JP2023107744A - Method and system for simultaneously executing x-ray absorption spectroscopy and fluorescent x-ray spectroscopic analysis - Google Patents

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智浩 青戸
Tomohiro Aoto
卓也 増田
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Abstract

To provide a method and a system for simultaneously executing X-ray absorption spectroscopy and fluorescent X-ray spectroscopic analysis.SOLUTION: A system includes an X-ray light source 100, at least one X-ray condensing lens constituted so as to radiate X rays having an absorption end of an element detected from an object 200 from an X-ray light source and an energy bandwidth higher than X-ray energy corresponding to the absorption end, and a supporting rack constituted so as to support the object 200 to be inspected. The energy bandwidth includes the X-ray energy corresponding to the absorption end and at least the one X-ray condensing lens is constituted so as to condense one portion of the X rays in a measurement spot on the object having a condensation size less than 500 μm. The system includes: at least one spatial decomposition X-ray detection device 410 constituted so as to detect X rays through the object 200; and at least one fluorescent X-ray detection device 400 constituted so as to detect X rays scattered from the object 200.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、透過配置におけるX線吸収分光分析(XAS)及び蛍光配置における蛍光X線分光分析(XRF)を同時に行うことを可能にするための方法およびシステムに関する。 The present invention relates to methods and systems for enabling simultaneous X-ray absorption spectroscopy (XAS) in transmission geometry and X-ray fluorescence spectroscopy (XRF) in fluorescence geometry.

X線吸収分光は、サンプルの前後にX線強度を測定するための検出器を配置し、X線光路に沿って入射X線と透過X線の強度を測定することによって、吸収スペクトルを得るもので、X線は単色化(波長を揃えること)されている。X線吸収分光法スペクトル(XAS:X-ray Absorption Spectra)あるいはX線吸収微細構造(XAFS:X-ray Absorption Fine Structure)は、X線吸収端近傍構造(XANES:X-ray Absorption Near Edge Structure)と広域X線吸収微細構造(XAFS:X-ray Absorption Fine Structure)に区分される。
X線吸収分光装置において、分光器を用いた波長分散型のX線吸収分光を透過光配置で観測することも、提案されている(例えば、特許文献1参照)。しかし、透過X線を用いる場合には、試料の厚みを例えば100μm程度の薄片に加工する必要があり、測定できる試料の形状が限られているという課題があった。
In X-ray absorption spectroscopy, detectors are placed before and after the sample to measure X-ray intensity, and absorption spectra are obtained by measuring the intensity of incident X-rays and transmitted X-rays along the X-ray optical path. , X-rays are made monochromatic (aligned wavelengths). X-ray absorption spectroscopy spectrum (XAS: X-ray Absorption Spectra) or X-ray absorption fine structure (XAFS: X-ray Absorption Fine Structure) is an X-ray absorption near edge structure (XANES: X-ray Absorption Near Edge Structure) and wide-area X-ray absorption fine structure (XAFS: X-ray Absorption Fine Structure).
In an X-ray absorption spectrometer, it has also been proposed to observe wavelength-dispersive X-ray absorption spectroscopy using a spectroscope in a transmitted light arrangement (see, for example, Patent Document 1). However, when using transmitted X-rays, it is necessary to process the sample into a thin piece having a thickness of, for example, about 100 μm, which poses a problem that the shape of the sample that can be measured is limited.

蛍光X線分析法とは、未知の物質にX線を照射し、そこから発生する蛍光X線を測定することで、物質の定性あるいは定量分析を行なう方法をいう(例えば、非特許文献1参照)。
物質にX線を照射すると、物質を構成する元素固有のエネルギー(波長)を持つ蛍光X線(特性X線)が発生する。この蛍光X線のエネルギーを測定すると含有されている元素が分かり(定性分析)、各元素の蛍光X線の強さから濃度を計算する(定量分析)ことができる。蛍光X線分析法の方式には、分光結晶を用いた波長分散型(WDXRF)と半導体検出器(EDS)を用いたエネルギー分散型(EDXRF)がある。
Fluorescent X-ray analysis is a method for qualitative or quantitative analysis of a substance by irradiating an unknown substance with X-rays and measuring the fluorescent X-rays generated therefrom (see, for example, Non-Patent Document 1). ).
When a substance is irradiated with X-rays, fluorescent X-rays (characteristic X-rays) having energy (wavelength) unique to the elements constituting the substance are generated. By measuring the energy of this fluorescent X-ray, the contained element can be identified (qualitative analysis), and the concentration of each element can be calculated from the intensity of the fluorescent X-ray (quantitative analysis). Methods of X-ray fluorescence analysis include a wavelength dispersive type (WDXRF) using an analyzing crystal and an energy dispersive type (EDXRF) using a semiconductor detector (EDS).

ところで、サンプルの物性分析において、X線吸収分光分析と蛍光X線分析とを別の装置で行ったのでは、サンプルのX線照射位置を厳密に一致させることは困難であり、またサンプルによっては物性が動的に変化するため、動的な変化の過程を観察したいという用途には適していなかった。
そこで、タンパク質の変化や生体の分子レベルでの観測には、高輝度放射光施設など大型施設で、X線吸収分光分析と蛍光X線分析とを同時に行うことで、サンプルのX線照射位置を厳密に一致させて、動的な変化の過程を観察することが行われている。高輝度放射光施設としては、例えば、非特許文献2に記載された設備や日本のSPring-8(登録商標)等がある。
By the way, in the physical property analysis of a sample, if the X-ray absorption spectroscopic analysis and the fluorescent X-ray analysis are performed by different apparatuses, it is difficult to precisely match the X-ray irradiation position of the sample. Since the physical properties change dynamically, it is not suitable for the purpose of observing the process of dynamic change.
Therefore, in order to observe changes in proteins and biological molecules at the molecular level, X-ray absorption spectroscopy and fluorescent X-ray analysis are performed simultaneously in large facilities such as high-intensity synchrotron radiation facilities, which allows us to determine the X-ray irradiation position of the sample. Observation of the process of dynamic change has been performed with close matching. Examples of high-intensity synchrotron radiation facilities include the facility described in Non-Patent Document 2, Japan's SPring-8 (registered trademark), and the like.

しかし、例えばSPring-8(登録商標)のような高輝度放射光施設では敷地面積が141haと広大であると共に、使用する電力も加速器・実験設備が運転のために18MW程度の電力供給が必要となり、77kV特別高圧受電設備が設置されている。このため、大型で汎用性に乏しく、導入、運転コストが大きな課題である。また、実験計画を当該施設の運営機関に提出し、審査を経て採択を受けた場合にのみ実験時間の配分を受けられるが、当該施設の稼働時間と比較して申請者が非常に多く、個別のユーザーが実際に利用できる時間スロットがかなり限られているという課題もある。 However, a high-intensity synchrotron radiation facility such as SPring-8 (registered trademark) has a large site area of 141 ha, and requires a power supply of about 18 MW to operate the accelerator and experimental equipment. , 77kV special high voltage power receiving facilities are installed. For this reason, it is large and lacks versatility, and installation and operating costs are major issues. In addition, an experiment plan is submitted to the operating organization of the facility, and only when it is approved after screening can the allocation of experiment time be received. There is also the problem that the number of time slots that are actually available to users is rather limited.

特許第6937380号公報Japanese Patent No. 6937380

蛍光XAFS法の原理と応用 高橋嘉夫(2010)http://pfwww.kek.jp/innovationPF/04_EVENT/XAFS_Seminor_1010/fl-xafs.pdfPrinciple and application of fluorescence XAFS method Yoshio Takahashi (2010) http://pfwww. kek. jp/innovationPF/04_EVENT/XAFS_Seminor_1010/fl-xafs. pdf GORIL JAHRSENGENE, et. al.; An EXAFS and XANES Study of V, Ni, and Fe Speciation in Cokes for Anodes Used in Aluminum Production“ Metallurgical and Materials Transactions B Volueme 50B December 2019-2971GORIL JAHRSENGENE, et. al. An EXAFS and XANES Study of V, Ni, and Fe Specification in Cokes for Anodes Used in Aluminum Production "Metallurgical and Materials Transactions B Volume 50B December 2019-2971

本発明は、上記の問題点を解決したもので、従来の小型汎用型X線吸収分光装置と同じ程度の設備でありながら、透過配置におけるX線吸収分光分析と蛍光配置における蛍光X線分析とを同時に行うことで、サンプルのX線照射位置を厳密に一致させて、動的な変化の過程を観察することができる方法およびシステムを提供することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned problems, and although it has the same level of equipment as a conventional small general-purpose X-ray absorption spectrometer, it performs X-ray absorption spectroscopy in the transmission arrangement and fluorescent X-ray analysis in the fluorescence arrangement. are performed simultaneously to precisely match the X-ray irradiation position of the sample and to provide a method and system capable of observing the process of dynamic change.

〔1〕本発明の透過配置におけるX線吸収分光(XAS)と蛍光配置における蛍光X線分光分析(XRF)を同時に実施するための方法は、
元素の吸収端に対応するエネルギーよりも高く且つ前記エネルギーを含むエネルギー帯域幅を有するX線を対象物に照射することと、
空間分解X線検出装置を用いて、3eVよりも高いエネルギー分解能で、前記吸収端を含むエネルギー帯域幅に亘って、前記対象物からX線吸収スペクトルを取得することと、
蛍光X線検出装置を用いて、前記対象物から散乱したX線を検出して蛍光X線スペクトルを取得することと、
を備える方法である。
[1] The method of the present invention for simultaneously performing X-ray absorption spectroscopy (XAS) in transmission configuration and X-ray fluorescence spectroscopy (XRF) in fluorescence configuration comprises:
irradiating the object with X-rays having an energy bandwidth higher than and including the energy corresponding to the absorption edge of the element;
acquiring an x-ray absorption spectrum from the object over an energy bandwidth including the absorption edge with an energy resolution greater than 3 eV using a spatially resolving x-ray detector;
Acquiring a fluorescent X-ray spectrum by detecting X-rays scattered from the object using a fluorescent X-ray detection device;
is a method of providing

〔2〕本発明の方法〔1〕において、好ましくは、前記空間分解X線検出装置を用いて前記対象物から取得されるX線吸収スペクトルは、前記吸収端から高エネルギー側の200eV迄のエネルギー帯域幅に亘るX線吸収端近傍構造(XANES)を得るための第1のエネルギー帯域幅の情報と、前記吸収端から高エネルギー側の2keV以下のエネルギー帯域幅に亘る拡張X線吸収微細構造(EXAFS)を得るための第2のエネルギー帯域幅の情報と、の少なくとも何れか一方を有するとよい。
〔3〕本発明の方法〔1〕において、好ましくは、蛍光X線スペクトルは、前記元素の吸収端を含むエネルギー帯域幅の関心領域のスペクトル強度について、前記関心領域から外れたエネルギー帯域幅であって、前記元素の吸収端を含まないバックグラウンド領域のエネルギー帯域幅の第2の関心領域のスペクトル強度について、前記バックグラウンド領域のエネルギー帯域幅での平均値をノイズスペクトル強度として求め、前記関心領域のスペクトル強度から前記ノイズスペクトル強度を控除して、真の測定した関心領域のスペクトル強度とするとよい。
〔4〕本発明の方法〔3〕において、好ましくは、前記元素の吸収端を含むエネルギー帯域幅の関心領域(ROI)のスペクトル強度は、前記蛍光X線検出装置の検出した前記X線のカウント数から定められるものであり、前記X線のカウント数の真の値は、前記ノイズスペクトル強度を控除処理する前の蛍光X線スペクトルのカウント数から、前記ノイズスペクトル強度を控除処理に用いるノイズスペクトル蛍光X線スペクトルの帯域幅に応じた按分比(BW/BWBG)を控除した値とする数式:
により演算されるとよい。
ここで、True ROI countsはX線のカウント数の真の値、Raw ROI countsはノイズスペクトル強度を控除処理する前の蛍光X線スペクトルのカウント数、ROIBG countsはノイズスペクトル強度、BWは関心領域のエネルギー帯域幅、BWBGはバックグラウンド領域のエネルギー帯域幅である。
[2] In the method [1] of the present invention, preferably, the X-ray absorption spectrum obtained from the object using the spatially resolving X-ray detection device has energy up to 200 eV on the high energy side from the absorption edge First energy bandwidth information for obtaining an X-ray absorption near-edge structure (XANES) across the bandwidth, and an extended X-ray absorption fine structure ( and/or second energy bandwidth information for obtaining EXAFS).
[3] In the method [1] of the present invention, preferably, the fluorescent X-ray spectrum is an energy bandwidth outside the region of interest with respect to the spectral intensity of the region of interest of the energy bandwidth including the absorption edge of the element. Then, for the spectral intensity of the second region of interest in the energy bandwidth of the background region that does not include the absorption edge of the element, the average value in the energy bandwidth of the background region is obtained as the noise spectral intensity, and the region of interest The noise spectral intensity may be subtracted from the spectral intensity of the region of interest to obtain the true measured spectral intensity of the region of interest.
[4] In the method [3] of the present invention, preferably, the spectral intensity of the region of interest (ROI) of the energy bandwidth including the absorption edge of the element is obtained by counting the X-rays detected by the fluorescent X-ray detector. The true value of the count number of the X-rays is the noise spectrum used for the subtraction process of the noise spectrum intensity from the count number of the fluorescence X-ray spectrum before the noise spectrum intensity is subtracted. A formula for a value obtained by subtracting the proportional division ratio (BW/BW BG ) according to the bandwidth of the fluorescent X-ray spectrum:
It is preferable to be calculated by
Here, True ROI counts is the true value of the number of X-ray counts, Raw ROI counts is the count number of fluorescent X-ray spectra before noise spectrum intensity is subtracted, ROI BG counts is the noise spectrum intensity, and BW is the region of interest. , BW BG is the energy bandwidth of the background region.

〔5〕本発明の透過配置におけるX線吸収分光(XAS)と蛍光配置における蛍光X線分光分析(XRF)を同時に実施するためのシステムは、例えば図1に示すように、X線光源100と、前記X線光源からの、前記対象物に含まれる元素の吸収端に対応する、前記吸収端から高エネルギー側の200eV以下のエネルギー帯域幅に亘るX線吸収端近傍構造(XANES)、又は前記吸収端から高エネルギー側の2keV以下のエネルギー帯域幅に亘る拡張X線吸収微細構造(EXAFS)を得るための測定に適したエネルギー帯域幅を有するX線を放射するように構成された少なくとも1つのX線集光レンズと、
測定される対象物200を支持するように構成された支持台とを備え、
前記エネルギー帯域幅は、前記吸収端に対応する前記X線エネルギーを含み、前記少なくとも1つのX線集光レンズは、前記X線の少なくとも一部を、500μm未満の集光サイズを有する前記対象物上の測定スポットに集光させるように構成され、
対象物200を透過したX線を検出するように構成された少なくとも1つの空間分解X線検出装置410と、
対象物200から散乱したX線を検出するように構成された少なくとも1つの蛍光X線検出装置400と、を含み、
前記X線集光レンズは、X線光源側に設置された第1のX線集光ミラー110a、前記第1のX線集光ミラーで反射されたX線が入射する分光結晶120、前記分光結晶で分光されたX線が入射する第2のX線集光ミラー110b、スリット160及びアパーチャー170で構成される、システム。
[5] A system for simultaneously performing X-ray absorption spectroscopy (XAS) in transmission configuration and X-ray fluorescence spectroscopy (XRF) in fluorescence configuration according to the present invention includes, for example, an X-ray light source 100 and , an X-ray absorption near-edge structure (XANES) over an energy bandwidth of 200 eV or less on the high-energy side from the absorption edge, corresponding to the absorption edge of an element contained in the object, from the X-ray source, or at least one configured to emit X-rays having an energy bandwidth suitable for measurements to obtain an extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) over an energy bandwidth of 2 keV or less on the high energy side of the absorption edge; an X-ray condensing lens;
a support base configured to support the object 200 to be measured;
The energy bandwidth includes the X-ray energy corresponding to the absorption edge, and the at least one X-ray collecting lens directs at least a portion of the X-rays to the object having a collection size of less than 500 μm. configured to focus light onto the measurement spot above,
at least one spatially resolving X-ray detection device 410 configured to detect X-rays transmitted through the object 200;
at least one fluorescent X-ray detection device 400 configured to detect X-rays scattered from the object 200;
The X-ray condensing lens includes a first X-ray condensing mirror 110a installed on the side of the X-ray light source, a analyzing crystal 120 on which the X-rays reflected by the first X-ray condensing mirror are incident, and the spectroscopic lens. A system consisting of a second X-ray collecting mirror 110b, a slit 160 and an aperture 170 on which X-rays separated by the crystal are incident.

〔6〕本発明のシステム〔5〕において、好ましくは、前記空間分解X線検出装置は、ピクセルサイズが25μm以上1000μm以下のダイオードが2次元に配列され、X線領域に検出感度を持ち、フォトンカウンティング機能を有する検出素子であるとよい。
〔7〕本発明のシステム〔5〕において、好ましくは、前記蛍光X線検出装置は、150eVよりも高いエネルギー分解能を有する検出素子であるとよい。
〔8〕本発明のシステム〔5〕において、好ましくは、前記蛍光X線検出装置は、前記対象物に対して放射されるX線に対して、前記対象物の位置や角度を調整できる機能を有するとよい。
〔9〕本発明のシステム〔5〕において、好ましくは、前記システムは、蛍光X線検出装置からの検出信号を処理する演算装置420を有し、
前記演算装置420は、前記蛍光X線スペクトルを求めるのに際して、前記元素の吸収端を含むエネルギー帯域幅の関心領域のスペクトル強度について、前記関心領域から外れたエネルギー帯域幅であって、前記元素の吸収端を含まないバックグラウンド領域のエネルギー帯域幅のスペクトル強度について、前記バックグラウンド領域のエネルギー帯域幅での平均値を求めて、ノイズスペクトル強度とし、
前記関心領域のスペクトル強度から前記ノイズスペクトル強度を控除して、真の測定した関心領域のスペクトル強度とするとよい。
〔10〕本発明のシステム〔9〕において、好ましくは、前記元素の吸収端を含むエネルギー帯域幅の関心領域(ROI)のスペクトル強度は、前記蛍光X線検出装置の検出した前記X線のカウント数から定められるものであり、
前記X線のカウント数の真の値は、前記ノイズスペクトル強度を控除処理する前の蛍光X線スペクトルのカウント数から、前記ノイズスペクトル強度を控除処理に用いるノイズスペクトル蛍光X線スペクトルの帯域幅に応じた按分比(BW/BWBG)を控除した値とする数式:
により演算されるとよい。
ここで、True ROI countsはX線のカウント数の真の値、Raw ROI countsはノイズスペクトル強度を控除処理する前の蛍光X線スペクトルのカウント数、ROIBG countsはノイズスペクトル強度、BWは関心領域のエネルギー帯域幅、BWBGはバックグラウンド領域のエネルギー帯域幅である。
[6] In the system [5] of the present invention, preferably, the spatially resolving X-ray detection device has diodes with a pixel size of 25 μm or more and 1000 μm or less arranged two-dimensionally, has detection sensitivity in the X-ray region, and photon It is preferable that the detecting element has a counting function.
[7] In the system [5] of the present invention, preferably, the fluorescent X-ray detection device is a detection element having an energy resolution higher than 150 eV.
[8] In the system [5] of the present invention, preferably, the fluorescent X-ray detection device has a function of adjusting the position and angle of the object with respect to the X-rays emitted to the object. Good to have.
[9] In the system [5] of the present invention, the system preferably has an arithmetic device 420 that processes detection signals from the fluorescent X-ray detector,
When obtaining the fluorescent X-ray spectrum, the arithmetic unit 420 determines the spectral intensity of the region of interest of the energy bandwidth including the absorption edge of the element, the energy bandwidth outside the region of interest, and the For the spectral intensity of the energy bandwidth of the background region not including the absorption edge, the average value in the energy bandwidth of the background region is obtained, and the noise spectral intensity is obtained,
The noise spectral intensity may be subtracted from the spectral intensity of the region of interest to obtain the true measured spectral intensity of the region of interest.
[10] In the system [9] of the present invention, preferably, the spectral intensity of the region of interest (ROI) of the energy bandwidth including the absorption edge of the element is the count of the X-rays detected by the fluorescent X-ray detector is determined from a number,
The true value of the count number of the X-rays is the bandwidth of the noise spectrum fluorescence X-ray spectrum used for the subtraction process of the noise spectrum intensity from the count number of the fluorescence X-ray spectrum before the noise spectrum intensity is subtracted. A formula with a value after deducting the corresponding proportional division ratio (BW/BW BG ):
It is preferable to be calculated by
Here, True ROI counts is the true value of the number of X-ray counts, Raw ROI counts is the count number of fluorescent X-ray spectra before noise spectrum intensity is subtracted, ROI BG counts is the noise spectrum intensity, and BW is the region of interest. , BW BG is the energy bandwidth of the background region.

本発明の透過配置におけるX線吸収分光(XAS)と蛍光配置における蛍光X線分光分析(XRF)を同時に実施するための方法およびシステムによれば、従来の小型汎用型X線吸収分光装置と同じ程度の設備でありながら、透過配置におけるX線吸収分光分析と蛍光配置における蛍光X線分析とを同時に行うことでき、サンプルのX線照射位置をX線吸収分光と蛍光X線分光分析とで厳密に一致させて、測定対象物を観察することができる。
また、本発明の透過配置におけるX線吸収分光(XAS)と蛍光配置における蛍光X線分光分析(XRF)を同時に実施するための方法およびシステムによれば、吸収と蛍光両方のXAS観測が可能(どちらかよい結果を選択できる)と共に、蛍光X線分光分析を実施する場合には、「透過型」では扱えない厚いサンプルや低密度の材料でも信号が得られる。
According to the method and system for simultaneously performing X-ray absorption spectroscopy (XAS) in the transmission arrangement and X-ray fluorescence spectroscopy (XRF) in the fluorescence arrangement of the present invention, the same as the conventional compact general-purpose X-ray absorption spectrometer Although it is a small facility, X-ray absorption spectroscopic analysis in the transmission arrangement and X-ray fluorescence analysis in the fluorescence arrangement can be performed at the same time, and the X-ray irradiation position of the sample can be strictly determined in both the X-ray absorption spectroscopy and the X-ray fluorescence spectroscopy. , the object to be measured can be observed.
Also, according to the method and system for simultaneously performing X-ray absorption spectroscopy (XAS) in the transmission configuration and X-ray fluorescence spectroscopy (XRF) in the fluorescence configuration of the present invention, both absorption and fluorescence XAS observations are possible ( whichever is better), and when X-ray fluorescence spectroscopy is performed, signals are obtained from thick samples and low density materials that "transmission" cannot handle.

本発明の一実施例を示す、X線分光測定装置の全体構成図である。1 is an overall configuration diagram of an X-ray spectrometer, showing an embodiment of the present invention; FIG. 図1に示す装置の測定プロセスを説明するフローチャートである。2 is a flow chart illustrating the measurement process of the device shown in FIG. 1; 本発明の一実施例を示す、蛍光X線スペクトルの測定結果を示す図で、励起光を固定した場合を示している。FIG. 10 is a diagram showing measurement results of a fluorescent X-ray spectrum, showing an embodiment of the present invention, showing a case where excitation light is fixed; 本発明の一実施例を示す、蛍光X線スペクトルの測定結果を示す3D表示の図で、励起光をスキャンしてNiを測定する場合を示している。FIG. 3 is a 3D display diagram showing measurement results of a fluorescent X-ray spectrum, showing an embodiment of the present invention, showing a case where Ni is measured by scanning excitation light. 図4における蛍光X線スペクトルの測定結果を示す2D表示の図で、励起光をスキャンしてNiを測定する場合を示してある。FIG. 4 is a 2D view showing the measurement results of the fluorescent X-ray spectrum, showing the case where Ni is measured by scanning the excitation light. 蛍光X線分析における関心領域(ROI)の複数設定と手順の一例を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an example of setting multiple regions of interest (ROI) and procedures in X-ray fluorescence analysis; 図6Aにおいて、ある蛍光X線ピークに対して、対応するROI幅に合致するBG(バックグラウンド)を差し引く関係を説明する図である。FIG. 6B is a diagram for explaining the relationship of subtracting BG (background) matching the corresponding ROI width from a certain fluorescent X-ray peak in FIG. 6A. 蛍光X線分析における関心領域(ROI)の複数設定と手順の別の例を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing another example of setting multiple regions of interest (ROI) and procedures in X-ray fluorescence analysis; BG除去処理前の蛍光X線スペクトルの測定結果を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing measurement results of fluorescent X-ray spectra before BG removal processing; BG除去処理に用いるBG蛍光X線スペクトルの測定結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing measurement results of BG fluorescence X-ray spectra used for BG removal processing; BG除去処理後の蛍光X線スペクトルの測定結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing measurement results of fluorescent X-ray spectra after BG removal processing; 図6A~C、図7A~Cに示す測定プロセスを説明するフローチャートである。6A-C and 7A-C are flow charts illustrating the measurement process; 本発明の一実施例を示す、透過XASと蛍光XASの同一測定例を示す図で、Cuを測定する場合を示してある。It is a diagram showing the same measurement example of transmission XAS and fluorescence XAS, showing an embodiment of the present invention, showing a case of measuring Cu. 従来公知の高輝度放射光施設で用いられる透過および蛍光XASシステムの構成ブロック図である。1 is a configuration block diagram of transmission and fluorescence XAS systems used in conventionally known high intensity synchrotron radiation facilities; FIG.

まず、本明細書で用いる技術用語に関して定義する。
透過配置とは、測定試料にX線を照射し、入射X線と透過X線の強度の比較により吸収を見積もり、入射X線のエネルギーに対してプロットすることによりX線吸収スペクトルを得る配置をいう。
蛍光配置とは、測定試料にX線を照射し、入射X線とX線の吸収により発生した蛍光X線の強度の比較により疑似的な吸収を見積もり、入射X線のエネルギーに対してプロットすることによりX線吸収スペクトルを得る配置をいう。
透過XASとは、測定試料にX線を照射し、入射X線と透過X線の強度の比較により吸収を見積もり、入射X線のエネルギーに対してプロットすることによりX線吸収スペクトルを得るX線吸収分光分析(XAS)をいう。
蛍光XASとは、測定試料にX線を照射し、入射X線とX線の吸収により発生した蛍光X線の強度の比較により疑似的な吸収を見積もり、入射X線のエネルギーに対してプロットすることによりX線吸収スペクトルを得るX線吸収分光分析(XAS)をいう。
First, technical terms used in this specification are defined.
The transmission configuration is a configuration in which X-rays are irradiated to a measurement sample, absorption is estimated by comparing the intensity of the incident X-rays and transmitted X-rays, and the X-ray absorption spectrum is obtained by plotting against the energy of the incident X-rays. say.
Fluorescence configuration is to irradiate a measurement sample with X-rays, estimate pseudo absorption by comparing the intensity of incident X-rays and fluorescence X-rays generated by absorption of X-rays, and plot against the energy of incident X-rays. It refers to the arrangement for obtaining an X-ray absorption spectrum.
X-ray X-ray is a method of irradiating a sample to be measured with X-rays, estimating absorption by comparing the intensity of incident X-rays and transmitted X-rays, and plotting against the energy of incident X-rays to obtain an X-ray absorption spectrum. Refers to absorption spectroscopy (XAS).
Fluorescence XAS involves irradiating X-rays onto a measurement sample, estimating pseudo absorption by comparing the intensity of incident X-rays and the intensity of fluorescent X-rays generated by absorption of the X-rays, and plotting against the energy of the incident X-rays. X-ray absorption spectroscopy (XAS) to obtain an X-ray absorption spectrum.

続いて、図面を用いて本発明を説明する。
図1は、本発明の一実施例を示す、X線分光測定装置の全体構成図である。
本発明のX線分光測定装置は、X線光源100、X線集光ミラー110a、110b、分光結晶120、回転テーブル130、モータ140、エンコーダ150、スリット160、アパーチャー170を備えている。モータ140とエンコーダ150は、回転テーブル130の下部に位置している。
また検出器や演算装置として、蛍光分光装置400、空間分解X線検出装置410、PC(パーソナルコンピュータ)420を備えている。空間分解X線検出装置410としてのSi検出器は、Si検出器受光部410aとSi検出器変換部410bを含んで構成されている。また、励起X線300a、300b、蛍光基準ガス210、並びに測定対象物200が存在している。
Next, the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is an overall block diagram of an X-ray spectrometer, showing an embodiment of the present invention.
The X-ray spectrometer of the present invention comprises an X-ray light source 100, X-ray collecting mirrors 110a and 110b, an analyzing crystal 120, a rotating table 130, a motor 140, an encoder 150, a slit 160 and an aperture 170. Motor 140 and encoder 150 are positioned below rotary table 130 .
It also has a fluorescence spectroscopic device 400, a spatially resolved X-ray detector 410, and a PC (personal computer) 420 as detectors and arithmetic devices. The Si detector as the spatially resolving X-ray detection device 410 includes a Si detector light receiving section 410a and a Si detector conversion section 410b. There are also excitation X-rays 300a, 300b, a fluorescence reference gas 210, and a measurement object 200. FIG.

X線光源100は、数keV~数十keVのX線領域(光換算波長0.12nm-0.6nm)の光を発生するタングステン、ロジウム等をターゲットとする広帯域X線源である。X線光源100は、一般に密閉の真空室または能動的ポンピングによって維持されている真空環境(典型的には10-6Torrより高真空)を備え、真空室外側の高電圧電源と接続される電線を備えている。X線光源100は、電子ビームを生成する電子エミッタと、電子ビームが衝突するターゲットと、電子エミッタによって提供される電子ビームの線量および電圧を調整するための静電レンズシステムを備える。静電レンズシステムは、X線発生構造を備えるターゲットに、電子ビームをスキャン、フォーカスまたはデフォーカスすることができる。
X線光源100からのX線は、検出対象となる元素の吸収端に対応するエネルギーよりも高く且つ前記エネルギーを含むエネルギー帯域幅を有する。このエネルギー帯域幅は、例えば蛍光X線スペクトルやX線吸収スペクトルにおいて検出対象となる元素のLα、Lβ、Kα、Kβ等に相当する特性X線の識別ができるように定める。
The X-ray light source 100 is a broadband X-ray source whose target is tungsten, rhodium, etc., and emits light in the X-ray region of several keV to several tens of keV (optical conversion wavelength: 0.12 nm to 0.6 nm). The X-ray source 100 generally comprises a sealed vacuum chamber or a vacuum environment (typically greater than 10 −6 Torr) maintained by active pumping, with wires connected to a high voltage power supply outside the vacuum chamber. It has X-ray source 100 comprises an electron emitter that produces an electron beam, a target that the electron beam impinges on, and an electrostatic lens system for adjusting the dose and voltage of the electron beam provided by the electron emitter. An electrostatic lens system can scan, focus or defocus the electron beam onto a target comprising an x-ray generating structure.
X-rays from the X-ray source 100 have an energy bandwidth higher than and including the energy corresponding to the absorption edge of the element to be detected. This energy bandwidth is determined, for example, so that characteristic X-rays corresponding to Lα, Lβ, Kα, Kβ, etc. of the element to be detected can be identified in the X-ray fluorescence spectrum and X-ray absorption spectrum.

X線集光光学系は、X線集光レンズとして作用するもので、X線集光ミラー110a、110b、分光結晶120、スリット160及びアパーチャー170で構成される。
X線集光ミラー110a、110bは、トロイダルミラーや多結晶ミラー、ウォルターミラー(例えば、放物面形状および双曲面形状)などの二次関数の1つ以上の部分に対応する反射面を有するX線キャピラリレンズを含むことができる。X線集光ミラー110a、110bは、外部全反射に基づくX線光学レンズ列を含むがこれに限定されない。角度θで原子番号Zを有する材料の表面に入射するX線の場合、反射率は、かすめ角付近(例えば、θ≒0°)ではほぼ100%であり、材料依存およびX線エネルギー依存の臨界角θcよりも大きい角度の場合減少する。臨界角は、通常2°より小さいため、殆どのX線光学システムの許容角度を制限する。
The X-ray condensing optical system acts as an X-ray condensing lens and is composed of X-ray condensing mirrors 110 a and 110 b, analyzing crystal 120 , slit 160 and aperture 170 .
X-ray collector mirrors 110a, 110b have reflective surfaces corresponding to one or more portions of a quadratic function such as toroidal mirrors, polycrystalline mirrors, Walter mirrors (e.g., parabolic and hyperbolic shapes). A line capillary lens can be included. X-ray collector mirrors 110a, 110b include, but are not limited to, X-ray optical lens arrays based on total external reflection. For X-rays incident on the surface of a material with atomic number Z at an angle θ, the reflectance is nearly 100% near the grazing angle (e.g., θ≈0°), a material- and X-ray energy-dependent critical It decreases for angles greater than angle θc. The critical angle is usually less than 2° and thus limits the angle acceptance of most x-ray optical systems.

分光結晶120は、広帯域のX線を一定方向に分散させるもので、例えばGe、Si、高配向熱分解黒鉛(HOPG:(highly orientated pyrolytic graphite))などの結晶光学素子が用いられる。分光すべき波長に対する分光結晶の選び方は、次のブラッグの式に依存するもので、0<λ<2dである。
2d・sinθ=nλ (1)
ここで、dは結晶面間隔、θはX線の入射角、λは入射X線の波長である。nは整数であり、反射の次数を示す。n=1のときは一次の反射を表す。
分光すべき波長λが大きくなるにつれて、分光結晶の2d値も大きくなければならない。X線の入射角を変化させると、入射角が(1)式を満たすとき強い反射が起こる。
回転テーブル130には、分光結晶120が配置されており、角度に応じて分光結晶120に分散角度を与える。モータ140は、回転テーブル130の動力源である。エンコーダ150は、回転テーブル130の回転角を読み取り、指示することで分光結晶120の角度位置決めを行うのに用いられる。
励起X線300aは、測定対象物200に照射される前の、X線光源100から出射されたX線である。励起X線300bは、分光結晶120で分光後のX線である。
The analyzing crystal 120 disperses broadband X-rays in a certain direction, and uses a crystal optical element such as Ge, Si, or highly oriented pyrolytic graphite (HOPG). The selection of the analyzing crystal for the wavelength to be spectroscopic depends on the following Bragg's equation, where 0<λ<2d.
2d·sin θ=nλ (1)
Here, d is the distance between crystal planes, θ is the incident angle of X-rays, and λ is the wavelength of the incident X-rays. n is an integer and indicates the order of reflection. When n=1, it represents first order reflection.
As the wavelength λ to be spectroscopy increases, the 2d value of the dispersing crystal must also increase. When the incident angle of X-rays is changed, strong reflection occurs when the incident angle satisfies the formula (1).
An analyzing crystal 120 is arranged on the rotary table 130, and gives a dispersion angle to the analyzing crystal 120 according to the angle. A motor 140 is a power source for the rotary table 130 . Encoder 150 is used for angular positioning of analyzing crystal 120 by reading and indicating the rotation angle of rotary table 130 .
The excitation X-rays 300 a are X-rays emitted from the X-ray light source 100 before the object 200 to be measured is irradiated. The excitation X-rays 300 b are X-rays that have been spectroscopically separated by the analyzing crystal 120 .

スリット160及びアパーチャー170は、X線集光ミラー110a、110b及び分光結晶120で収集されたX線の一部を、500μm未満の集光サイズを有する測定対象物200上の集光スポットに集光させるように構成される。
スリット160は、分光結晶120で分散されたX線300bから、検出対象となる元素の吸収端に対応するエネルギーよりも高く且つ前記エネルギーを含むエネルギー帯域幅を有するX線の単色光を切り出すものであり、その分解能は好ましくは3eVよりも高いエネルギー分解能を有する。
アパーチャー170は、測定対象物200以外にX線が照射されないよう、迷光、散乱光を低減するもので、更に高次光カットのためのフィルターを取り付けてもよい。アパーチャー170は、典型的には、X線光学レンズ列によって生成された集光スポットのサイズに相当する直径を有する小さな穴で、絞りの直径は典型的に5~25μmであってもよい。絞りは、一般的に水平方向(すなわち、矢状面に平行な方向)に配向されたスリットを含むことができる。絞り素子自体は、光学システムの焦点の深度よりも短い厚さ(例えば、約20μmの厚さ)を有する金属片(例えば、モリブデンまたはプラチナ)を含んでもよい。
The slit 160 and the aperture 170 focus some of the X-rays collected by the X-ray collecting mirrors 110a, 110b and the analyzing crystal 120 to a focused spot on the measurement object 200 having a focused size of less than 500 μm. configured to allow
The slit 160 cuts out, from the X-rays 300b dispersed by the analyzing crystal 120, an X-ray monochromatic light having an energy bandwidth higher than and including the energy corresponding to the absorption edge of the element to be detected. and the resolution preferably has an energy resolution higher than 3 eV.
Aperture 170 reduces stray light and scattered light so that X-rays other than measurement object 200 are not irradiated, and a filter for cutting higher-order light may be attached. Aperture 170 is typically a small hole having a diameter corresponding to the size of the focused spot produced by the X-ray optical lens train, and the diameter of the stop may be typically 5-25 μm. The aperture may include slits oriented generally horizontally (ie, parallel to the sagittal plane). The diaphragm element itself may comprise a piece of metal (eg molybdenum or platinum) having a thickness less than the depth of focus of the optical system (eg about 20 μm thick).

測定対象物200は、吸収及び/または蛍光X線分光により物質の同定や状態を調査したい対象サンプルである。測定対象物200は、支持台に載置されており、支持台の移動・回転によって、測定対象物200を平行移動および/または回転させることができる。したがって、アパーチャー170を通過したX線は、測定対象物200の異なる部分に照射することができる。これによって、スキャン中に、測定対象物200の様々な位置に照射することができ、またはいくつかの入射角から照射することができる。
この支持台の移動・回転機構は、蛍光分光装置400における、測定対象物200に対して放射されるX線に対して、測定対象物200の位置や角度を調整できる機能として作用する。
A measurement object 200 is a target sample whose substance identification and state should be investigated by absorption and/or fluorescence X-ray spectroscopy. The object 200 to be measured is placed on a support base, and the object 200 to be measured can be translated and/or rotated by moving and rotating the support base. Therefore, the X-rays that have passed through the aperture 170 can irradiate different parts of the object 200 to be measured. This allows different positions of the measurement object 200 to be illuminated or illuminated from several angles of incidence during the scan.
The movement/rotation mechanism of this support table acts as a function of adjusting the position and angle of the measurement object 200 with respect to the X-rays emitted to the measurement object 200 in the fluorescence spectrometer 400 .

蛍光分光装置400は、測定対象物200に照射されて散乱したX線を検出するもので、シリコンドリフト検出器(SDD)や小型分光器などである。蛍光分光装置400は、150eVよりも高いエネルギー分解能を有する検出素子であるとよい。150eVよりも高いエネルギー分解能を有することで、蛍光X線スペクトルにおいて検出対象となる原子元素のKα、Kβ等に相当する特性X線の識別ができる。 The fluorescence spectrometer 400 detects X-rays irradiated and scattered by the object 200 to be measured, and is a silicon drift detector (SDD), a compact spectroscope, or the like. Fluorescence spectroscopy device 400 may be a detector element with an energy resolution higher than 150 eV. Having an energy resolution higher than 150 eV makes it possible to identify characteristic X-rays corresponding to Kα, Kβ, etc. of the atomic element to be detected in the fluorescent X-ray spectrum.

空間分解X線検出装置410としてのSi検出器は、測定対象物200を透過したX線を検出するもので、X線領域に検出感度を持つ検出器で、Si検出器受光部410aとSi検出器変換部410bを含んで構成されている。Si検出器受光部410aは、2次元のSi検出器であれば、サンプルアライメントや検出領域選択など利便性が上がるのでより良く、例えば30mm以上の広い面積での画像としてX線が検出できるとよい。更にSi検出器受光部410aは、例えば、ピクセルサイズが25μm以上1000μm以下のダイオードが2次元に配列され、X線領域に検出感度を持ち、フォトンカウンティングが可能で、検出対象となる原子元素の吸収端を含むエネルギー帯域幅に亘って、測定対象物200からX線吸収スペクトルを取得するものであればよい。Si検出器変換部410bは、Si検出器受光部410aの各ピクセルの受光信号を増幅するもので、好ましくは受光信号のエネルギー準位に従ってフォトンカウンティング出来ることが好ましい。 The Si detector as the spatially resolving X-ray detection device 410 detects X-rays that have passed through the measurement object 200, and has detection sensitivity in the X-ray region. It is configured including a device conversion unit 410b. The Si detector light receiving part 410a is better if it is a two -dimensional Si detector because it improves convenience such as sample alignment and detection area selection. good. Furthermore, the Si detector light receiving unit 410a has, for example, two-dimensionally arranged diodes with a pixel size of 25 μm or more and 1000 μm or less, has detection sensitivity in the X-ray region, can perform photon counting, and absorbs atomic elements to be detected. Any device that obtains an X-ray absorption spectrum from the measurement object 200 over an energy bandwidth including edges may be used. The Si detector conversion section 410b amplifies the received light signal of each pixel of the Si detector light receiving section 410a, and is preferably capable of photon counting according to the energy level of the received light signal.

PC(パーソナルコンピュータ)420は、信号処理及び各機器の制御、演算を行うもので、ソフトウエアを含む。PC420は、蛍光分光装置400と空間分解X線検出装置410としてのSi検出器を用いて、X線吸収分光分析と蛍光X線分析とを同時に行うことでき、測定対象物200のX線照射位置をX線吸収分光と蛍光X線分光分析とで厳密に一致させて、測定対象物200を観察することができる。また、PC420は、蛍光分光装置400と空間分解X線検出装置410の何れか一方の信号を用いて測定対象物200を観察することができる。さらに、PC420は、スリット160及びアパーチャー170の調整や測定対象物200を載置している支持台の位置や姿勢の調整を行う機能を有する。この測定対象物200の任意の個所にX線照射を可能とする機能により、X線照射位置と蛍光検出器及び/又はX線吸収分光分析器と測定対象物200のアライメント(位置関係)に自由度が出来、好条件で蛍光X線スペクトル及び/又はX線吸収スペクトルの信号が得られる。
蛍光基準ガス210は、ArやKrなど一定量を雰囲気ガスとして与えることで、真空装置が不要になると共に、蛍光強度の補正が行える。
A PC (personal computer) 420 performs signal processing, control of each device, and calculation, and includes software. The PC 420 can simultaneously perform X-ray absorption spectroscopic analysis and fluorescent X-ray analysis using the Si detector as the fluorescence spectroscopic device 400 and the spatially resolving X-ray detection device 410. can be strictly matched between X-ray absorption spectroscopy and fluorescent X-ray spectroscopy to observe the object 200 to be measured. Also, the PC 420 can observe the measurement object 200 using either the signal from the fluorescence spectroscopic device 400 or the spatially resolving X-ray detection device 410 . Furthermore, the PC 420 has a function of adjusting the slit 160 and the aperture 170 and adjusting the position and posture of the support table on which the object 200 to be measured is placed. With this function that enables X-ray irradiation to any part of the measurement object 200, the alignment (positional relationship) between the X-ray irradiation position and the fluorescence detector and/or the X-ray absorption spectrometer and the measurement object 200 can be freely adjusted. A signal of X-ray fluorescence spectrum and/or X-ray absorption spectrum can be obtained under favorable conditions.
A fixed amount of the fluorescence reference gas 210, such as Ar or Kr, is supplied as an atmosphere gas, thereby eliminating the need for a vacuum device and enabling correction of the fluorescence intensity.

このように構成された装置においては、測定対象物200に照射されて生じた蛍光X線310が蛍光分光装置400によって検出される。測定対象物200の前にスリット160やアパーチャー170、高次光カットフィルターを用いることで、小型汎用ながら、高いエネルギー分解能で蛍光XASが得られる。また、蛍光XASでは強度の補正が課題になるが、雰囲気ガス(例えばArやKr)の蛍光強度を基準強度として補正することができる。
測定対象物を透過したX線320は、空間分解X線検出装置410により検出され、PC(パーソナルコンピュータ)420によって受光信号のエネルギー準位をもとに解析され、X線吸収分光分析が行われる。X線吸収スペクトル(XAS:X-ray Absorption Spectra)あるいはX線吸収微細構造(XAFS:X-ray Absorption Fine Structure)は、X線吸収端近傍構造(XANES)と広域X線吸収微細構造(EXAFS)の区別がある。X線吸収端近傍構造(XANES)では、X線吸収元素の電子状態・周辺構造などの解析に有効な吸収端から高エネルギー側の200eV以下のエネルギー帯域幅に亘る第1のエネルギー帯域幅の情報が含まれる。広域X線吸収微細構造(EXAFS)では、吸収端から高エネルギー側の2keV以下のエネルギー帯域幅に亘る第2のエネルギー帯域幅の情報が含まれる。
なお、XANESとEXAFSにおいて、どこまでの範囲を測定するかは、測定元素のエネルギーと、どのくらいの精度で解析を行うかの2点で決まる。そこで、XANESにあっては、多くの場合吸収端から高エネルギー側の200eV以下のエネルギー帯域幅まで測定すれば十分な解析ができるが、200eVを超えて測定しても差し支えない。また、EXAFSにあっては、多くの場合、2keV迄測定すれば十分な解析ができるが、2keVを超えて測定しても差し支えない。
また、測定対象物に照射されて発生した蛍光X線310は、蛍光分光装置400で受光されて、蛍光X線スペクトルが得られる。
In the apparatus configured as described above, the fluorescent X-rays 310 generated by irradiating the measurement object 200 are detected by the fluorescence spectrometer 400 . By using a slit 160, an aperture 170, and a high-order light cut filter in front of the object 200 to be measured, fluorescence XAS can be obtained with high energy resolution while being small and versatile. In addition, although correction of intensity is a problem in fluorescence XAS, correction can be made using the fluorescence intensity of the atmospheric gas (for example, Ar or Kr) as a reference intensity.
The X-rays 320 transmitted through the object to be measured are detected by a spatially resolving X-ray detector 410, analyzed by a PC (personal computer) 420 based on the energy level of the received light signal, and subjected to X-ray absorption spectroscopic analysis. . X-ray absorption spectrum (XAS: X-ray Absorption Spectra) or X-ray absorption fine structure (XAFS: X-ray Absorption Fine Structure) is an X-ray absorption near-edge structure (XANES) and an extensive X-ray absorption fine structure (EXAFS) There is a distinction between In the structure near the X-ray absorption edge (XANES), the information of the first energy bandwidth over the energy bandwidth of 200 eV or less on the high energy side from the absorption edge effective for analysis of the electronic state and peripheral structure of the X-ray absorption element is included. Extensive X-ray absorption fine structure (EXAFS) contains information of a second energy bandwidth over an energy bandwidth below 2 keV on the high-energy side from the absorption edge.
In XANES and EXAFS, the range to be measured is determined by the energy of the element to be measured and the accuracy with which the analysis is performed. Therefore, with XANES, in many cases, sufficient analysis can be performed by measuring the energy bandwidth of 200 eV or less on the high-energy side from the absorption edge, but there is no problem even if the measurement exceeds 200 eV. In addition, in EXAFS, in many cases, sufficient analysis can be performed by measuring up to 2 keV, but there is no problem even if it exceeds 2 keV.
Fluorescent X-rays 310 generated by irradiating the object to be measured are received by the fluorescence spectrometer 400 to obtain a fluorescent X-ray spectrum.

図2は図1に示す装置の測定プロセスを説明するフローチャートである。
まず、測定対象物200をアパーチャー170の後段であって、蛍光分光装置400による蛍光X線310やSi検出器410による透過X線320の受光ができる所定の載置箇所にセットし、X線光学系の調整をする(S100)。
X線光源100から測定対象物200に対して、所定のX線エネルギーを有するX線を照射する(S110)。モータ140とエンコーダ150を用いて、目的のX線エネルギーに対応する分光結晶角度に回転テーブル130を回転して、分光結晶120の角度位置決めを行う(S120)。
そして、空間分解X線検出装置410としてのSi検出器により透過X線による吸収信号を検出すると共に、蛍光分光装置400により散乱X線による測定対象物200の蛍光検出を行う(S130)。
FIG. 2 is a flow chart illustrating the measurement process of the apparatus shown in FIG.
First, the object 200 to be measured is set at a predetermined placement position behind the aperture 170 where the fluorescent X-rays 310 by the fluorescence spectrometer 400 and the transmitted X-rays 320 by the Si detector 410 can be received. The system is adjusted (S100).
X-rays having a predetermined X-ray energy are irradiated from the X-ray light source 100 to the measurement object 200 (S110). Using the motor 140 and the encoder 150, the rotating table 130 is rotated to the analyzing crystal angle corresponding to the target X-ray energy, and the analyzing crystal 120 is angularly positioned (S120).
Then, the Si detector serving as the spatially resolving X-ray detector 410 detects an absorption signal due to transmitted X-rays, and the fluorescence spectrometer 400 detects the fluorescence of the measurement object 200 based on scattered X-rays (S130).

次の目的のX線エネルギーはあるか判断する(S140)。YESであれば、S120に戻り、次の目的のX線エネルギーに対応する分光結晶角度に回転テーブル130を回転する。NOであれば、S150に進む。
サンプルの測定が透過XASであるか判断する(S150)。YESであれば、S160に進み、NOであれば、S180に進む。
透過XASの場合は、測定対象物200が無い場合の照射X線強度I測定をする(S160)。そして、得られた信号データから、吸収スペクトル演算する(S170)。この演算式は、例えば次の式である。
ここで、質量吸収係数μは文献値“International Tables for X-ray Crystallography, Vol.3”を探したり、次のVictoreenの式から求める。
μ=Cλ-Dλ (2)
このVictoreenの式の係数C、Dは、例えば『XAFSの基礎と応用』講談社(2017)付録Cに掲載されている。
透過XASではなく、蛍光XASを測定する場合、得られた信号データから、蛍光配置における疑似的な吸収スペクトル演算する(S180)。
It is determined whether there is the next target X-ray energy (S140). If YES, the process returns to S120 to rotate the rotating table 130 to the analyzing crystal angle corresponding to the next target X-ray energy. If NO, proceed to S150.
It is determined whether the measurement of the sample is transmission XAS (S150). If YES, proceed to S160; if NO, proceed to S180.
In the case of transmission XAS, the irradiation X-ray intensity I0 is measured when there is no measuring object 200 (S160). Then, the absorption spectrum is calculated from the obtained signal data (S170). This arithmetic expression is, for example, the following expression.
Here, the mass absorption coefficient μM is obtained by searching the literature value "International Tables for X-ray Crystallography, Vol. 3" or by the following Victoreen equation.
μ M =Cλ 3 -Dλ 4 (2)
The coefficients C and D of Victoreen's formula are listed, for example, in "Basics and Applications of XAFS", Kodansha (2017), Appendix C.
When fluorescence XAS is measured instead of transmission XAS, a pseudo absorption spectrum in the fluorescence arrangement is calculated from the obtained signal data (S180).

図3は、本発明の一実施例を示す、蛍光X線スペクトルの測定結果を示す図で、励起光を固定した場合を示している。測定対象物はMnCr鋼で、FeのKαは6.4keV付近にピークがあり、Kβは7.0keV付近にピークがある。CrのKαは5.4keV付近にピークがあり、MnのKαは5.8keV付近にピークがある。雰囲気ガスであるArは3keV付近にピークがある。GeのKαは9.9keV付近にピークがあり、Kβは11.0keV付近にピークがある。 FIG. 3 is a diagram showing the measurement result of the fluorescent X-ray spectrum, showing one embodiment of the present invention, and shows the case where the excitation light is fixed. The object to be measured is MnCr steel, and Kα of Fe has a peak near 6.4 keV, and Kβ has a peak near 7.0 keV. The Kα of Cr has a peak around 5.4 keV, and the Kα of Mn has a peak around 5.8 keV. Ar, which is the atmosphere gas, has a peak around 3 keV. Kα of Ge has a peak around 9.9 keV, and Kβ has a peak around 11.0 keV.

図4は本発明の一実施例を示す、蛍光X線スペクトルの測定結果を示す3D表示の図で、励起光をスキャンしてNiを測定する場合を示している。関心領域(ROI:region of interest)は、NiのKα、Kβに相当する特性X線のエネルギー順位を示す領域である。
蛍光X線スペクトルの測定結果によれば、同一元素であるNiの崩壊ライン(Kα、Kβ)ごとに分解できる。吸収XASのみだとKαとKβを分離できない。
FIG. 4 is a 3D view showing the measurement result of the fluorescent X-ray spectrum, showing an embodiment of the present invention, showing the case of measuring Ni by scanning the excitation light. A region of interest (ROI) is a region showing energy levels of characteristic X-rays corresponding to Kα and Kβ of Ni.
According to the measurement result of the fluorescent X-ray spectrum, it can be decomposed for each decay line (Kα, Kβ) of Ni, which is the same element. Kα and Kβ cannot be separated by absorption XAS alone.

図5は、図4における励起光をスキャンした場合のNiのKα、Kβ、及びバックグラウンド信号を示す2D表示の図である。NiのKαは7.47keV付近にピークがあり、Kβは8.26keV付近にピークがある。NiのK吸収端Kabは8.33keV付近である。なお、各元素の吸収端の値は、例えば大気中微小粒子状物質(PM2.5)測定方法暫定マニュアル 第5章[4] 金属成分の非破壊多元素同時測定法(エネルギー分散型蛍光X線分析法)(https://www.env.go.jp/air/report/h19-03/manual/m05_4.pdf)から入手できる。
例えば、代表的な元素の吸収端は、以下のようになっている。
S(硫黄)のK吸収端Kabとして2.470keV、
Ti(チタン)のK吸収端Kabとして4.964keV、
V(バナジウム)のK吸収端Kabとして5.463keV、
Cr(クロム)のK吸収端Kabとして5.988keV、
Mn(マンガン)のK吸収端Kabとして6.536keV、
Fe(鉄)のK吸収端Kabとして7.110keV、
Co(コバルト)のK吸収端Kabとして7.708keV、
Ni(ニッケル)のK吸収端Kabとして8.330keV、
Cu(銅)のK吸収端Kabとして8.979keV、
Zn(亜鉛)のK吸収端Kabとして9.660keV、
Ga(ガリウム)のK吸収端Kabとして10.336keV、
Ge(ゲルマニウム)のK吸収端Kabとして11.102keV、
Se(セレン)のK吸収端Kabとして12.625keV、
Rb(ルビジウム)のK吸収端Kabとして15.200keV、
Zr(ジルコニウム)のK吸収端Kabとして17.996keV、
Nb(ニオブ)のK吸収端Kabとして18.984keV、
Mo(モリブデン)のK吸収端Kabとして20.001keV。
FIG. 5 is a 2D display showing the Kα, Kβ, and background signals of Ni when scanning the excitation light in FIG. Kα of Ni has a peak around 7.47 keV, and Kβ has a peak around 8.26 keV. The K absorption edge Kab of Ni is around 8.33 keV. In addition, the value of the absorption edge of each element can be obtained, for example, from Chapter 5 [4], Nondestructive Simultaneous Measurement of Metal Components (Energy Dispersive Fluorescent X-ray Analysis method) (https://www.env.go.jp/air/report/h19-03/manual/m05_4.pdf).
For example, the absorption edges of representative elements are as follows.
2.470 keV as the K absorption edge Kab of S (sulfur),
4.964 keV as the K absorption edge Kab of Ti (titanium),
5.463 keV as the K absorption edge Kab of V (vanadium),
5.988 keV as the K absorption edge Kab of Cr (chromium),
6.536 keV as the K absorption edge Kab of Mn (manganese),
7.110 keV as the K absorption edge Kab of Fe (iron),
7.708 keV as the K absorption edge Kab of Co (cobalt),
8.330 keV as the K absorption edge Kab of Ni (nickel);
8.979 keV as the K absorption edge Kab of Cu (copper),
9.660 keV as the K absorption edge Kab of Zn (zinc),
10.336 keV as the K absorption edge Kab of Ga (gallium),
11.102 keV as the K absorption edge Kab of Ge (germanium),
12.625 keV as the K absorption edge Kab of Se (selenium),
15.200 keV as the K absorption edge Kab of Rb (rubidium),
17.996 keV as the K absorption edge Kab of Zr (zirconium),
18.984 keV as the K absorption edge Kab of Nb (niobium),
The K absorption edge Kab of Mo (molybdenum) is 20.001 keV.

図6Aは蛍光X線分析における関心領域(ROI)の複数設定と手順の一例を示す図である。関心領域(ROI:region of interest)が7か所ある場合を示しており、CrのKαに相当する5.4keV付近、FeのKαに相当する6.4keV付近、FeのKβに相当する7.0keV付近、NiのKαに相当する7.5keV付近、GeのKαに相当する9.9keV付近、GeのKβに相当する11.0keV付近、並びにバックグラウンド信号として14~17keV付近を示している。 FIG. 6A is a diagram showing an example of setting multiple regions of interest (ROI) and procedures in fluorescent X-ray analysis. It shows a case where there are seven regions of interest (ROI), around 5.4 keV corresponding to Kα of Cr, around 6.4 keV corresponding to Kα of Fe, and 7.4 keV corresponding to Kβ of Fe. Near 0 keV, around 7.5 keV corresponding to Kα of Ni, around 9.9 keV corresponding to Kα of Ge, around 11.0 keV corresponding to Kβ of Ge, and around 14 to 17 keV as a background signal.

図6Bは、図6Aにおいて、ある蛍光X線ピークに対して、対応するROI幅に合致するバックグラウンドを差し引く関係を説明する図である。所定の関心領域のX線エネルギーの測定値から、単位のX線エネルギー幅当たりのバックグラウンド信号をノイズ信号として控除して、目的とする関心領域のX線エネルギーの信号強度を求める。 FIG. 6B is a diagram for explaining the relationship of subtracting the background that matches the width of the corresponding ROI from a certain fluorescent X-ray peak in FIG. 6A. A background signal per unit X-ray energy width is subtracted as a noise signal from the X-ray energy measurement value of the predetermined region of interest to obtain the signal strength of the X-ray energy of the target region of interest.

図6Cは、蛍光X線分析における関心領域(ROI)の複数設定と手順の別の例を示す図である。X線光源にはW(タングステン)電極を用い、印加電圧は20kV、200Wで、X線ビームのエネルギーhνは9050eVで、照射時間は50秒である。ここで、hはプランク定数、νは光の振動数である。試料は鉄合金である。
図6Cには、例えば検出器の一つとしてマルチチャンネルアナライザーを用いる場合には、関心領域(ROI)として、Lチャンネル、Mチャンネル、Nチャンネルが示されている。LチャンネルはFeのKαを信号成分として含む6.0~6.75keVの領域、MチャンネルはFeのKβを信号成分として含む6.8~7.4keVの領域、Nチャンネルはバックグラウンド信号BGを求めるBGチャンネルで、ここでは12~15.8keVの領域である。この時、Lチャンネルの関心領域(ROI1)の真のカウント数は、BG除去処理前の蛍光X線スペクトルのカウント数から、BG除去処理に用いるBG蛍光X線スペクトルの帯域幅に応じた按分比を控除した値となっている。
また、Mチャンネルの関心領域(ROI2)の真のカウント数は、BG除去処理前の蛍光X線スペクトルのカウント数から、BG除去処理に用いるBG蛍光X線スペクトルの帯域幅に応じた按分比を控除した値となっている。
FIG. 6C is a diagram showing another example of setting multiple regions of interest (ROI) and procedures in X-ray fluorescence analysis. A W (tungsten) electrode is used as the X-ray light source, the applied voltage is 20 kV and 200 W, the energy hv of the X-ray beam is 9050 eV, and the irradiation time is 50 seconds. where h is Planck's constant and ν is the frequency of light. The sample is an iron alloy.
FIG. 6C shows L, M, and N channels as regions of interest (ROI) when using a multi-channel analyzer as one of the detectors, for example. The L channel is a region of 6.0 to 6.75 keV containing Kα of Fe as a signal component, the M channel is a region of 6.8 to 7.4 keV containing Kβ of Fe as a signal component, and the N channel is a background signal BG. The desired BG channel is in the region of 12 to 15.8 keV here. At this time, the true count number of the region of interest (ROI1) of the L channel is obtained by dividing the count number of the fluorescent X-ray spectrum before the BG removal process into the proportional division ratio according to the bandwidth of the BG fluorescent X-ray spectrum used for the BG removal process. is the value after deducting
Further, the true count number of the region of interest (ROI2) of the M channel is obtained by dividing the count number of the fluorescent X-ray spectrum before the BG removal process into the proportional division ratio according to the bandwidth of the BG fluorescent X-ray spectrum used for the BG removal process. It is a deducted value.

図7Aは、BG除去処理前の蛍光X線スペクトルの測定結果を示す図で、図6Cに示したものと同じ条件で測定している。
図7Bは、BG除去処理に用いるBG蛍光X線スペクトルの測定結果を示す図である。
図7Cは、BG除去処理後の蛍光X線スペクトルの測定結果を示す図である。図7Aに示すBG除去処理前の蛍光X線スペクトルの測定結果から、図7Bに示すBG除去処理に用いるBG蛍光X線スペクトルの測定結果を控除したものである。例えば、FeのKαのカウント数に着目すると、BG除去処理前は約2100であり、BGでは約500であり、BG除去処理後は約1600となっている。
FIG. 7A is a diagram showing the measurement result of the fluorescent X-ray spectrum before the BG removal process, and was measured under the same conditions as those shown in FIG. 6C.
FIG. 7B is a diagram showing measurement results of BG fluorescent X-ray spectra used for BG removal processing.
FIG. 7C is a diagram showing measurement results of fluorescent X-ray spectra after BG removal processing. The measurement result of the BG fluorescence X-ray spectrum used for the BG removal process shown in FIG. 7B is subtracted from the measurement result of the fluorescence X-ray spectrum before the BG removal process shown in FIG. 7A. For example, focusing on the count number of Kα of Fe, it is about 2100 before BG removal, about 500 with BG, and about 1600 after BG removal.

図8は、図6A~C、図7A~Cに示す測定プロセスを説明するフローチャートである。ここでは、測定対象物として、複数元素が混在するサンプルを想定する。
まず、いくつかの蛍光X線ピークに対して関心領域を設定する(S200)。次に、照射X線のエネルギーをスキャンし、関心領域カウントを保存する(S210)。そして、各々の関心領域幅に合致するバックグラウンドを差し引く(S220)。照射X線エネルギーに対する蛍光X線分析より蛍光XASを取得する(S230)。
FIG. 8 is a flow chart illustrating the measurement process shown in FIGS. 6A-C and 7A-C. Here, it is assumed that the object to be measured is a sample containing a mixture of multiple elements.
First, a region of interest is set for several fluorescent X-ray peaks (S200). Next, the energy of the irradiated X-ray is scanned and the region of interest count is stored (S210). Then, the background that matches the width of each region of interest is subtracted (S220). Fluorescence XAS is obtained by fluorescence X-ray analysis of irradiation X-ray energy (S230).

図9は、本発明の一実施例を示す、透過XASと蛍光XASの同一測定例を示す図で、Cuを測定する場合を示してある。CuのK吸収端Kabは8.98keV付近であるが、このエネルギー準位から計数値が急増している。 FIG. 9 is a diagram showing an example of the same measurement of transmission XAS and fluorescence XAS, showing an embodiment of the present invention, showing a case of measuring Cu. The K absorption edge Kab of Cu is around 8.98 keV, and the count value increases rapidly from this energy level.

図10は従来公知の高輝度放射光施設で用いられる透過および蛍光XASシステムの構成ブロック図である。シンクロトロンからの単色X線が、X線強度を計測するための電離箱(イオンチャンバー)を介して試料に入射する。試料にX線が照射され、電離箱により透過X線、蛍光検出器により蛍光X線が検出される配置となっている。ここでは、入射光強度Iを測定するイオンチャンバーに加えて、試料の透過X線強度を計測する第1のイオンチャンバーと、この第1のイオンチャンバーを透過してさらに参照金属箔を透過したX線強度を計測するための第2のイオンチャンバーを有する測定システムを示している。 FIG. 10 is a configuration block diagram of a transmission and fluorescence XAS system used in a conventionally known high-intensity synchrotron radiation facility. Monochromatic X-rays from a synchrotron enter a sample through an ionization chamber (ion chamber) for measuring X-ray intensity. The sample is irradiated with X-rays, transmitted X-rays are detected by the ionization chamber, and fluorescent X-rays are detected by the fluorescence detector. Here, in addition to the ion chamber for measuring the incident light intensity I0 , there is a first ion chamber for measuring the transmitted X-ray intensity of the sample, and a reference metal foil transmitted through this first ion chamber. Fig. 3 shows a measurement system with a second ion chamber for measuring X-ray intensity;

このような従来公知の高輝度放射光施設で用いられる透過および蛍光XASシステムと比較して、本発明の測定システムの利点は、次の事項にある。
(A):本発明の測定システムでは、放射光や真空を利用しないため、可搬できると共に、従来の大強度放射光施設と比較して省電力である。
(B):本発明の測定システムは、従来の大強度放射光施設で用いられていた真空の電離箱(イオンチャンバー)を必要とせず、雰囲気希ガス蛍光強度でノーマライズしている。
(C):本発明の測定システムでは、アパーチャーとスリットの調整やサンプルを載置している支持台の位置や姿勢の調整により、サンプルの任意の個所にX線照射が可能であるため、蛍光X線検出器及び/又は吸収X線検出器とサンプルのX線照射位置とのアライメント(位置関係)に自由度が出来、好条件で信号が得られる。
(D):本発明の測定システムでは、2次元検出器との組み合わせで、照射サンプル像もしくは照射位置を確認しながら調整できる。
(E):本発明の測定システムによれば、図9に示すように透過XASと蛍光XASの比較から、その吸収端をより正確に求めることができ、かつ吸収端より高エネルギー側での振動比較で、自己吸収の有無やサンプルの厚み効果などの情報を得ることができる。
(F):透過XASでは、測定対象元素の量が少ない場合、測定対象元素の濃度が低い場合、およびX線の透過が困難な厚い基板の上に測定試料が担持されている場合に測定が困難であるが、前記透過XASにより測定が困難な場合は、蛍光XASにより測定を行うことができる。
Advantages of the measurement system of the present invention compared to transmission and fluorescence XAS systems used in such previously known high intensity synchrotron radiation facilities are the following.
(A): Since the measurement system of the present invention does not use synchrotron radiation or vacuum, it is portable and consumes less power than conventional high-intensity synchrotron radiation facilities.
(B): The measurement system of the present invention does not require the vacuum ionization chamber (ion chamber) used in conventional high-intensity synchrotron radiation facilities, and is normalized by the atmospheric rare gas fluorescence intensity.
(C): In the measurement system of the present invention, it is possible to irradiate any part of the sample with X-rays by adjusting the aperture and the slit, and by adjusting the position and posture of the support table on which the sample is placed. The alignment (positional relationship) between the X-ray detector and/or the absorption X-ray detector and the X-ray irradiation position of the sample can be made flexible, and signals can be obtained under favorable conditions.
(D): In the measurement system of the present invention, in combination with a two-dimensional detector, adjustments can be made while confirming the irradiated sample image or the irradiated position.
(E): According to the measurement system of the present invention, the absorption edge can be determined more accurately from the comparison of transmission XAS and fluorescence XAS as shown in FIG. Information such as the presence or absence of self-absorption and sample thickness effects can be obtained by comparison.
(F): In transmission XAS, measurement is not possible when the amount of the element to be measured is small, when the concentration of the element to be measured is low, and when the measurement sample is supported on a thick substrate that makes it difficult for X-rays to pass through. Although it is difficult, if the transmission XAS is difficult to measure, the fluorescence XAS can be used for the measurement.

なお、上記の本発明の実施の形態では、X線集光レンズとして、X線光源側に設置された第1のX線集光ミラー110a、前記第1のX線集光ミラーで反射されたX線が入射する分光結晶120、前記分光結晶で分光されたX線が入射する第2のX線集光ミラー110b、スリット160及びアパーチャー170で構成される場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、他のX線光学システム、例えば、ウォルターI型光学レンズ、円錐形キャピラリレンズ、ポリキャピラリレンズ、Kirkpatrick-Baezレンズ、Montelレンズを光学レンズ列の構成素子として使用することができる。フィルターおよび追加のビームストップなどを含むシステムを使用することもできる。更に、他のX線光学素子、例えば、フレネルゾーンプレート、円筒形ウォルター型光学レンズ、ウォルターII型またはIII型光学レンズ、シュワルツシルト光学レンズ、回折格子、ブラッグ回折を使用した水晶ミラー、ホールアレイレンズ、マルチプリズムまたは「アリゲーター」レンズ、ロール式X線プリズムレンズ、「ロブスターアイ」光学レンズ、マイクロチャネルプレート光学レンズを用いて、または上述したものと組み合わせることによって、当業者に知られている特定の方法でX線を導く本発明の実施形態の複合光学システムを形成することができる。 In the above embodiment of the present invention, the first X-ray collecting mirror 110a installed on the side of the X-ray light source serves as the X-ray collecting lens, and the light reflected by the first X-ray collecting mirror A case has been shown in which the X-rays are incident on the analyzing crystal 120, the second X-ray collecting mirror 110b on which the X-rays dispersed by the analyzing crystal are incident, the slit 160 and the aperture 170, but the present invention is this. is not limited to For example, other X-ray optical systems such as Walter type I optical lenses, conical capillary lenses, polycapillary lenses, Kirkpatrick-Baez lenses, Montel lenses can be used as components of the optical lens train. Systems including filters and additional beam stops etc. can also be used. In addition, other X-ray optical elements such as Fresnel zone plates, cylindrical Wolter optical lenses, Wolter type II or III optical lenses, Schwarzschild optical lenses, diffraction gratings, crystal mirrors using Bragg diffraction, hole array lenses. , multiprism or "alligator" lenses, rolled x-ray prism lenses, "lobster eye" optical lenses, microchannel plate optical lenses, or in combination with those described above, certain Compound optical systems of embodiments of the present invention can be formed that direct X-rays in a manner.

また、上記の本発明の実施の形態では、空間分解X線検出装置として、Si検出器受光部410aとSi検出器変換部410bを有するSi検出器の場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、CCDアレイ(X線センサ)、CMOSまたはS-CMOS検出装置、フラットパネルセンサ、または1D線形検出装置および2Dアレイ検出装置を含み、当技術分野で知られているX線強度を電子信号に変換する1つ以上の位置感知型X線アレイ検出装置であってもよい。位置感知検出装置の例として、線形検出装置、位置感知アレイ検出装置、PINダイオード、比例計数管、分光計、フォトダイオード検出装置、シンチレータタイプおよびガス充填アレイ検出装置などを含む。いくつかの実施形態において、比例検出装置およびアバランシェ検出装置またはエネルギー分散素子を含む、X線を検出するための任意種類の検出装置を含むことができる。
また、上記の本発明の実施の形態では、対象物のX線吸収分光と蛍光X線分光分析を同時に実施することで、正確な吸収過程を観察することができる場合を示したが、本発明は静的な測定に限定されるものではなく、例えば、その場(in situ)計測やオペランド(Operand)測定を行うことで、動的な変化の過程を観察することができる。
In addition, in the above-described embodiment of the present invention, the case of the Si detector having the Si detector light receiving section 410a and the Si detector conversion section 410b was shown as the spatially resolved X-ray detection device. known in the art, including, but not limited to, CCD arrays (X-ray sensors), CMOS or S-CMOS detectors, flat panel sensors, or 1D linear detectors and 2D array detectors. There may be one or more position sensitive x-ray array detectors that convert x-ray intensity into electronic signals. Examples of position-sensitive detectors include linear detectors, position-sensitive array detectors, PIN diodes, proportional counters, spectrometers, photodiode detectors, scintillator-type and gas-filled array detectors, and the like. In some embodiments, any type of detector for detecting X-rays can be included, including proportional detectors and avalanche detectors or energy dispersive elements.
Further, in the above-described embodiment of the present invention, a case was shown in which an accurate absorption process can be observed by performing X-ray absorption spectroscopy and fluorescent X-ray spectroscopy of an object at the same time. is not limited to static measurements, but dynamic change processes can be observed by performing, for example, in situ measurements or operand measurements.

本発明のX線吸収分光と蛍光X線分光分析を同時に実施するための方法およびシステムによれば、様々な物質に対して、従来の透過型単独では見えない情報(例えば、吸収や蛍光のダイナミクス解明)が得られるので、例えばタンパク質の変化や生体の分子レベルでの観測にも対応できる。
また、本発明のX線吸収分光と蛍光X線分光分析を同時に実施するための方法およびシステムによれば、「透過型」では扱えない厚いサンプルや低密度の材料でも信号が得られるので、観測できるサンプル形状が広範に許容される。
According to the method and system for simultaneously performing X-ray absorption spectroscopy and X-ray fluorescence spectroscopy of the present invention, information that cannot be seen with conventional transmission types alone (for example, dynamics of absorption and fluorescence) can be obtained for various substances. elucidation) can be obtained, for example, it can be used to observe changes in proteins and organisms at the molecular level.
In addition, according to the method and system for simultaneously performing X-ray absorption spectroscopy and X-ray fluorescence spectroscopy of the present invention, signals can be obtained even from thick samples and low-density materials that cannot be handled by the "transmission type", so observation A wide range of possible sample geometries is allowed.

100 X線光源
110a、110b X線集光ミラー
120 分光結晶
130 回転テーブル
140 モータ
150 エンコーダ
160 スリット
170 アパーチャー
200 測定対象物
210 蛍光基準ガス
300a 励起X線
300b 励起X線(分光後)
310 蛍光X線
320 透過X線
400 蛍光分光装置
410 空間分解X線検出装置(Si検出器)
410a Si検出器受光部
410b Si検出器変換部
420 PC(演算装置)
EXAFS 拡張X線吸収微細構造
XANES X線吸収端近傍構造
XAS X線吸収分光
XRF 蛍光X線分光分析

100 X-ray light source 110a, 110b X-ray collecting mirror 120 Analysis crystal 130 Rotating table 140 Motor 150 Encoder 160 Slit 170 Aperture 200 Measurement object 210 Fluorescence reference gas 300a Excitation X-ray 300b Excitation X-ray (after spectroscopy)
310 Fluorescent X-ray 320 Transmitted X-ray 400 Fluorescence spectrometer 410 Spatial-resolved X-ray detector (Si detector)
410a Si detector light receiving unit 410b Si detector conversion unit 420 PC (arithmetic unit)
EXAFS Extended X-ray absorption fine structure XANES X-ray absorption near-edge structure XAS X-ray absorption spectroscopy XRF X-ray fluorescence spectroscopy

Claims (10)

透過配置におけるX線吸収分光と蛍光配置における蛍光X線分光分析を同時に実施するための方法であって、
元素の吸収端に対応するエネルギーよりも高く且つ前記エネルギーを含むエネルギー帯域幅を有するX線ビームを対象物に照射することと、
空間分解X線検出装置を用いて、3eVよりも高いエネルギー分解能で、前記吸収端を含むエネルギー帯域幅に亘って、前記対象物からX線吸収スペクトルを取得することと、
蛍光X線検出装置を用いて、前記対象物から散乱したX線を検出して蛍光X線スペクトルを取得することと、
を備える方法。
A method for simultaneously performing X-ray absorption spectroscopy in transmission geometry and X-ray fluorescence spectroscopy in fluorescence geometry, comprising:
irradiating the object with an X-ray beam having an energy bandwidth higher than and including the energy corresponding to the absorption edge of the element;
acquiring an x-ray absorption spectrum from the object over an energy bandwidth including the absorption edge with an energy resolution greater than 3 eV using a spatially resolving x-ray detector;
Acquiring a fluorescent X-ray spectrum by detecting X-rays scattered from the object using a fluorescent X-ray detection device;
How to prepare.
前記空間分解X線検出装置を用いて前記対象物から取得されるX線吸収スペクトルは、
前記吸収端から高エネルギー側の200eV以下のエネルギー帯域幅に亘るX線吸収端近傍構造を得るための第1のエネルギー帯域幅の情報と、
前記吸収端から高エネルギー側の2keV以下のエネルギー帯域幅に亘る拡張X線吸収微細構造を得るための第2のエネルギー帯域幅の情報と、
の少なくとも何れか一方を有する請求項1に記載の方法。
The X-ray absorption spectrum obtained from the object using the spatially resolved X-ray detection device is
Information on a first energy bandwidth for obtaining an X-ray absorption edge near-edge structure over an energy bandwidth of 200 eV or less on the high energy side from the absorption edge;
second energy bandwidth information for obtaining an extended X-ray absorption fine structure over an energy bandwidth of 2 keV or less on the high energy side from the absorption edge;
2. The method of claim 1, comprising at least one of:
前記蛍光X線スペクトルは、
前記元素の吸収端を含むエネルギー帯域幅の関心領域のスペクトル強度について、
前記関心領域から外れたエネルギー帯域幅であって、前記元素の吸収端を含まないバックグラウンド領域のエネルギー帯域幅のスペクトル強度について、前記バックグラウンド領域のエネルギー帯域幅での平均値を求めて、ノイズスペクトル強度とし、
前記関心領域のスペクトル強度から前記ノイズスペクトル強度を控除して、真の測定した関心領域のスペクトル強度とする、
請求項1に記載の方法。
The fluorescent X-ray spectrum is
For the spectral intensity of a region of interest in the energy bandwidth containing the absorption edge of the element,
The spectral intensity of the energy bandwidth of the background region, which is an energy bandwidth outside the region of interest and does not include the absorption edge of the element, is averaged in the energy bandwidth of the background region, and noise is obtained. Let the spectral intensity be
subtracting the noise spectral intensity from the spectral intensity of the region of interest to obtain the true measured spectral intensity of the region of interest;
The method of claim 1.
前記元素の吸収端を含むエネルギー帯域幅の関心領域(ROI)のスペクトル強度は、前記蛍光X線検出装置の検出した前記X線のカウント数から定められるものであり、
前記X線のカウント数の真の値は、前記ノイズスペクトル強度を控除処理する前の蛍光X線スペクトルのカウント数から、前記ノイズスペクトル強度を控除処理に用いるノイズスペクトル蛍光X線スペクトルの帯域幅に応じた按分比(BW/BWBG)を控除した値とする数式:
により演算される請求項3に記載の方法。
ここで、True ROI countsはX線のカウント数の真の値、Raw ROI countsはノイズスペクトル強度を控除処理する前の蛍光X線スペクトルのカウント数、ROIBG countsはノイズスペクトル強度、BWは関心領域のエネルギー帯域幅、BWBGはバックグラウンド領域のエネルギー帯域幅である。
The spectral intensity of the region of interest (ROI) of the energy bandwidth including the absorption edge of the element is determined from the count number of the X-rays detected by the fluorescent X-ray detection device,
The true value of the count number of the X-rays is the bandwidth of the noise spectrum fluorescence X-ray spectrum used for the subtraction process of the noise spectrum intensity from the count number of the fluorescence X-ray spectrum before the noise spectrum intensity is subtracted. A formula with a value after deducting the corresponding proportional division ratio (BW/BW BG ):
4. The method of claim 3, wherein the method is computed by:
Here, True ROI counts is the true value of the number of X-ray counts, Raw ROI counts is the count number of fluorescent X-ray spectra before noise spectrum intensity is subtracted, ROI BG counts is the noise spectrum intensity, and BW is the region of interest. , BW BG is the energy bandwidth of the background region.
透過配置におけるX線吸収分光と蛍光配置における蛍光X線分光分析を同時に実施するためのシステムであって、
X線光源と、
前記X線光源からの、前記対象物に含まれる元素の吸収端に対応する、前記吸収端から高エネルギー側の200eV以下のエネルギー帯域幅に亘るX線吸収端近傍構造、又は前記吸収端から高エネルギー側の2keV以下のエネルギー帯域幅に亘る拡張X線吸収微細構造を得るための測定に適したエネルギー帯域幅を有するX線を放射するように構成された少なくとも1つのX線集光レンズと、
測定される対象物を支持するように構成された支持台とを備え、
前記エネルギー帯域幅は、前記吸収端に対応する前記X線エネルギーを含み、前記少なくとも1つのX線集光レンズは、前記X線の少なくとも一部を、500μm未満の集光サイズを有する前記対象物上の測定スポットに集光させるように構成され、
前記対象物を透過したX線を検出するように構成された少なくとも1つの空間分解X線検出装置と、
前記対象物から散乱したX線を検出するように構成された少なくとも1つの蛍光X線検出装置と、を含み、
前記X線集光レンズは、X線光源側に設置された第1のX線集光ミラー、前記第1のX線集光ミラーで反射されたX線が入射する分光結晶、前記分光結晶で分光されたX線が入射する第2のX線集光ミラー、スリット及びアパーチャーで構成される、システム。
A system for simultaneously performing X-ray absorption spectroscopy in transmission configuration and X-ray fluorescence spectroscopy in fluorescence configuration, comprising:
an X-ray light source;
An X-ray absorption edge vicinity structure over an energy bandwidth of 200 eV or less on the high energy side from the absorption edge corresponding to the absorption edge of the element contained in the object from the X-ray light source, or high from the absorption edge at least one X-ray collecting lens configured to emit X-rays having an energy bandwidth suitable for measurements to obtain an extended X-ray absorption fine structure over an energy bandwidth of 2 keV or less on the energy side;
a support configured to support the object to be measured;
The energy bandwidth includes the X-ray energy corresponding to the absorption edge, and the at least one X-ray collecting lens directs at least a portion of the X-rays to the object having a collection size of less than 500 μm. configured to focus light onto the measurement spot above,
at least one spatially resolved X-ray detection device configured to detect X-rays transmitted through the object;
at least one fluorescent X-ray detector configured to detect X-rays scattered from the object;
The X-ray condensing lens includes a first X-ray condensing mirror installed on the X-ray light source side, an analyzing crystal into which the X-rays reflected by the first X-ray condensing mirror are incident, and the analyzing crystal. A system consisting of a second X-ray collection mirror, a slit and an aperture into which the spectroscopic X-rays are incident.
前記空間分解X線検出装置は、ピクセルサイズが25μm以上1000μm以下のダイオードが2次元に配列され、X線領域に検出感度を持ち、フォトンカウンティング機能を有する検出素子である請求項5に記載のシステム。 6. The system according to claim 5, wherein said spatially resolving X-ray detection device is a detection element having a two-dimensional arrangement of diodes with a pixel size of 25 μm or more and 1000 μm or less, having detection sensitivity in the X-ray region, and having a photon counting function. . 前記蛍光X線検出装置は、150eVよりも高いエネルギー分解能を有する検出素子である請求項5に記載のシステム。 6. The system according to claim 5, wherein said fluorescent X-ray detector is a detector element having an energy resolution higher than 150 eV. 前記蛍光X線検出装置は、前記対象物に対して放射されるX線に対して、前記対象物の位置や角度を調整できる機能を有する請求項5に記載のシステム。 6. The system according to claim 5, wherein said fluorescent X-ray detector has a function of adjusting the position and angle of said object with respect to X-rays emitted to said object. 前記システムは、蛍光X線検出装置からの検出信号を処理する演算装置を有し、
前記演算装置は、前記蛍光X線スペクトルを求めるのに際して、前記元素の吸収端を含むエネルギー帯域幅の関心領域のスペクトル強度について、前記関心領域から外れたエネルギー帯域幅であって、前記元素の吸収端を含まないバックグラウンド領域のエネルギー帯域幅のスペクトル強度について、前記バックグラウンド領域のエネルギー帯域幅での平均値を求めて、ノイズスペクトル強度とし、
前記関心領域のスペクトル強度から前記ノイズスペクトル強度を控除して、真の測定した関心領域のスペクトル強度とする、
請求項5に記載のシステム。
The system has an arithmetic unit that processes detection signals from the fluorescent X-ray detector,
When obtaining the X-ray fluorescence spectrum, the computing device determines the spectral intensity of the region of interest of the energy bandwidth including the absorption edge of the element, the energy bandwidth outside the region of interest, and the absorption of the element. For the spectral intensity of the energy bandwidth of the background region not including the edge, find the average value in the energy bandwidth of the background region and use it as the noise spectral intensity,
subtracting the noise spectral intensity from the spectral intensity of the region of interest to obtain the true measured spectral intensity of the region of interest;
6. The system of claim 5.
前記元素の吸収端を含むエネルギー帯域幅の関心領域(ROI)のスペクトル強度は、前記蛍光X線検出装置の検出した前記X線のカウント数から定められるものであり、
前記X線のカウント数の真の値は、前記ノイズスペクトル強度を控除処理する前の蛍光X線スペクトルのカウント数から、前記ノイズスペクトル強度を控除処理に用いるノイズスペクトル蛍光X線スペクトルの帯域幅に応じた按分比(BW/BWBG)を控除した値とする数式:
により演算される請求項9に記載のシステム。
ここで、True ROI countsはX線のカウント数の真の値、Raw ROI countsはノイズスペクトル強度を控除処理する前の蛍光X線スペクトルのカウント数、ROIBG countsはノイズスペクトル強度、BWは関心領域のエネルギー帯域幅、BWBGはバックグラウンド領域のエネルギー帯域幅である。

The spectral intensity of the region of interest (ROI) of the energy bandwidth including the absorption edge of the element is determined from the count number of the X-rays detected by the fluorescent X-ray detection device,
The true value of the count number of the X-rays is the bandwidth of the noise spectrum fluorescence X-ray spectrum used for the subtraction process of the noise spectrum intensity from the count number of the fluorescence X-ray spectrum before the noise spectrum intensity is subtracted. A formula with a value after deducting the corresponding proportional division ratio (BW/BW BG ):
10. The system of claim 9, operated by:
Here, True ROI counts is the true value of the number of X-ray counts, Raw ROI counts is the count number of fluorescent X-ray spectra before noise spectrum intensity is subtracted, ROI BG counts is the noise spectrum intensity, and BW is the region of interest. , BW BG is the energy bandwidth of the background region.

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