JP3968452B2 - Ｘ線分析装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ線分光によるＸ線分析装置に関し、Ｘ線スペクトル解析、Ｘ線源の制御や設計等に適用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
Ｘ線スペクトル解析やＸ線源の制御，設計等を行うには、Ｘ線分析が必要である。従来知られているＸ線分析装置として、Ｘ線源等から放出されるＸ線を分光結晶に照射し、分光結晶によってＸ線を分光する装置が知られている。図１４は、従来のＸ線分析装置の一構成例を説明するための概略構成図である。図１４において、試料１００から放出されたＸ線を分光結晶１０１に照射し、分光結晶１０１で分光した特定波長のＸ線をＸ線検出器１０２で検出する。
【０００３】
分光結晶において、分光するＸ線の波長λとＸ線の結晶面への入射角θと分光結晶の面間隔ｄとの間には、λ＝２ｄ・sinθの関係がある。従来のＸ線分析装置では、分光結晶の一つの結晶面を用い、この結晶面に対するＸ線の入射角θを変化させることによって、異なる波長のＸ線を検出している。
【０００４】
図１４において、分光結晶１０１ａ，１０１ｂ、及びＸ線検出器１０２ａ，１０２ｂは、異なる波長のＸ線を検出するための移動状態を示している。図１５は従来のＸ線分析で得られる波長強度分布の一例を示し、図中に示す点は分光結晶１０１及びＸ線検出器１０２の各波長位置λａ，λｂ（図１４において、対応する位置をａ，ｂの符号で示している）での強度を表している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＸ線分析装置では、分光結晶の一つの結晶面を用いてＸ線の分光を行う構成であるため、所定の波長範囲を分析するには、分析結晶を回転させる等の移動操作を行って、分析結晶の結晶面に対するＸ線の入射角を変更させなければならず、全波長範囲を分光するには長時間を要するという問題がある。さらに、分光開始時と分光終了時との間に大きな時間差がある場合には、Ｘ線の分析状態が変化し、一定の測定条件でＸ線分析を行うことができず、Ｘ線スペクトル変化を検出することができない。
【０００６】
また、従来のＸ線分析装置に用いるＸ線検出器はシンチレーションカウンタやガスカウンタを用い、分光結晶で分光されるＸ線のみを検出する構成であるため、所定の波長範囲を分析するには、分析結晶の回転に伴って移動を行う必要があり、構成が複雑となるという問題がある。
【０００７】
したがって、本発明は、Ｘ線分析装置において、Ｘ線の波長強度分布を短時間で時間差の少ない測定を行うことを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一つの分光結晶が持つ複数の結晶面を用いることによって複数の異なる波長に分光するものであり、また、二次元検出器を用いることによって分光した複数の異なる波長のＸ線を個々に区別して検出するものである。
【０００９】
本発明のＸ線分析装置の第１の態様は、分光器にＸ線を照射し、該分光器で分光される特定波長のＸ線によってＸ線分析を行うＸ線分析装置において、分光器は、該分光器が備える分光結晶の一結晶中に有する面間隔及び方位が異なる複数の結晶面を用い、この分光結晶の複数の結晶面によってＸ線を同時に複数の異なる波長に分光する。
【００１０】
分光結晶は、面間隔と方位が異なる複数の結晶面を含んでいる。分光するＸ線の波長λとＸ線の結晶面への入射角θと分光結晶の面間隔ｄとの間には、λ＝２ｄ・sinθで表されるブラッグの法則の関係があり、分光結晶に入射したＸ線は、各結晶面においてブラッグの法則に導かれる波長λのＸ線のみが反射され分光が行われる。分光されたＸ線は結晶面の方位で定められた方向に散乱される。
【００１１】
本発明のＸ線分析装置の第１の態様によれば、複数の結晶面の異なる面間隔を用いることによって同時に複数の波長の分光を行い、複数の結晶面の異なる方位を用いることによって分光した波長を個々に区別して検出可能とする。
【００１２】
本発明のＸ線分析装置の第２の態様は、分光器にＸ線を照射し、該分光器で分光される特定波長のＸ線によってＸ線分析を行うＸ線分析装置において、一結晶中に面間隔及び方位が異なる複数の結晶面を有した分光結晶を備えた分光器と、Ｘ線の強度及び入射位置を検出する二次元検出器とを備えた構成とし、複数の結晶面によってＸ線を同時に複数の異なる波長に分光し、二次元検出器によって複数の分光Ｘ線を同時に検出する。
【００１３】
二次元検出器は、二次元的に入射したＸ線の位置と強度を検出する装置であり、セレンや蛍光体等のＸ線を光や電荷に変換するＸ線感知体とマトリックス状に配置した検出素子とを備える構成や、入射Ｘ線の強度に応じて感光するシート材を適用することができる。
【００１４】
本発明のＸ線分析装置の第２の態様によれば、分光結晶によって、空間的に様々な方向に分光した波長の異なるＸ線を二次元検出器で検出する。二次元検出器において、Ｘ線が入射する位置は分光結晶の結晶面の方位によって異なり、該位置で検出されるＸ線の波長は該結晶面の面間隔とＸ線の結晶面への入射角θにより定まる。したがって、二次元検出器上では、Ｘ線の異なる波長が異なる位置で、個々に区別して検出することができる。二次元検出器上で検出されるＸ線の位置及び波長は、分光結晶の結晶面の方位及び面間隔から求めることができる。
【００１５】
Ｘ線分析装置の第１，２の態様によれば、時間差のないＸ線の波長強度分布を短時間で測定することができる。
【００１６】
本発明のＸ線分析装置の第３の態様は、入射Ｘ線に対する分光結晶の角度を調整する機構を備え、これによって入射Ｘ線に対する結晶面の方位を調整する。角度調整機構が行う調整の第１の態様は、二次元検出器上に入射する分光Ｘ線の位置を調整し、分析対象の波長に適した位置となるように調整することができる。角度調整機構が行う調整の第２の態様は、第１の調整態様によって定めた結晶面の方位において、該結晶面に入射するＸ線の入射角を調整し、分光される波長を調整する。第２の調整態様では、入射角の変更に伴って分光Ｘ線の入射位置は二次元検出器上で移動することになる。
【００１７】
本発明のＸ線分析装置による第１の測定態様は、第１の調整態様によって結晶面の方位を定め、該結晶面の面間隔及び入射Ｘ線の入射角によって定まる分光波長についてＸ線強度を検出する。
【００１８】
本発明のＸ線分析装置による第２の測定態様は、第１の調整態様によって結晶面の方位を定めて二次元検出器上に入射する分光Ｘ線の位置を調整した後、第２の調整態様によって入射Ｘ線の入射角を変更して分光波長を変更し、所定波長範囲の強度の波長による変化を検出する。
【００１９】
本発明のＸ線分析装置によれば、角度調整機構の第１の調整態様によって分光に用いる結晶面を選択することにより、所定波長範囲の波長強度分布（波長スペクトル）を時間差なく同時に測定することができる。また、角度調整機構の第２の調整態様によって分光波長を変更することによって、連続的に切れ目が無い波長スペクトルを測定することができる。この場合、複数の結晶面からの波長スペクトルをつなぎ合わせることにより、従来装置のように一つの結晶面を用いて全波長範囲を測定する場合と比較して短時間で測定を行うことができる。
【００２０】
角度調整機構は少なくとも２軸の回転機構を備える。２軸の回転機構により角度調整することによって、第１の調整態様の結晶面の選択を行うことができる。また、角度調整機構の回転機構の軸数を増やし３軸の回転機構を備える構成とすることによって、結晶面の選択動作に加えて、第２の調整態様の分光波長の変更を行うことができる。
【００２１】
なお、角度調整機構が備える回転機構の軸数は上記軸数に限られるものではなく、２軸あるいは３軸以上の多数軸により構成することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照しながら詳細に説明する。
図１，２は、本発明のＸ線分析装置の一構成を説明するための概略構成図である。図１に示すＸ線分析装置の構成は、分光Ｘ線を検出する検出器を二次元検出器で構成する例であり、図２に示すＸ線分析装置の構成は、複数個の検出器を配置する構成例である。
【００２３】
図１において、Ｘ線分析装置は分光結晶１及び検出器２を備える。分光結晶１は入射した入射Ｘ線１１を分光して分光Ｘ線１２を空間的に様々な方向に散乱する。図１に示す検出器２は二次元検出器２０であり、分光結晶１で分光された分光Ｘ線１２を二次元的に検出し、強度を測定する。
【００２４】
分光結晶１は角度調整機構３によって角度調整可能に支持され、該角度調整によって二次元検出器２上における分光Ｘ線１２の入射位置を調整することができる。角度調整機構は少なくとも２軸の回転機構を備える。角度調整機構の回転機構により結晶面の方位を定め、二次元検出器２上に入射するＸ線の位置を調整し、分析対象の波長に適した位置となるように調整する。また、３軸の回転機構を備える角度調整機構を用いることによって、前記２軸の回転機構で結晶面の方位を設定し、３軸目を用いて結晶面に入射するＸ線の入射角を調整し、分光される波長を調整する。なお、角度調整機構３は２軸あるいは３軸の回転機構に限らず、２軸あるいは３軸以上の多数軸で構成したり、従来のゴニオメータを用いた構成とすることもできる。
【００２５】
二次元検出器２０は、二次元的に入射したＸ線の位置と強度を検出する装置であり、セレンや蛍光体等のＸ線を光や電荷に変換するＸ線感知体とマトリックス状に配置した検出素子を備える構成や、入射Ｘ線の強度に応じて感光するsotrage phosphors ，storage phosphor screens（イメージングプレート等の製品名で知られている）や写真フィルム等のシート材を適用することができる。
【００２６】
分光Ｘ線１２は、分光結晶１の結晶面の方位に応じて空間的に散乱し、二次元検出器２０の面上の入射する。図１では入射位置をｐ１，ｐ２，ｐ３で示している。なお、図１では分光Ｘ線が入射する状態を３つの入射位置で模式的に示しているが、入射する分光Ｘ線の個数や位置は、分光結晶が備える結晶面の面数や方位、二次元検出器２０の面積や位置、及び入射Ｘ線１１入射に対する分光結晶１の角度等に応じて定まる。
【００２７】
二次元検出器２０は、分光Ｘ線の二次元検出器２０上の位置及び強度を検出することができ、検出した位置信号や強度信号は処理装置４で信号処理することができる。処理装置４は、分光Ｘ線の二次元検出器２０上の位置から波長を求め、該波長と強度から波長強度分布（波長スペクトル）を求めることができる。
【００２８】
また、図１の構成において、分光に用いる結晶面を定めた後、該結晶面に入射するＸ線の入射角を調整することによって、分光される波長を調整することができる。
【００２９】
図２に示す構成は、検出器２としてシンチレーションカウンタやガスカウンタ等のＸ線検出器を用いた構成例であり、各波長の分光Ｘ線を検出するＸ線検出器２１，２２，２３を配置する。Ｘ線検出器２１，２２，２３の配置位置は、Ｘ線分光１２の放出方向に対応する位置ｐ１，ｐ２，ｐ３であり、分光結晶が備える結晶面の方位、入射Ｘ線１１に対する分光結晶１の角度等に応じて定まる。
【００３０】
次に、本発明のＸ線分析装置を用いた２つの測定態様について説明する。第１の測定態様は、結晶面の面間隔及び入射Ｘ線の入射角によって定まる分光波長について、そのＸ線強度を検出するものであり、第２の測定態様は、入射Ｘ線の入射角を変更して分光波長を変更し、所定波長範囲の強度の波長による変化を検出するものである。
【００３１】
第１の測定態様について図３〜図８を用いて説明する。図３は分光結晶が備える結晶面を模式的に表した図であり、図４は結晶面による反射を模式的に表した図である。分光結晶は結晶中に複数の結晶面を備え、各結晶面は図３中でα，β，γで示されるように異なる方位を備える。分光結晶の表面に対して角度Θで入射したＸ線は、図４に示すように、分光結晶の各結晶面において方位α，β，γで定める方向ｐ，ｑ，ｒに反射する。たとえば、図４（ａ）では、入射Ｘ線は結晶面１３ａに対して入射角θａで入射し、方位αで定まる方向ｐ（∠αＯｐ＝９０°−θａ）に反射される。また、図４（ｂ），（ｃ）では、同様に、入射Ｘ線は結晶面１３ｂ，１３ｃに対して入射角θｂ，θｃで入射し、方位β，γで定まる方向ｑ，ｒに反射され分光が行われる。
【００３２】
また、各結晶面で分光されるＸ線の波長はブラッグの条件（λ＝２ｄ・sinθ）を満たす波長であり、結晶面の面間隔ｄに対応した波長λのＸ線となる。なお、θは分光結晶の結晶面に対するＸ線の入射角である。したがって、分光結晶は反射する結晶面の方位に応じて異なる方向に異なる波長の分光Ｘ線を放出することになる。なお、結晶面の方位及び分光結晶（分光結晶の表面及び結晶面）に対する入射Ｘ線の入射角の調整は、角度調整機構３により行う。
【００３３】
図５は、分光結晶で分光された分光Ｘ線が二次元検出器上に入射する位置を模式的に表した図である。分光Ｘ線は、分光結晶の結晶面の方位に応じて空間的に様々な方向に反射し、二次元検出器２０上で異なる位置に入射する。図５中のｐ，ｑ，ｒは入射位置例を示している。なお、図５中のｏは二次元検出器２０の中心を示している。ｐ，ｑ，ｒの位置に入射する分光Ｘ線の波長は、結晶面の面間隔ｄに対応した波長λp ，λq ，λr となる。二次元検出器２０によって入射位置ｐ，ｑ，ｒの強度を検出すると、図６中の点で示される強度を得ることができる。なお、図６中の強度曲線は、入射したＸ線に含まれる波長と強度との関係を示すものであり、第１の測定態様によれば、結晶面で定まる波長についてその強度を求めることができる。
【００３４】
図７，８は本発明のＸ線分光装置による測定結果例及びシミュレーション値である。図７は二次元検出器上に入射する分光Ｘ線の入射位置を示し、図８は各入射位置における分光Ｘ線の強度を波長を横軸にとって示している。なお、二次元検出器上の入射位置と波長との関係は、Ｘ線の入射角（分光結晶の表面に対する角Θ及び又は分光結晶の結晶面に対する角θ）と、分光結晶の結晶面の方位と、結晶面の面間隔ｄと、分光結晶及び二次元検出器との位置関係から幾何学的に演算して求めることができる。
【００３５】
第２の測定態様について図９〜図１３を用いて説明する。図９は結晶面による反射角の変化を模式的に表した図である。前記図３，４で示したように、分光結晶に入射したＸ線は、図９に示すように、各結晶面において方位α，β，γで定める方向に反射する。このとき、入射Ｘ線の分光結晶１の表面に対する入射角Θを変化させると、各結晶面に対する入射角θも変化し、分光Ｘ線の反射方向も変化する。たとえば、図９（ａ）では、結晶面１３ａに入射したＸ線は入射角の変化Δθに伴ってｐ１からｐ２に変化し、図９（ｂ），（ｃ）では、同様に、ｑ１からｑ２及びｒ１からｒ２に変化して反射され分光が行われる。
【００３６】
また、この分光Ｘ線の反射方向の変化に伴い、分光Ｘ線の波長もブラッグの条件により変化する。なお、結晶面の方位及び分光結晶に対する入射Ｘ線に入射角の調整は、角度調整機構３により行う。
【００３７】
図１０は、分光結晶で分光された分光Ｘ線が二次元検出器上で移動する状態を模式的に表した図である。分光Ｘ線は、分光結晶の結晶面の方位に応じて空間的に様々な方向に反射し二次元検出器２０上の異なる位置に入射し、さらにＸ線の分光結晶に対する入射角（Θないしθ）の変化に伴って二次元検出器２０上を移動する。図１０中のｐ１，ｐ２，ｑ１，ｑ２，ｒ１，ｒ２は入射位置の変化例を示している。なお、図１０中のｏは二次元検出器２０の中心を示している。二次元検出器２０上において、ｐ１，ｐ２，ｑ１，ｑ２，ｒ１，ｒ２の位置に入射する分光Ｘ線の波長は、結晶面の面間隔ｄ及び結晶面に対する入射角θの変化に対応した波長λp1，λp2，λq1，λq2，λr1，λr2となり、分光結晶に対する入射角θの変化に応じて変化する。
【００３８】
二次元検出器２０によって入射位置ｐ１〜ｐ２，ｑ１〜ｑ２，ｒ１〜ｒ２の間の強度を検出すると、図１１中の点で示される強度変化を得ることができる。各結晶面で測定できる波長範囲は、面間隔等によって異なる。この各結晶面の測定波長範囲を調整することによって、全測定波長範囲をカバーすることができる。測定波長範囲の調整は、結晶面の面間隔ｄや入射角の変化幅Δθの選択によって行うことができる。図１１の例では、λp2＞λq1，λq2＞λr1となるように選択することによって、λp1〜λr2の全波長範囲を切れ目無く測定することができる。
【００３９】
図１２，１３は本発明のＸ線分光装置による測定結果例である。図１２は二次元検出器上で移動する分光Ｘ線の軌跡を示し、図１３は各軌跡上における分光Ｘ線の強度を波長を横軸にとって示している。図１３（ａ）は、図１２中のＬｉｎｅ２の軌跡で求まる強度変化であり、図１３（ｂ）は、図１２中のＬｉｎｅ１の軌跡で求まる強度変化である。図１３（ａ）と（ｂ）を組み合わせることによって、連続する波長範囲について強度分布を求めることができる。
【００４０】
なお、図１３（ａ）及び（ｂ）において、分光結晶の形状や結晶構造，また検出器の感度の波長特性や検出強度等によって各結晶面での反射強度（回折強度）が異なるため、同一波長の強度に相違が生じている。この強度の相違は、通常のデータ処理による強度スケールの補正によって補正することができる。
【００４１】
本発明のＸ線分光装置によれば、図１３に示す測定結果を短時間で得ることができ、従来のように全波長範囲内に生じる時間変化による影響を低減させることができる。なお、図１２は、シリコン結晶面の［１１１］面での反射を±５°の範囲で変化させた場合の測定結果である。
【００４２】
本発明のＸ線分析装置の第１の測定態様によれば、時間差のない波長強度分布を短時間で得ることができ、第２の測定態様によれば、所定波長範囲において強度の波長による変化を、少ない時間差で得ることができる。
【００４３】
また、測定を繰り返すことによって、Ｘ線光源から発せられる波長強度分布の変動を追跡して測定することができ、Ｘ線光源の制御や、Ｘ線光源の設計に適用することができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＸ線分析装置によれば、Ｘ線の波長強度分布を短時間で時間差の少ない測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＸ線分析装置の一構成を説明するための概略構成図である。
【図２】本発明のＸ線分析装置の他の構成を説明するための概略構成図である。
【図３】分光結晶が備える結晶面を模式的に表した図である。
【図４】結晶面による反射を模式的に表した図である。
【図５】本発明の分光結晶で分光された分光Ｘ線が二次元検出器上に入射する位置を模式的に表した図である。
【図６】本発明のＸ線分光装置による波長強度分布を説明する図である。
【図７】本発明のＸ線分光装置による測定結果例である。
【図８】本発明のＸ線分光装置によるシミュレーション値である。
【図９】結晶面による反射角の変化を模式的に表した図である
【図１０】本発明の分光結晶で分光された分光Ｘ線が二次元検出器上で移動する状態を模式的に表した図である。
【図１１】本発明のＸ線分光装置による波長強度分布を説明する図である。
【図１２】本発明のＸ線分光装置による測定結果例である。
【図１３】本発明のＸ線分光装置による測定結果例である。
【図１４】従来のＸ線分析装置の一構成例を説明するための概略構成図である。
【図１５】従来のＸ線分析で得られる波長強度分布の一例である。
【符号の説明】
１…分光結晶、２…検出器、３…角度調整機構、４…処理装置、１１…入射Ｘ線
１２…分光Ｘ線、２０…二次元検出器、２１〜２３…Ｘ線検出器。

Claims (2)

1. 分光器にＸ線を照射し、該分光器で分光される特定波長のＸ線によってＸ線分析を行うＸ線分析装置において、
   前記分光器は、一結晶中に面間隔及び方位が異なる複数の結晶面を有した分光結晶を備え、該複数の結晶面によってＸ線を同時に複数の異なる波長に分光する、Ｘ線分析装置。
2. 分光器にＸ線を照射し、該分光器で分光される特定波長のＸ線によってＸ線分析を行うＸ線分析装置において、
   一結晶中に面間隔及び方位が異なる複数の結晶面を有した分光結晶を備えた分光器と、
   Ｘ線の強度及び入射位置を検出する二次元検出器とを備え、
   複数の結晶面によってＸ線を同時に複数の異なる波長に分光し、二次元検出器によって複数の分光Ｘ線を同時に検出する、Ｘ線分析装置。

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