲内で、異なる波長のＸ線λ＋ｄが角度θ1よりも少し大きい角度θ1＋dθで第一結晶１に入射して回折が起きたとすると、この異なる波長のＸ線λ＋ｄの第一結晶１からの出射角は入射角と同じ角度θ1＋dθであり、そのエネルギーはＥB より少し低いＥB＋ΔEとなる。反平行型二結晶分光器の場合、図１に示したようにこの分光対象のＸ線から波長が異なるＸ線λ＋ｄが第二結晶２へ入射するときの角度はθ2−dθとなるが、この角度で回折するＸ線λ＋ｄのエネルギーはより高いＥB＋ΔEなので、この波長が異なるＸ線λ＋ｄは第二結晶２からは回折しない。このため、反平行型二結晶分光器は、装置全体としては分光結晶のダーウィン幅よりも充分小さいエネルギー分解能を持つことになり、スペクトル測定精度が高いのである。

しかしながら、反平行二結晶分光器分光器は、その配置の特性上、分光器が大きくなることが最大の障害として挙げられる。このように、装置自体が大型化するところから、電子顕微鏡に応用し、電子線プローブマイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）等の他の分析装置との複合化が困難なのである。このことは複合分析装置への発展性に欠けることを意味する。即ち反平行二結晶分光器分光器は、波長分解能を高めた装置を作り易い利点はあるが、分光器の機械設計も複雑となって高価になり、大型化することから、卓上型のような省スペースの装置には採用できない。

特許文献１の発明は、上記した所謂反平行配置型の二結晶分光器と称されるものの具体例であって、放射光を１次Ｘ線として試料に照射することにより発生した蛍光Ｘ線のスペクトルを測定して元素の化学結合状態または電子構造を解析する蛍光Ｘ線分析装置であり、試料から発生した蛍光Ｘ線を分光する（＋，＋）配置の２つの分光結晶と、その分光結晶で分光された蛍光Ｘ線の強度を測定する検出器と、分光結晶で分光される蛍光Ｘ線の波長を変えながら、その分光された蛍光Ｘ線が前記検出器に入射するように、分光結晶と検出器を連動させる連動手段とから構成されており、（＋，＋）配置の２つの分光結晶を用いて蛍光Ｘ線を二回分光するので、蛍光Ｘ線のスペクトルの角度分解能が充分で、元素の化学結合状態または電子構造等を詳細に解析することができるとしている。

但し、上述したように反平行配置型の二結晶分光器は殆どが物性研究用のものであり、装置が大規模で、特に分光結晶と検出器を連動させる機械的構成が複雑であり、高価で実用分析として普及するには適しないものであった。

この点を考慮して、平板形状の一結晶型分光器が提案されている。一結晶型分光器は、発光源の領域の広がりによる影響が十分小さくなるような小さい光源にすることにより分光結晶の位置ごとの入射角の違いを生じさせようとするものであり、その光学的ジオメトリーが比較的簡単に達成できるため、位置敏感型検出器を用いればスリットスキャンも不要になり、また小型化が可能なため、電子線マイクロプローブアナライザー（ＥＰＭＡ）等の他の分析装置との複合化に有利である、等の利点がある。

図２は、平板形状の一結晶型分光器の原理図であり、この一結晶型分光器が成立するためには、蛍光Ｘ線の発生点Ａが上記の十分小さい光源に近いことが必要である。

平板一結晶型分光器の波長分解能を説明するに、蛍光Ｘ線の所定の発行源からの放射光を一次Ｘ線として試料Ａに照射することにより発生した蛍光Ｘ線の発行源Ａから、θ＝９０°のときの平板分光結晶３を経て検出器４までの経路の長さをＬ、位置敏感型検出器４に於ける入射位置をxとすると、数式１と表せる。

結晶分光の分解能は、Bragg式λ＝２d sinθを微分することで得られる。即ち、数式２である。

一方、数式３にあって、数式４であることから、平板一結晶型分光器の測定分解能は数式５と表される。

分光対象のＸ線の発光源Ａがその広がりに於ける影響が実用的に無視できるほど十分小さい光源であると、分光結晶３上の位置毎の入射角度は異なるので、Braggの公式により、分光結晶３の面間隔ｄ（結晶ごとの定数）と入射角（Bragg角）で回析するＸ線の波長は一義的に決定され、検出器４で夫々の位置の強度を測定すれば、光源のスペクトルが判明することになる。即ち、分光されたＸ線のエネルギースペクトルの分布は検出器４の位置座標にそのまま反映されるので、十分小さい光源の場合は、分光結晶への入射する角度の範囲内での多波長同時測定といえる。

しかしながら一方では、エネルギー分解能を高めようとすれば高角の非対称反射を必要とすることから、分光結晶の選択が困難になる。高分解能を得られる高角の反射が各々の分光結晶ごとにある一定の領域ごとに限られることから、高分解能で分光できる領域は分光結晶ごとに断続的になり、高角の非対称反射を持つ適当な分光結晶がない領域では、要求される分解能では分光できない空白のエネルギー領域が生じてしまうのである。この型の分光器の分解能を結晶のBragg 式で一義的に決定される波長分解能よりも高める工夫が必要であり、分解能は経路の長さＬの関数であるから、分解能を上げるためには大型化してしまうのである。

特許文献２の発明は、更に他のＸ線分光器の典型例を示すもので、試料から放射された蛍光Ｘ線を、大きなローランド円上に配置した分光結晶で分光し、同じくローランド円上に配置した位置敏感型検出器で検出するものであり、ここでの分光結晶の反射面は、試料及び検出器に対して凹面となっている。即ち、電子ビーム等が照射される試料の発光源をローランド円上の固定点とし、発光源からの特性Ｘ線の分光結晶への入射角と検出器への反射角とが等しくなるように維持しながらローランド円上の分光結晶と検出器とを移動させて、分光波長を走査し、元素の種類の特定等を行うことになる。

しかしながら、分光結晶の反射面が凹面であると、分光結晶上の全面でダーウィン幅の波長の範囲内での反射光が生じ、焦点で結像する。即ち、凹面の焦点では或る一定の小さい波長のダーウィン幅のＸ線しか集光できない。

よって本発明は、上述した従来技術の欠点、不都合、不満を解消するべく発明されたものであって、位置検出器を用いた測定に於いて、その波長分解能を大幅に改善し、コンパクトで機械的に単純化すると共に、シンプルに高精度を得られるようにすることにある。

上記課題を解決するため、本発明は、試料から放射されたＸ線を分光結晶で分光し、検出器で検出するＸ線分光器にあって、前記した分光結晶の反射面を凸面としたことを特徴とする構成である。

分光結晶の反射面を凸面とすることにより、理想的なBragg角に対してわずかに異なる分光結晶への入射角を大きくし、これによって分光器の測定分解能を向上させることができる。分光結晶上の位置毎に異なる波長のＸ線を同時に分光することができるため分光結晶上の位置毎の角度が大きくなり、即ち角度分解能が高くなり、同時に、試料から分光結晶までの距離及び分光結晶から検出器までの距離を極めて小さなものにすることができるのである。

従って従来の一結晶型分光器に較べてコンパクトになり、しかも位置検出器を用いた測定の波長分解能が大幅に改善される。また、一結晶であるので、二結晶分光器のような機械的な複雑さもなく、シンプルに高精度を得られる。

本発明によれば、一結晶型の分光器そのものを小型化、簡易化しながら、高い波長分解能を得ることが可能で、この両立のメリットは、波長分散（ＷＤＸ）を用いる分光全てにもたらすことができる。その応用範囲には、ＨＲＸＲＦをはじめとする蛍光Ｘ線分析、Ｘ線回折やＸ線小角散乱のアナライザーとしての利用、ＸＡＦＳのような吸収スペクトルの測定、波長分散Ｘ線分析（ＷＤＳ）を利用した電子線マイクロアナライザーによる特性Ｘ線の分析等、ＷＤＸを必要とするＸ線分析の幅広い分野に応用できる。小型化が測れる点で、電子顕微鏡等の他の装置への組み込みにも有利であり、Ｘ線分析が利用される幅広い分野、例えば材料科学、バイオマテリアル、環境分析などへの応用が期待できる等、多くの優れた作用効果を奏する。

従来の反平行二結晶型分光器のレイトレース図である。従来の平板形状の一結晶型分光器のレイトレースである。図２の概念図である。本発明にかかる一結晶型分光器のレイトレースと図２のレイトレースとを複合したレイトレース図である。図４の概念図である。

図４、図５にあって、十分小さい領域Ａを発光源としたBragg角θのエネルギーを持つＸ線は、反射面を凸面とした分光結晶５にBragg角θで入射し、この入射点に於ける分光結晶５の結晶面の角度をαとすると、θ＋αの角度で反射出射し、検出器４に入射して位置Ｘの強度として測定されることになる。位置毎に異なるエネルギーが測定されることから同時に広いエネルギー領域でスペクトルを測定できる。

図２で示した基準となる平板結晶の光路のうち、試料発光源Ａの反射点である光源から結晶までのｙ方向の距離をＬ1、結晶面から検出器４までのｙ方向の距離をＬ2とすると、本発明に於ける反射面を凸面とした分光結晶５のｙ座標は、図４のように距離ｒ（１−ｃｏｓα)だけ遠ざかった位置になる。試料Ａの反射点である光源から分光結晶５の結晶面までの距離をｌ（エル）1、分光結晶５の結晶面から検出器４までの距離をｌ（エル）2とすると、夫々数式６の如く表せる。

検出器４に於ける入射位置ｘは、数式７である。

そこで、数式７に数式８を代入すると数式９として計算される。

この数式９は、平板結晶では単に光路長Ｌの関数であった位置が、光路長Ｌ1、Ｌ2とベンド角αの関数として表されることを示しており、ベンド角をとることで、従来の平板結晶を用いたときよりも、位置検出器４への入射位置をより屈曲させた位置にし、これによってコンパクトな装置構成で高い分解能を得ることが可能である。図３と図５は同一条件下での従来の平板形状のレイトレースと本発明にかかる一結晶型分光器のレイトレースとを同一縮尺で示したものであり、本発明が従来の平板結晶よりも極めてコンパクトに設計できることが理解できる。

従来の平板結晶型分光器では面間隔ｄと光路Ｌによって決定されていた測定分解能を、本発明では分光結晶５を凸に湾曲させることで、同一条件でより高分解能化したものであり、この分解能の向上は、同じ分解能ならば、本発明の分光器は従来の分光器と比較して上述したように光路Ｌが短縮されることを意味し、コンパクトなＷＤＸとしての応用、例えばＥＰＭＡ等の他の分析装置との複合化を進める上で大きな利点となる。

１第一結晶
２第二結晶
３平板分光結晶
４検出器
５分光結晶
Ａ試料

Claims

試料から放射されたＸ線を分光結晶で分光し、検出器で検出するＸ線分光器にあって、前記分光結晶の反射面を凸面としたことを特徴とするＸ線分光器。