JP3762665B2 - Ｘ線分析装置およびｘ線供給装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、試料の入射側のモノクロメータとして２個の楕円モノクロメータを組み合わせた複合モノクロメータを利用しているＸ線分析装置およびＸ線供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平１１−３２６５９９号公報に開示されているＸ線分析装置は、試料の入射側のモノクロメータとして、２個の楕円モノクロメータを組み合わせた複合モノクロメータを利用している。この複合モノクロメータは、２個の楕円モノクロメータの側縁同士を互いに接合したものである。各楕円モノクロメータの反射面は人工多層膜で作られていて、その周期（結晶の格子面間隔に相当）が楕円弧に沿って連続的に変化している。また、Ｘ線源としては実効的な焦点サイズが３０μｍ以下のマイクロフォーカスＸ線源を用いている。
【０００３】
上述した従来のＸ線分析装置は、焦点サイズが３０μｍ以下のマイクロフォーカスＸ線源を使うことで、Ｘ線源とモノクロメータをかなり近づけても（好ましくは３０ｍｍ以下に近付けても）、Ｘ線源の焦点サイズに起因する入射角の広がりが、楕円モノクロメータによる回折ピークの半値幅の範囲内に収まるようになり、楕円モノクロメータに到達したＸ線を無駄なく活用できるようになった。また、Ｘ線源とモノクロメータをかなり近づけることができるので、楕円モノクロメータに入射するＸ線の捕捉角を大きくできて、試料に集束するＸ線強度を飛躍的に高めることができた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のＸ線分析装置は、Ｘ線源とモノクロメータとの距離を好ましくは３０ｍｍ以下に近づけているので、Ｘ線源としては固定式のターゲットを用いている。マイクロフォーカスで、かつ、固定式のターゲットの場合、Ｘ線管に投入できるパワーには限界があり、投入パワーを大きくすることで試料に集束するＸ線強度をさらに高めることは困難であった。
【０００５】
この発明は上述の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、回転対陰極Ｘ線管と上述の複合モノクロメータとを組み合わせて、その場合の最適条件を見出すことで、試料に集束するＸ線強度をさらに高めることができるようにしたＸ線分析装置およびＸ線供給装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は、Ｘ線源から出射するＸ線ビームをモノクロメータで反射してから試料に照射するＸ線分析装置において、次の（ア）〜（エ）の特徴を備えるものである。（ア）前記Ｘ線源は回転対陰極Ｘ線管であり、そのターゲット上の実効的な焦点サイズは４０〜１００μｍである。（イ）前記モノクロメータは、第１の楕円モノクロメータと第２の楕円モノクロメータの側縁同士を互いに接合した複合モノクロメータであり、各楕円モノクロメータの一方の焦点の位置に前記ターゲット上のＸ線焦点が配置されている。（ウ）前記第１の楕円モノクロメータと前記第２の楕円モノクロメータは人工多層膜で形成されていて、この人工多層膜は、回折に寄与する多層膜界面が反射面に平行になっていて、かつ、特定の波長のＸ線に対して反射面の任意の位置でブラッグの回折条件を満足するように楕円弧に沿って前記人工多層膜の周期が連続的に変化している。（エ）前記ターゲット上のＸ線焦点から前記複合モノクロメータまでの最短距離は６０〜１００ｍｍである。
【０００７】
また、この発明は、試料にＸ線を照射するＸ線分析装置だけでなく、それ以外の用途のＸ線供給装置としても使うことができる。すなわち、請求項２の発明はこのようなＸ線供給装置の発明であり、Ｘ線源から出射するＸ線ビームをモノクロメータで反射してからＸ線ビームを出射するＸ線供給装置において、上述の（ア）〜（エ）の特徴を備えるものである。このＸ線供給装置は、例えば、（１）Ｘ線分析を目的とするＸ線分析装置のためのＸ線供給装置として、（２）Ｘ線照射による加工・治療等を目的とするＸ線照射装置のためのＸ線供給装置として、（３）Ｘ線描画を目的とするＸ線描画装置のためのＸ線供給装置として、使うことができる。このＸ線供給装置は、複合モノクロメータの第１焦点に置かれているＸ線源から出射するＸ線ビームを複合モノクロメータで集光し、反射してから、このＸ線ビームを複合モノクロメータの第２焦点に向けて大きな出力で再出射することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明のＸ線分析装置の一実施形態を概略的に示した平面図であり、図２は、その回転対陰極と複合モノクロメータとの位置関係を示した斜視図である。図１において、回転対陰極Ｘ線管１０は、回転するターゲット１２を備えている。電子銃１４から出射された電子ビーム１６がターゲット１２の外周面に当たると、その照射領域（Ｘ線の焦点）からＸ線ビーム１８が発生する。このＸ線ビーム１８をベリリウム窓２０から取り出して、複合モノクロメータ２２に入射する。Ｘ線ビーム１８の取り出し角度はターゲット表面に対して約６度である。Ｘ線ビーム１８は複合モノクロメータ２２で単色化されると共に集束化されて、試料上の微小な照射スポットに照射される。ターゲット１２上の焦点の中心から複合モノクロメータ２２までの最短距離はＬ１であり、複合モノクロメータの長さはＬ２である。
【０００９】
図２において、円筒状のターゲット１２の外周面には細長い焦点２４が形成される。この焦点２４の長手方向はターゲット１２の回転軸に平行である。複合モノクロメータ２２は、第１の楕円モノクロメータ２６と第２の楕円モノクロメータ２８からなり、これらの楕円モノクロメータ２６、２８の側縁同士が直角になるように接合されている。各楕円モノクロメータの反射面は人工多層膜で作られていて、回折に寄与する多層膜界面が反射面に平行になっており、その周期（結晶の格子面間隔に相当）は楕円弧に沿って連続的に変化している。このような複合モノクロメータの形状やその作用については、特開平１１−３２６５９９号公報に詳しく開示されているので、ここではその詳しい説明は省略する。
【００１０】
図３は複合モノクロメータの作用を説明する斜視図である。第１の楕円モノクロメータ２６及び第２の楕円モノクロメータ２８の第１焦点Ｆ１の位置にターゲット上のＸ線焦点を配置し、第１の楕円モノクロメータ２６及び第２の楕円モノクロメータ２８の第２焦点Ｆ２の位置に、試料上のＸ線照射領域を配置する。第１焦点Ｆ１の位置で発生したＸ線ビームは、最初に第１の楕円モノクロメータ２６で反射し、次に、第２の楕円モノクロメータ２８で反射して、第２焦点Ｆ２の位置にある試料に照射される。あるいは、最初に第２の楕円モノクロメータ２８で反射した場合には、次に、第１の楕円モノクロメータ２６で反射して、試料に照射される。第１の楕円モノクロメータ２６と第２の楕円モノクロメータはその形状は基本的に同じである。したがって、以下の記載では第１の楕円モノクロメータ２６について説明している。
【００１１】
図４は第１の楕円モノクロメータ２６でＸ線を集束する原理を示す説明図である。第１の楕円モノクロメータ２６の反射面は楕円弧面からなり、この楕円弧面は、楕円３０の一部分である楕円弧を紙面に垂直な方向に平行移動したときにできる軌跡である。楕円３０の第１焦点Ｆ１から第１の楕円モノクロメータ２６を見込む角度αは、楕円モノクロメータ２６がＸ線ビームを捕捉する角度を示すものであり、捕捉角αと呼ぶことにする。捕捉角αが大きいほどＸ線の利用効率が高い。一方、楕円３０の第２焦点Ｆ２から第１の楕円モノクロメータ２６を見込む角度βは、試料に入射するＸ線の入射角度のバラツキを示すものであり、集束角βと呼ぶことにする。一般に、試料をＸ線分析するときに集束角βは小さい方が好ましい。
【００１２】
次に、ターゲット上のＸ線焦点の実効的な焦点サイズについて説明する。実効的な焦点サイズとは、Ｘ線の取り出し方向から見たときのターゲット上の焦点のサイズである。この場合、差し渡し寸法が一番大きいところを焦点サイズとする。例えば、ターゲット上に１ｍｍ×０．１ｍｍの細長い焦点を形成した場合に、ここから取り出し角度６度でライン焦点で取り出すと（図２を参照）、実効的な焦点サイズはほぼ０．１ｍｍ×０．１ｍｍとなる。この場合、実効的な焦点サイズは０．１ｍｍである。
【００１３】
回転対陰極と上述の複合モノクロメータとを組み合わせる場合に、各種の条件を検討していくと、ターゲット上の焦点サイズについて最適値が存在することが分かった。すなわち、最適な焦点サイズを選択したときに、試料上のＸ線強度（試料に当たるＸ線の合計強度）が最も大きくなることを見出した。そこで、そのような最適条件を見つける手順とその最適結果とを以下に詳しく説明する。まず、次の（１）〜（５）の事項を考慮した。
（１）ターゲットの焦点サイズと最大投入パワーとの関係
【００１４】
回転対陰極における焦点サイズｔと、そのときの可能な最大投入パワーＷとの関係は良く知られており、その関係は図９のグラフのようになる。このグラフは、図１４の（１）式から求めたものである。（１）式は回転対陰極の最大投入パワーＷ（許容負荷）を求める式であり、ターゲットの熱負荷能力を考慮して作られたものである。ターゲットの材質として銅を選択し、回転数を６０００ｒｐｍとし、ターゲットの直径を１０ｃｍ、ターゲットの厚さ（表面から冷却面までの厚さ）を０．２ｃｍとすると、最大投入パワーＷはターゲット上の焦点の幅ｔ（実効的な焦点サイズに相当する）に依存する。なお、焦点の長さＦＬは焦点の幅ｔの１０倍であると仮定している。図９のグラフから分かるように、焦点サイズが大きくなれば最大投入パワーが増加する。
（２）人工多層膜の製造上の制約から決まる条件
【００１５】
楕円モノクロメータ（人工多層膜ミラー）については、製造技術上の制約から、モノクロメータの長さＬ２（図１を参照）を８０ｍｍとしている。また、反射面を構成する人工多層膜の周期ｄ（結晶の格子面間隔に相当）については、その最大値ｄmaxを５．０ｎｍ、最小値ｄminを２．５ｎｍとしている。楕円モノクロメータでは、多層膜の周期ｄは楕円弧に沿って連続的に変化するが、この周期ｄの値が２．５〜５．０ｎｍの範囲内に収まっていれば、この多層膜を作ることができる。ところで、反射面でＸ線が回折するためには、図１６の（８）式のブラッグの条件式を満足する必要がある。ｄは人工多層膜の周期であり、λはＸ線の波長であり、θは反射面に入射するＸ線の入射角である。回転対陰極のターゲットの材質として銅を用いる場合、ＣｕＫα線の波長λは０．１５４ｎｍである。人工多層膜の周期の最大値ｄmaxと最小値ｄminについて、これをブラッグの条件式を用いて入射角θに換算すると、それぞれ、図１６の（９）式と（１０）式のようになる。
【００１６】
（３）反射面の許容受光角に関する条件
楕円モノクロメータの反射面は図６に示すような反射特性を示す。この反射率曲線は有限の角度幅ω（半値幅）を持ち、Ｘ線の入射角がこの角度幅ω内に入れば、この反射面でＸ線が反射されることになる。この角度幅ωを許容受光角（アクセプタクル角）と呼ぶ。入射するＸ線の角度幅（入射角の広がり）が許容受光角ωよりも小さければ、入射するＸ線はすべて反射するが、許容受光角ωよりも大きければ、入射するＸ線の一部は反射しないことになる。Ｘ線源から発生したＸ線を楕円モノクロメータで最も効率良く取り込むためには、入射するＸ線の角度幅（入射角の広がり）が許容受光角ωに等しくなるところまで楕円モノクロメータをＸ線源に近づければよい。図５において、Ｘ線源の実効的な焦点サイズをｔ、Ｘ線源からモノクロメータの反射位置までの距離をＬ３、モノクロメータの許容受光角をωとすると、Ｌ３＝ｔ／ω、（ωの単位はラジアン）の関係が成立するときに、入射するＸ線の角度幅が許容受光角ωに等しくなる。したがって、このような関係式を満足するように、Ｌ３とｔの関係を定めるのが最も効率的である。例えば、ω＝０．０５度の場合、実効的な焦点サイズｔが０．１ｍｍのときに、Ｌ３は約１１４ｍｍになる。モノクロメータの中央においてＸ線源からの距離が１１４ｍｍであるならば、モノクロメータの前端（Ｘ線源に一番近い端部）ではＸ線源からの距離は７４ｍｍになる（モノクロメータの長さは８０ｍｍなので１１４ｍｍから４０ｍｍを引くと７４ｍｍになる）。
【００１７】
（４）楕円の形状と入射角θとの関係
図４において、ＸＹ座標軸を図示のように設定すると、楕円３０の曲線式は図１５の（３）式のようになる。この（３）式を微分すると（４）式になり、これが楕円３０の各点での傾き（楕円の接線の傾き）になる。これを角度に直すと、楕円３０の各点での傾きは（５）式のようになる。一方、焦点Ｆ１から楕円３０上の各点を見上げたときの仰角（Ｘ軸に対する角度）は図１５の（６）式のようになる。ここで、（６）式中のｆは、図４に示すように、焦点Ｆ１と座標軸の原点との距離である。楕円３０上の各点におけるＸ線の入射角θは、（６）式の仰角から（５）式の傾きを引いたものであり、（７）式のようになる。図７は、（５）式の「傾き」と（６）式の「仰角」と（７）式の「入射角θ」とをグラフにしたものである。横軸は、厳密には、楕円上の各点における「座標軸原点からの距離」とすべきものであるが、実際の楕円はきわめて偏平しているので座標軸原点と焦点Ｆ１はきわめて接近しており、横軸を「焦点Ｆ１からの距離」としても実質的には同じである。したがって、横軸は「焦点からの距離」と表示している。縦軸は角度（単位は度）である。このグラフにおいて、人工多層膜の周期の制約から定まるθmaxとθminも表示している。θmaxは図１６の（９）式で求めたものであり、θminは（１０）式で求めたものである。特定の長径ａと短径ｂを有する楕円について、楕円の各点における入射角θを求めた場合、この入射角θが、図７に示すように、楕円モノクロメータの全長Ｌ２にわたって（この場合、焦点からの距離が１００〜１８０ｍｍにおいて）、θmaxとθminの間にあれば、人工多層膜の制約条件を満足することになる。図７のグラフは、楕円の長径ａを２８０ｍｍ、短径ｂを５ｍｍとして計算したときのものである。図８のグラフは、図７のグラフについて、焦点からの距離が１００〜１８０ｍｍの部分を拡大して示したものであり、さらに、短径ｂの値を変更したときの入射角変化を示している。すなわち、短径ｂを５．０ｍｍ、４．５ｍｍ、４．２ｍｍと変化させると、入射角θの曲線は、図８のように変化する。この場合、いずれのｂの値でも、入射角θはθmaxとθminの間に収まっている。
【００１８】
（５）試料上の照射スポットのサイズとモノクロメータの配置位置との関係
図４において、第２焦点Ｆ２には試料を配置することになるが、試料上のＸ線照射スポットのサイズは０．３ｍｍ以下にするのが好ましい。また、集束角βは０．２度以下にするのが好ましい。第１焦点Ｆ１からモノクロメータ２６の中心までの距離をＬ４、第２焦点Ｆ２からモノクロメータ２６の中心までの距離をＬ５とすると、試料上のＸ線照射スポットのサイズは、「Ｘ線源の実効的な焦点サイズｔ」×（Ｌ５／Ｌ４）に等しい。例えば、ｔ＝０．１ｍｍのときに、Ｌ５をＬ４の３倍にすれば、試料上のＸ線照射スポットのサイズは０．３ｍｍになる。楕円３０を固定して、楕円３０上で楕円モノクロメータ２６をＸ線源に近づければ試料上の照射スポットのサイズは大きくなり、Ｘ線源より遠ざければ照射スポットのサイズは小さくなる。
【００１９】
次に、最適な焦点サイズを求める具体的な手順の一例を説明する。最適な焦点サイズとは、試料上でＸ線強度が最大となるような焦点サイズである。図１７は焦点サイズごとの最大の捕捉角αを求める手順を示したフローチャートである。このフローチャートは、距離Ｌ１と焦点サイズｔの一つの組み合わせについて、最大の捕捉角αが得られるような楕円形状（長径ａと短径ｂ）を決定する（同時に、その最大の捕捉角αがいくらであるかを決定する）ための手順を示したものである。
【００２０】
まず、図１の距離Ｌ１（すなわち、Ｘ線焦点から複合モノクロメータ２２の前端までの距離）を決定する。この発明は試料上でのＸ線強度を大きくするのが目的であるから、基本的には、複合モノクロメータ２２をできるだけＸ線源に近づけて、Ｘ線の捕捉角αを大きくすることが大切である。したがって、距離Ｌ１は１００ｍｍ以下とする。一方で、回転対陰極Ｘ線管において、ターゲット上の焦点からベリリウム窓２０までの距離を小さくするのには限界があり、当然ながら、ターゲット上の焦点から複合モノクロメータの前端までの距離Ｌ１もそれほど小さくできない。通常、距離Ｌ１の最小値は６０ｍｍ程度が限界であり、Ｘ線管の構造を工夫しても、せいぜい、距離Ｌ１の最小値は４０ｍｍ程度である。したがって、距離Ｌ１＝４０〜１００ｍｍの範囲で、最適な焦点サイズを求めることにする。ところで、上述の「反射面の許容受光角に関する条件」において検討したように、ω＝０．０５度の場合、実効的な焦点サイズｔが０．１ｍｍのときに、距離Ｌ１を約７４ｍｍにすると、Ｘ線を楕円モノクロメータで最も効率良く取り込むことができる。よって、距離Ｌ１を４０〜１００ｍｍの範囲に設定することは、焦点サイズにもよるが、許容受光角の観点から考えて妥当な値になっている。
【００２１】
実際の計算では、距離Ｌ１について１００ｍｍ、８０ｍｍ、６０ｍｍ、４０ｍｍの４種類について計算している。以下の説明ではＬ１＝８０ｍｍの場合を例にして説明する。そこで、図１７のフローチャートにおいて、距離Ｌ１を８０ｍｍに設定して、次の「焦点サイズｔの決定」に移る。焦点サイズｔは、０．０１ｍｍから０．４ｍｍまでの２０種類の値（図１８の一覧表のｔの列を参照）を選択した。そのそれぞれについて、最大の捕捉角αを求めた。よって、最初に、焦点サイズｔを０．０１ｍｍに設定する。これで、Ｌ１＝８０ｍｍとｔ＝０．０１ｍｍの組み合わせが決まる。
【００２２】
次に、「楕円の長径ａを決定」に移る。楕円の長径ａを決めるには、試料上の照射スポットサイズを考慮する。図４において、上述したように、試料上のＸ線照射スポットのサイズは０．３ｍｍ以下にするのが好ましい。実効的な焦点サイズｔが０．０１ｍｍのときに、照射スポットサイズを０．３ｍｍ以下にするには、Ｌ４：Ｌ５＝１：３０以下の関係にすればよい。したがって、Ｌ４＝（Ｌ１＋４０ｍｍ）＝１２０ｍｍなので、Ｌ５＝３６００ｍｍ以下となる。楕円の長径ａはＬ４＋Ｌ５に実質的に等しいので、ａ＝３７２０ｍｍ以下にすればよい。実施例の計算では、ａ＝１８６０ｍｍに設定している（図１８の一覧表を参照）。
【００２３】
次に、「楕円の短径ｂ＝０．１」に移る。以下の手順では、楕円の短径ｂを０．１から１０まで、０．１きざみで変化させて、そのそれぞれについて、捕捉角αを計算し、短径ｂがいくつのときに、最大の捕捉角が得られるか、そしてその捕捉角はいくらであるか、を求めている。そこで、最初にｂ＝０．１と設定する。これで長径ａと短径ｂが決まったので、図７のグラフの入射角θの曲線を計算できる。焦点からの距離が８０〜１６０ｍｍの範囲内（モノクロメータの範囲内）において、この入射角θの曲線がθmaxとθminの間に収まっていれば、入射角条件は合格となる。また、楕円モノクロメータの位置と楕円の形状が決まっているので、図４の捕捉角αと集束角βも計算できる。集束角が０．２度以内になっていれば、集束角条件も合格である。入射角条件と集束角条件が両方とも合格していれば、そのときの捕捉角αを短径ｂの値と共に記憶する。以上が「入射角と集束角が合格した場合に捕捉角αを記憶」のステップである。入射角条件と集束角条件のいずれかが不合格であれば、そのｂの値は使えないので、捕捉角αは記憶しない。
【００２４】
次に、「ｂ＝１０？」の判定に移る。ｂが１０に達していなければ、「ｂ＝ｂ＋０．１」を実行してから、「入射角と集束角が合格した場合に捕捉角αを記憶」のステップを繰り返す。そして、ｂ＝１０に達したら、「捕捉角αの最大値を取得」に移り、これまでに記憶した捕捉角αの中の最大値とそのときのｂの値を取得する。以上のような計算が完了すると、図１８に示す表のｔ＝０．０１の行のデータが完成する。この表において、ｔ、ａ、ｂ、Ｌ４の単位はｍｍであり、αの２乗の単位はステラジアンである。ｔ＝０．０１の条件を例にとると、長径ａが１８６０ｍｍ、短径ｂが１０ｍｍのときに捕捉角αが最大になり、その最大となった捕捉角αを２乗した値（単位はステラジアン）は１．１８８６９×１０のマイナス４乗となる。表中で「Ｅ−４」は「１０のマイナス４乗」を意味する。複合モノクロメータを使うと、図３に示すように、Ｘ線は二つの楕円モノクロメータで順に反射してから試料上に集束するから、捕捉角αを２乗したものが試料上のＸ線強度に比例することになる。したがって、捕捉角αの２乗を表中に記載している。表中のＬ４は図４に示すＬ４であり、これはＬ１＋４０ｍｍである。ｔ＝０．１５ｍｍ以上の条件のときにＬ４の値が１２０ｍｍを超えているのは、Ｌ１＝８０ｍｍの条件のままでは、その他の条件（入射角条件や集束角条件）を満足しないために、Ｌ１を動かしているためである。
【００２５】
図１８の表の捕捉角αの２乗をグラフにしたものが図１１の上段のグラフの「捕捉角（ｓｔｒ）」の曲線である。縦軸に捕捉角αの２乗の値を、横軸に焦点サイズｔの値をとってある。また、図１１の上段のグラフの「投入パワー（Ｗ）」の曲線は図９の曲線をそのまま載せたものである。図１１の下段のグラフは、上段のグラフの捕捉角の曲線と投入パワーの曲線とを掛け算した値をプロットしたものである。捕捉角（αを２乗したもの）と投入パワーの積は、試料上のＸ線照射強度に比例すると考えられるので、これを「効率」と呼ぶことにする。この効率の値は、焦点サイズｔに依存して変化しており、最適値が存在する（曲線の山が存在する）ことが分かる。このグラフによれば、Ｌ１＝８０ｍｍのときには、焦点サイズを６０μｍにすると効率が最大になることが分かる。最大効率から２５％低下するところまでを実用的な使用範囲と考えると、焦点サイズが約４０〜９０μｍの範囲内のときに最も効率が高いことになる。
【００２６】
同様にして、Ｌ１＝１００ｍｍ、６０ｍｍ、４０ｍｍの条件についても同様のグラフを作ることができて、それぞれのグラフを図１０、図１２、図１３に示す。図１０では、Ｌ１＝１００ｍｍの条件において、焦点サイズを７０μｍにすると効率が最大になり、実用的な最大効率の範囲は約６０〜１００μｍである。図１２では、Ｌ１＝６０ｍｍの条件において、焦点サイズを５０μｍにすると効率が最大になり、実用的な最大効率の範囲は約４０〜８０μｍである。図１３では、Ｌ１＝４０ｍｍの条件において、焦点サイズを４０μｍにすると効率が最大になり、実用的な最大効率の範囲は約３０〜７０μｍである。
【００２７】
なお、焦点サイズが３０μｍというのは、Ｌ１＝４０ｍｍ（回転対陰極Ｘ線管でこれを実現するのはかなり厳しい）のときに効率が優れているものであり、Ｌ１＝６０〜１００ｍｍのときには、それほど優れた効率にはならない。したがって、Ｌ１＝４０〜１００ｍｍの全体で考えると、焦点サイズが４０〜１００μｍのときに、おおむね優れた効率が得られる、と言うことができる。
【００２８】
【発明の効果】
この発明のＸ線分析装置は、回転対陰極Ｘ線管と上述の複合モノクロメータとを組み合わせる場合に、ターゲット上の実効的な焦点サイズを４０〜１００μｍにして、ターゲット上のＸ線焦点から複合モノクロメータまでの最短距離を６０〜１００ｍｍに設定することで、最も効率良く、試料に集束するＸ線強度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のＸ線分析装置の一実施形態を概略的に示した平面図である。
【図２】図１における回転対陰極と複合モノクロメータとの位置関係を示した斜視図である。
【図３】複合モノクロメータの作用を説明する斜視図である。
【図４】楕円モノクロメータでＸ線を集束する原理を示す説明図である。
【図５】楕円モノクロメータの反射面の許容受光角を説明する説明図である。
【図６】楕円モノクロメータの反射面の反射率曲線を示すグラフである。
【図７】楕円上の各点における入射角θの変化を示すグラフである。
【図８】図７のグラフの拡大図である。
【図９】焦点サイズと最大投入パワーとの関係を示すグラフである。
【図１０】Ｌ１＝１００ｍｍのときの効率を示すグラフである。
【図１１】Ｌ１＝８０ｍｍのときの効率を示すグラフである。
【図１２】Ｌ１＝６０ｍｍのときの効率を示すグラフである。
【図１３】Ｌ１＝４０ｍｍのときの効率を示すグラフである。
【図１４】回転対陰極の最大投入パワーを求める式である。
【図１５】楕円曲線の式、楕円上の各点の傾きの式、焦点Ｆ１からの仰角の式、及び、入射角を求める式である。
【図１６】ブラッグの条件式と、人工多層膜の最大周期と最小周期を入射角に換算した式である。
【図１７】焦点サイズごとの最大の捕捉角αを求める手順を示したフローチャートである。
【図１８】Ｌ１＝８０ｍｍのときの計算結果を示す表である。
【符号の説明】
１０ 回転対陰極Ｘ線管
１２ ターゲット
１４ 電子銃
１６ 電子ビーム
１８ Ｘ線ビーム
２０ ベリリウム窓
２２ 複合モノクロメータ
２４ 焦点
２６ 第１の楕円モノクロメータ
２８ 第２の楕円モノクロメータ
【発明の属する技術分野】
この発明は、試料の入射側のモノクロメータとして２個の楕円モノクロメータを組み合わせた複合モノクロメータを利用しているＸ線分析装置およびＸ線供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平１１−３２６５９９号公報に開示されているＸ線分析装置は、試料の入射側のモノクロメータとして、２個の楕円モノクロメータを組み合わせた複合モノクロメータを利用している。この複合モノクロメータは、２個の楕円モノクロメータの側縁同士を互いに接合したものである。各楕円モノクロメータの反射面は人工多層膜で作られていて、その周期（結晶の格子面間隔に相当）が楕円弧に沿って連続的に変化している。また、Ｘ線源としては実効的な焦点サイズが３０μｍ以下のマイクロフォーカスＸ線源を用いている。
【０００３】
上述した従来のＸ線分析装置は、焦点サイズが３０μｍ以下のマイクロフォーカスＸ線源を使うことで、Ｘ線源とモノクロメータをかなり近づけても（好ましくは３０ｍｍ以下に近付けても）、Ｘ線源の焦点サイズに起因する入射角の広がりが、楕円モノクロメータによる回折ピークの半値幅の範囲内に収まるようになり、楕円モノクロメータに到達したＸ線を無駄なく活用できるようになった。また、Ｘ線源とモノクロメータをかなり近づけることができるので、楕円モノクロメータに入射するＸ線の捕捉角を大きくできて、試料に集束するＸ線強度を飛躍的に高めることができた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のＸ線分析装置は、Ｘ線源とモノクロメータとの距離を好ましくは３０ｍｍ以下に近づけているので、Ｘ線源としては固定式のターゲットを用いている。マイクロフォーカスで、かつ、固定式のターゲットの場合、Ｘ線管に投入できるパワーには限界があり、投入パワーを大きくすることで試料に集束するＸ線強度をさらに高めることは困難であった。
【０００５】
この発明は上述の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、回転対陰極Ｘ線管と上述の複合モノクロメータとを組み合わせて、その場合の最適条件を見出すことで、試料に集束するＸ線強度をさらに高めることができるようにしたＸ線分析装置およびＸ線供給装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は、Ｘ線源から出射するＸ線ビームをモノクロメータで反射してから試料に照射するＸ線分析装置において、次の（ア）〜（エ）の特徴を備えるものである。（ア）前記Ｘ線源は回転対陰極Ｘ線管であり、そのターゲット上の実効的な焦点サイズは４０〜１００μｍである。（イ）前記モノクロメータは、第１の楕円モノクロメータと第２の楕円モノクロメータの側縁同士を互いに接合した複合モノクロメータであり、各楕円モノクロメータの一方の焦点の位置に前記ターゲット上のＸ線焦点が配置されている。（ウ）前記第１の楕円モノクロメータと前記第２の楕円モノクロメータは人工多層膜で形成されていて、この人工多層膜は、回折に寄与する多層膜界面が反射面に平行になっていて、かつ、特定の波長のＸ線に対して反射面の任意の位置でブラッグの回折条件を満足するように楕円弧に沿って前記人工多層膜の周期が連続的に変化している。（エ）前記ターゲット上のＸ線焦点から前記複合モノクロメータまでの最短距離は６０〜１００ｍｍである。
【０００７】
また、この発明は、試料にＸ線を照射するＸ線分析装置だけでなく、それ以外の用途のＸ線供給装置としても使うことができる。すなわち、請求項２の発明はこのようなＸ線供給装置の発明であり、Ｘ線源から出射するＸ線ビームをモノクロメータで反射してからＸ線ビームを出射するＸ線供給装置において、上述の（ア）〜（エ）の特徴を備えるものである。このＸ線供給装置は、例えば、（１）Ｘ線分析を目的とするＸ線分析装置のためのＸ線供給装置として、（２）Ｘ線照射による加工・治療等を目的とするＸ線照射装置のためのＸ線供給装置として、（３）Ｘ線描画を目的とするＸ線描画装置のためのＸ線供給装置として、使うことができる。このＸ線供給装置は、複合モノクロメータの第１焦点に置かれているＸ線源から出射するＸ線ビームを複合モノクロメータで集光し、反射してから、このＸ線ビームを複合モノクロメータの第２焦点に向けて大きな出力で再出射することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明のＸ線分析装置の一実施形態を概略的に示した平面図であり、図２は、その回転対陰極と複合モノクロメータとの位置関係を示した斜視図である。図１において、回転対陰極Ｘ線管１０は、回転するターゲット１２を備えている。電子銃１４から出射された電子ビーム１６がターゲット１２の外周面に当たると、その照射領域（Ｘ線の焦点）からＸ線ビーム１８が発生する。このＸ線ビーム１８をベリリウム窓２０から取り出して、複合モノクロメータ２２に入射する。Ｘ線ビーム１８の取り出し角度はターゲット表面に対して約６度である。Ｘ線ビーム１８は複合モノクロメータ２２で単色化されると共に集束化されて、試料上の微小な照射スポットに照射される。ターゲット１２上の焦点の中心から複合モノクロメータ２２までの最短距離はＬ１であり、複合モノクロメータの長さはＬ２である。
【０００９】
図２において、円筒状のターゲット１２の外周面には細長い焦点２４が形成される。この焦点２４の長手方向はターゲット１２の回転軸に平行である。複合モノクロメータ２２は、第１の楕円モノクロメータ２６と第２の楕円モノクロメータ２８からなり、これらの楕円モノクロメータ２６、２８の側縁同士が直角になるように接合されている。各楕円モノクロメータの反射面は人工多層膜で作られていて、回折に寄与する多層膜界面が反射面に平行になっており、その周期（結晶の格子面間隔に相当）は楕円弧に沿って連続的に変化している。このような複合モノクロメータの形状やその作用については、特開平１１−３２６５９９号公報に詳しく開示されているので、ここではその詳しい説明は省略する。
【００１０】
図３は複合モノクロメータの作用を説明する斜視図である。第１の楕円モノクロメータ２６及び第２の楕円モノクロメータ２８の第１焦点Ｆ１の位置にターゲット上のＸ線焦点を配置し、第１の楕円モノクロメータ２６及び第２の楕円モノクロメータ２８の第２焦点Ｆ２の位置に、試料上のＸ線照射領域を配置する。第１焦点Ｆ１の位置で発生したＸ線ビームは、最初に第１の楕円モノクロメータ２６で反射し、次に、第２の楕円モノクロメータ２８で反射して、第２焦点Ｆ２の位置にある試料に照射される。あるいは、最初に第２の楕円モノクロメータ２８で反射した場合には、次に、第１の楕円モノクロメータ２６で反射して、試料に照射される。第１の楕円モノクロメータ２６と第２の楕円モノクロメータはその形状は基本的に同じである。したがって、以下の記載では第１の楕円モノクロメータ２６について説明している。
【００１１】
図４は第１の楕円モノクロメータ２６でＸ線を集束する原理を示す説明図である。第１の楕円モノクロメータ２６の反射面は楕円弧面からなり、この楕円弧面は、楕円３０の一部分である楕円弧を紙面に垂直な方向に平行移動したときにできる軌跡である。楕円３０の第１焦点Ｆ１から第１の楕円モノクロメータ２６を見込む角度αは、楕円モノクロメータ２６がＸ線ビームを捕捉する角度を示すものであり、捕捉角αと呼ぶことにする。捕捉角αが大きいほどＸ線の利用効率が高い。一方、楕円３０の第２焦点Ｆ２から第１の楕円モノクロメータ２６を見込む角度βは、試料に入射するＸ線の入射角度のバラツキを示すものであり、集束角βと呼ぶことにする。一般に、試料をＸ線分析するときに集束角βは小さい方が好ましい。
【００１２】
次に、ターゲット上のＸ線焦点の実効的な焦点サイズについて説明する。実効的な焦点サイズとは、Ｘ線の取り出し方向から見たときのターゲット上の焦点のサイズである。この場合、差し渡し寸法が一番大きいところを焦点サイズとする。例えば、ターゲット上に１ｍｍ×０．１ｍｍの細長い焦点を形成した場合に、ここから取り出し角度６度でライン焦点で取り出すと（図２を参照）、実効的な焦点サイズはほぼ０．１ｍｍ×０．１ｍｍとなる。この場合、実効的な焦点サイズは０．１ｍｍである。
【００１３】
回転対陰極と上述の複合モノクロメータとを組み合わせる場合に、各種の条件を検討していくと、ターゲット上の焦点サイズについて最適値が存在することが分かった。すなわち、最適な焦点サイズを選択したときに、試料上のＸ線強度（試料に当たるＸ線の合計強度）が最も大きくなることを見出した。そこで、そのような最適条件を見つける手順とその最適結果とを以下に詳しく説明する。まず、次の（１）〜（５）の事項を考慮した。
（１）ターゲットの焦点サイズと最大投入パワーとの関係
【００１４】
回転対陰極における焦点サイズｔと、そのときの可能な最大投入パワーＷとの関係は良く知られており、その関係は図９のグラフのようになる。このグラフは、図１４の（１）式から求めたものである。（１）式は回転対陰極の最大投入パワーＷ（許容負荷）を求める式であり、ターゲットの熱負荷能力を考慮して作られたものである。ターゲットの材質として銅を選択し、回転数を６０００ｒｐｍとし、ターゲットの直径を１０ｃｍ、ターゲットの厚さ（表面から冷却面までの厚さ）を０．２ｃｍとすると、最大投入パワーＷはターゲット上の焦点の幅ｔ（実効的な焦点サイズに相当する）に依存する。なお、焦点の長さＦＬは焦点の幅ｔの１０倍であると仮定している。図９のグラフから分かるように、焦点サイズが大きくなれば最大投入パワーが増加する。
（２）人工多層膜の製造上の制約から決まる条件
【００１５】
楕円モノクロメータ（人工多層膜ミラー）については、製造技術上の制約から、モノクロメータの長さＬ２（図１を参照）を８０ｍｍとしている。また、反射面を構成する人工多層膜の周期ｄ（結晶の格子面間隔に相当）については、その最大値ｄmaxを５．０ｎｍ、最小値ｄminを２．５ｎｍとしている。楕円モノクロメータでは、多層膜の周期ｄは楕円弧に沿って連続的に変化するが、この周期ｄの値が２．５〜５．０ｎｍの範囲内に収まっていれば、この多層膜を作ることができる。ところで、反射面でＸ線が回折するためには、図１６の（８）式のブラッグの条件式を満足する必要がある。ｄは人工多層膜の周期であり、λはＸ線の波長であり、θは反射面に入射するＸ線の入射角である。回転対陰極のターゲットの材質として銅を用いる場合、ＣｕＫα線の波長λは０．１５４ｎｍである。人工多層膜の周期の最大値ｄmaxと最小値ｄminについて、これをブラッグの条件式を用いて入射角θに換算すると、それぞれ、図１６の（９）式と（１０）式のようになる。
【００１６】
（３）反射面の許容受光角に関する条件
楕円モノクロメータの反射面は図６に示すような反射特性を示す。この反射率曲線は有限の角度幅ω（半値幅）を持ち、Ｘ線の入射角がこの角度幅ω内に入れば、この反射面でＸ線が反射されることになる。この角度幅ωを許容受光角（アクセプタクル角）と呼ぶ。入射するＸ線の角度幅（入射角の広がり）が許容受光角ωよりも小さければ、入射するＸ線はすべて反射するが、許容受光角ωよりも大きければ、入射するＸ線の一部は反射しないことになる。Ｘ線源から発生したＸ線を楕円モノクロメータで最も効率良く取り込むためには、入射するＸ線の角度幅（入射角の広がり）が許容受光角ωに等しくなるところまで楕円モノクロメータをＸ線源に近づければよい。図５において、Ｘ線源の実効的な焦点サイズをｔ、Ｘ線源からモノクロメータの反射位置までの距離をＬ３、モノクロメータの許容受光角をωとすると、Ｌ３＝ｔ／ω、（ωの単位はラジアン）の関係が成立するときに、入射するＸ線の角度幅が許容受光角ωに等しくなる。したがって、このような関係式を満足するように、Ｌ３とｔの関係を定めるのが最も効率的である。例えば、ω＝０．０５度の場合、実効的な焦点サイズｔが０．１ｍｍのときに、Ｌ３は約１１４ｍｍになる。モノクロメータの中央においてＸ線源からの距離が１１４ｍｍであるならば、モノクロメータの前端（Ｘ線源に一番近い端部）ではＸ線源からの距離は７４ｍｍになる（モノクロメータの長さは８０ｍｍなので１１４ｍｍから４０ｍｍを引くと７４ｍｍになる）。
【００１７】
（４）楕円の形状と入射角θとの関係
図４において、ＸＹ座標軸を図示のように設定すると、楕円３０の曲線式は図１５の（３）式のようになる。この（３）式を微分すると（４）式になり、これが楕円３０の各点での傾き（楕円の接線の傾き）になる。これを角度に直すと、楕円３０の各点での傾きは（５）式のようになる。一方、焦点Ｆ１から楕円３０上の各点を見上げたときの仰角（Ｘ軸に対する角度）は図１５の（６）式のようになる。ここで、（６）式中のｆは、図４に示すように、焦点Ｆ１と座標軸の原点との距離である。楕円３０上の各点におけるＸ線の入射角θは、（６）式の仰角から（５）式の傾きを引いたものであり、（７）式のようになる。図７は、（５）式の「傾き」と（６）式の「仰角」と（７）式の「入射角θ」とをグラフにしたものである。横軸は、厳密には、楕円上の各点における「座標軸原点からの距離」とすべきものであるが、実際の楕円はきわめて偏平しているので座標軸原点と焦点Ｆ１はきわめて接近しており、横軸を「焦点Ｆ１からの距離」としても実質的には同じである。したがって、横軸は「焦点からの距離」と表示している。縦軸は角度（単位は度）である。このグラフにおいて、人工多層膜の周期の制約から定まるθmaxとθminも表示している。θmaxは図１６の（９）式で求めたものであり、θminは（１０）式で求めたものである。特定の長径ａと短径ｂを有する楕円について、楕円の各点における入射角θを求めた場合、この入射角θが、図７に示すように、楕円モノクロメータの全長Ｌ２にわたって（この場合、焦点からの距離が１００〜１８０ｍｍにおいて）、θmaxとθminの間にあれば、人工多層膜の制約条件を満足することになる。図７のグラフは、楕円の長径ａを２８０ｍｍ、短径ｂを５ｍｍとして計算したときのものである。図８のグラフは、図７のグラフについて、焦点からの距離が１００〜１８０ｍｍの部分を拡大して示したものであり、さらに、短径ｂの値を変更したときの入射角変化を示している。すなわち、短径ｂを５．０ｍｍ、４．５ｍｍ、４．２ｍｍと変化させると、入射角θの曲線は、図８のように変化する。この場合、いずれのｂの値でも、入射角θはθmaxとθminの間に収まっている。
【００１８】
（５）試料上の照射スポットのサイズとモノクロメータの配置位置との関係
図４において、第２焦点Ｆ２には試料を配置することになるが、試料上のＸ線照射スポットのサイズは０．３ｍｍ以下にするのが好ましい。また、集束角βは０．２度以下にするのが好ましい。第１焦点Ｆ１からモノクロメータ２６の中心までの距離をＬ４、第２焦点Ｆ２からモノクロメータ２６の中心までの距離をＬ５とすると、試料上のＸ線照射スポットのサイズは、「Ｘ線源の実効的な焦点サイズｔ」×（Ｌ５／Ｌ４）に等しい。例えば、ｔ＝０．１ｍｍのときに、Ｌ５をＬ４の３倍にすれば、試料上のＸ線照射スポットのサイズは０．３ｍｍになる。楕円３０を固定して、楕円３０上で楕円モノクロメータ２６をＸ線源に近づければ試料上の照射スポットのサイズは大きくなり、Ｘ線源より遠ざければ照射スポットのサイズは小さくなる。
【００１９】
次に、最適な焦点サイズを求める具体的な手順の一例を説明する。最適な焦点サイズとは、試料上でＸ線強度が最大となるような焦点サイズである。図１７は焦点サイズごとの最大の捕捉角αを求める手順を示したフローチャートである。このフローチャートは、距離Ｌ１と焦点サイズｔの一つの組み合わせについて、最大の捕捉角αが得られるような楕円形状（長径ａと短径ｂ）を決定する（同時に、その最大の捕捉角αがいくらであるかを決定する）ための手順を示したものである。
【００２０】
まず、図１の距離Ｌ１（すなわち、Ｘ線焦点から複合モノクロメータ２２の前端までの距離）を決定する。この発明は試料上でのＸ線強度を大きくするのが目的であるから、基本的には、複合モノクロメータ２２をできるだけＸ線源に近づけて、Ｘ線の捕捉角αを大きくすることが大切である。したがって、距離Ｌ１は１００ｍｍ以下とする。一方で、回転対陰極Ｘ線管において、ターゲット上の焦点からベリリウム窓２０までの距離を小さくするのには限界があり、当然ながら、ターゲット上の焦点から複合モノクロメータの前端までの距離Ｌ１もそれほど小さくできない。通常、距離Ｌ１の最小値は６０ｍｍ程度が限界であり、Ｘ線管の構造を工夫しても、せいぜい、距離Ｌ１の最小値は４０ｍｍ程度である。したがって、距離Ｌ１＝４０〜１００ｍｍの範囲で、最適な焦点サイズを求めることにする。ところで、上述の「反射面の許容受光角に関する条件」において検討したように、ω＝０．０５度の場合、実効的な焦点サイズｔが０．１ｍｍのときに、距離Ｌ１を約７４ｍｍにすると、Ｘ線を楕円モノクロメータで最も効率良く取り込むことができる。よって、距離Ｌ１を４０〜１００ｍｍの範囲に設定することは、焦点サイズにもよるが、許容受光角の観点から考えて妥当な値になっている。
【００２１】
実際の計算では、距離Ｌ１について１００ｍｍ、８０ｍｍ、６０ｍｍ、４０ｍｍの４種類について計算している。以下の説明ではＬ１＝８０ｍｍの場合を例にして説明する。そこで、図１７のフローチャートにおいて、距離Ｌ１を８０ｍｍに設定して、次の「焦点サイズｔの決定」に移る。焦点サイズｔは、０．０１ｍｍから０．４ｍｍまでの２０種類の値（図１８の一覧表のｔの列を参照）を選択した。そのそれぞれについて、最大の捕捉角αを求めた。よって、最初に、焦点サイズｔを０．０１ｍｍに設定する。これで、Ｌ１＝８０ｍｍとｔ＝０．０１ｍｍの組み合わせが決まる。
【００２２】
次に、「楕円の長径ａを決定」に移る。楕円の長径ａを決めるには、試料上の照射スポットサイズを考慮する。図４において、上述したように、試料上のＸ線照射スポットのサイズは０．３ｍｍ以下にするのが好ましい。実効的な焦点サイズｔが０．０１ｍｍのときに、照射スポットサイズを０．３ｍｍ以下にするには、Ｌ４：Ｌ５＝１：３０以下の関係にすればよい。したがって、Ｌ４＝（Ｌ１＋４０ｍｍ）＝１２０ｍｍなので、Ｌ５＝３６００ｍｍ以下となる。楕円の長径ａはＬ４＋Ｌ５に実質的に等しいので、ａ＝３７２０ｍｍ以下にすればよい。実施例の計算では、ａ＝１８６０ｍｍに設定している（図１８の一覧表を参照）。
【００２３】
次に、「楕円の短径ｂ＝０．１」に移る。以下の手順では、楕円の短径ｂを０．１から１０まで、０．１きざみで変化させて、そのそれぞれについて、捕捉角αを計算し、短径ｂがいくつのときに、最大の捕捉角が得られるか、そしてその捕捉角はいくらであるか、を求めている。そこで、最初にｂ＝０．１と設定する。これで長径ａと短径ｂが決まったので、図７のグラフの入射角θの曲線を計算できる。焦点からの距離が８０〜１６０ｍｍの範囲内（モノクロメータの範囲内）において、この入射角θの曲線がθmaxとθminの間に収まっていれば、入射角条件は合格となる。また、楕円モノクロメータの位置と楕円の形状が決まっているので、図４の捕捉角αと集束角βも計算できる。集束角が０．２度以内になっていれば、集束角条件も合格である。入射角条件と集束角条件が両方とも合格していれば、そのときの捕捉角αを短径ｂの値と共に記憶する。以上が「入射角と集束角が合格した場合に捕捉角αを記憶」のステップである。入射角条件と集束角条件のいずれかが不合格であれば、そのｂの値は使えないので、捕捉角αは記憶しない。
【００２４】
次に、「ｂ＝１０？」の判定に移る。ｂが１０に達していなければ、「ｂ＝ｂ＋０．１」を実行してから、「入射角と集束角が合格した場合に捕捉角αを記憶」のステップを繰り返す。そして、ｂ＝１０に達したら、「捕捉角αの最大値を取得」に移り、これまでに記憶した捕捉角αの中の最大値とそのときのｂの値を取得する。以上のような計算が完了すると、図１８に示す表のｔ＝０．０１の行のデータが完成する。この表において、ｔ、ａ、ｂ、Ｌ４の単位はｍｍであり、αの２乗の単位はステラジアンである。ｔ＝０．０１の条件を例にとると、長径ａが１８６０ｍｍ、短径ｂが１０ｍｍのときに捕捉角αが最大になり、その最大となった捕捉角αを２乗した値（単位はステラジアン）は１．１８８６９×１０のマイナス４乗となる。表中で「Ｅ−４」は「１０のマイナス４乗」を意味する。複合モノクロメータを使うと、図３に示すように、Ｘ線は二つの楕円モノクロメータで順に反射してから試料上に集束するから、捕捉角αを２乗したものが試料上のＸ線強度に比例することになる。したがって、捕捉角αの２乗を表中に記載している。表中のＬ４は図４に示すＬ４であり、これはＬ１＋４０ｍｍである。ｔ＝０．１５ｍｍ以上の条件のときにＬ４の値が１２０ｍｍを超えているのは、Ｌ１＝８０ｍｍの条件のままでは、その他の条件（入射角条件や集束角条件）を満足しないために、Ｌ１を動かしているためである。
【００２５】
図１８の表の捕捉角αの２乗をグラフにしたものが図１１の上段のグラフの「捕捉角（ｓｔｒ）」の曲線である。縦軸に捕捉角αの２乗の値を、横軸に焦点サイズｔの値をとってある。また、図１１の上段のグラフの「投入パワー（Ｗ）」の曲線は図９の曲線をそのまま載せたものである。図１１の下段のグラフは、上段のグラフの捕捉角の曲線と投入パワーの曲線とを掛け算した値をプロットしたものである。捕捉角（αを２乗したもの）と投入パワーの積は、試料上のＸ線照射強度に比例すると考えられるので、これを「効率」と呼ぶことにする。この効率の値は、焦点サイズｔに依存して変化しており、最適値が存在する（曲線の山が存在する）ことが分かる。このグラフによれば、Ｌ１＝８０ｍｍのときには、焦点サイズを６０μｍにすると効率が最大になることが分かる。最大効率から２５％低下するところまでを実用的な使用範囲と考えると、焦点サイズが約４０〜９０μｍの範囲内のときに最も効率が高いことになる。
【００２６】
同様にして、Ｌ１＝１００ｍｍ、６０ｍｍ、４０ｍｍの条件についても同様のグラフを作ることができて、それぞれのグラフを図１０、図１２、図１３に示す。図１０では、Ｌ１＝１００ｍｍの条件において、焦点サイズを７０μｍにすると効率が最大になり、実用的な最大効率の範囲は約６０〜１００μｍである。図１２では、Ｌ１＝６０ｍｍの条件において、焦点サイズを５０μｍにすると効率が最大になり、実用的な最大効率の範囲は約４０〜８０μｍである。図１３では、Ｌ１＝４０ｍｍの条件において、焦点サイズを４０μｍにすると効率が最大になり、実用的な最大効率の範囲は約３０〜７０μｍである。
【００２７】
なお、焦点サイズが３０μｍというのは、Ｌ１＝４０ｍｍ（回転対陰極Ｘ線管でこれを実現するのはかなり厳しい）のときに効率が優れているものであり、Ｌ１＝６０〜１００ｍｍのときには、それほど優れた効率にはならない。したがって、Ｌ１＝４０〜１００ｍｍの全体で考えると、焦点サイズが４０〜１００μｍのときに、おおむね優れた効率が得られる、と言うことができる。
【００２８】
【発明の効果】
この発明のＸ線分析装置は、回転対陰極Ｘ線管と上述の複合モノクロメータとを組み合わせる場合に、ターゲット上の実効的な焦点サイズを４０〜１００μｍにして、ターゲット上のＸ線焦点から複合モノクロメータまでの最短距離を６０〜１００ｍｍに設定することで、最も効率良く、試料に集束するＸ線強度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のＸ線分析装置の一実施形態を概略的に示した平面図である。
【図２】図１における回転対陰極と複合モノクロメータとの位置関係を示した斜視図である。
【図３】複合モノクロメータの作用を説明する斜視図である。
【図４】楕円モノクロメータでＸ線を集束する原理を示す説明図である。
【図５】楕円モノクロメータの反射面の許容受光角を説明する説明図である。
【図６】楕円モノクロメータの反射面の反射率曲線を示すグラフである。
【図７】楕円上の各点における入射角θの変化を示すグラフである。
【図８】図７のグラフの拡大図である。
【図９】焦点サイズと最大投入パワーとの関係を示すグラフである。
【図１０】Ｌ１＝１００ｍｍのときの効率を示すグラフである。
【図１１】Ｌ１＝８０ｍｍのときの効率を示すグラフである。
【図１２】Ｌ１＝６０ｍｍのときの効率を示すグラフである。
【図１３】Ｌ１＝４０ｍｍのときの効率を示すグラフである。
【図１４】回転対陰極の最大投入パワーを求める式である。
【図１５】楕円曲線の式、楕円上の各点の傾きの式、焦点Ｆ１からの仰角の式、及び、入射角を求める式である。
【図１６】ブラッグの条件式と、人工多層膜の最大周期と最小周期を入射角に換算した式である。
【図１７】焦点サイズごとの最大の捕捉角αを求める手順を示したフローチャートである。
【図１８】Ｌ１＝８０ｍｍのときの計算結果を示す表である。
【符号の説明】
１０ 回転対陰極Ｘ線管
１２ ターゲット
１４ 電子銃
１６ 電子ビーム
１８ Ｘ線ビーム
２０ ベリリウム窓
２２ 複合モノクロメータ
２４ 焦点
２６ 第１の楕円モノクロメータ
２８ 第２の楕円モノクロメータ
Claims (2)
- Ｘ線源から出射するＸ線ビームをモノクロメータで反射してから試料に照射するＸ線分析装置において、次の特徴を備えるＸ線分析装置。
（ア）前記Ｘ線源は回転対陰極Ｘ線管であり、そのターゲット上の実効的な焦点サイズは４０〜１００μｍである。
（イ）前記モノクロメータは、第１の楕円モノクロメータと第２の楕円モノクロメータの側縁同士を互いに接合した複合モノクロメータであり、各楕円モノクロメータの一方の焦点の位置に前記ターゲット上のＸ線焦点が配置されている。
（ウ）前記第１の楕円モノクロメータと前記第２の楕円モノクロメータは人工多層膜で形成されていて、この人工多層膜は、回折に寄与する多層膜界面が反射面に平行になっていて、かつ、特定の波長のＸ線に対して反射面の任意の位置でブラッグの回折条件を満足するように楕円弧に沿って前記人工多層膜の周期が連続的に変化している。
（エ）前記ターゲット上のＸ線焦点から前記複合モノクロメータまでの最短距離は６０〜１００ｍｍである。 - Ｘ線源から出射するＸ線ビームをモノクロメータで反射してからＸ線ビームを出射するＸ線供給装置において、次の特徴を備えるＸ線供給装置。
（ア）前記Ｘ線源は回転対陰極Ｘ線管であり、そのターゲット上の実効的な焦点サイズは４０〜１００μｍである。
（イ）前記モノクロメータは、第１の楕円モノクロメータと第２の楕円モノクロメータの側縁同士を互いに接合した複合モノクロメータであり、各楕円モノクロメータの一方の焦点の位置に前記ターゲット上のＸ線焦点が配置されている。
（ウ）前記第１の楕円モノクロメータと前記第２の楕円モノクロメータは人工多層膜で形成されていて、この人工多層膜は、回折に寄与する多層膜界面が反射面に平行になっていて、かつ、特定の波長のＸ線に対して反射面の任意の位置でブラッグの回折条件を満足するように楕円弧に沿って前記人工多層膜の周期が連続的に変化している。
（エ）前記ターゲット上のＸ線焦点から前記複合モノクロメータまでの最短距離は６０〜１００ｍｍである。
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