JP4133923B2 - ポリキャピラリレンズ - Google Patents

Description

本発明は、例えば電子線プローブ微小分析装置、走査電子顕微鏡、透過電子顕微鏡、蛍光Ｘ線分析装置などの分析装置等において、Ｘ線、中性子線等のごく短波長の放射線を集束するため又は平行化するために利用されるポリキャピラリレンズに関する。

従来より、主として試料の表面分析などを行うためにＸ線を利用した各種の分析装置がある。例えば電子線プローブ微小分析装置（ＥＰＭＡ）では、高エネルギーを有する電子線を励起線として試料に照射し、それによって試料の含有成分の内側電子が励起された際に外部に放出される固有Ｘ線を分析することにより、元素の同定や定量を行ったり、元素の分布を調べたりする。一方、蛍光Ｘ線分析装置では、一次Ｘ線を励起線として試料に照射し、それによって試料から放出される固有Ｘ線（蛍光Ｘ線）をＥＰＭＡと同様に分析する。

こうしたＸ線分析装置において、近年、Ｘ線を集光したり平行化したりするために、ポリキャピラリレンズと呼ばれるＸ線レンズが用いられている。図７、図８は例えば特許文献１、２などに記載の従来から知られているポリキャピラリレンズの概略構成図、図６はポリキャピラリレンズを構成する１本のキャピラリ２内をＸ線が通過する状態を模式的に示す図である。ポリキャピラリレンズ１は硼珪酸ガラスから成る細管（キャピラリ）を多数束ねた基本構造を有しており、その外側を被覆するように設けられた金属などから成るハウジングケース４により保持されている。図６に示すように１本のキャピラリ２の内側に入射されたＸ線は、そのガラス内壁３の内周面に当たって全反射しながら進行してゆく。こうした原理により、Ｘ線を効率良く案内することができる。

図７に示したポリキャピラリレンズ１は、殆ど点とみなし得るＸ線出射源Ｃ１から出たＸ線を入射端面で大きな立体角で以て取り込み、反対側の出射端面から出たＸ線を一点Ｃ２に集束させるものである。他方、図８に示したポリキャピラリレンズ１は、同様に入射端面の一点から出たＸ線を大きな立体角で以て取り込んだ後、出射端面から平行線光を出射する或いはその逆の経路とするものである。

図６（ａ）に示すように、キャピラリ２の内部でＸ線が全反射するためには次の(1)式を満たす臨界角（全反射臨界角）θｃよりも小さな角度で以てＸ線がガラス内壁３に入射する必要がある。
θｃ≒１．６４×１０^-3 λ√ρ …(1)
ここで、ρはキャピラリ材料の密度、λは入射Ｘ線の波長である。

図７、図８に示すポリキャピラリレンズ１では、入射端面で臨界角θｃ以下で入射し、各キャピラリ２内部で全反射したＸ線はその後、繰り返し全反射しながら出射端面へと進むが、途中でキャピラリ２の曲率半径がそれまでよりも小さな屈曲部分があると、その部分のガラス内壁３に当たったＸ線のうちの一部の入射角は臨界角θｃよりも大きくなる可能性がある。その場合、全反射しなかったＸ線はガラス内壁３に吸収されてしまうか或いは透過し、いずれにしても出射端面まで到達するＸ線の割合、つまりＸ線の有効通過率が低下してしまう。また、途中でガラス内壁３を透過したＸ線が完全には吸収されずに出射端面まで達してしまうと、そのＸ線の光路は本来のレンズの集束作用の光路とは異なるものであるため、図７における所望の集束点Ｃ２には集束せずに却って妨害線となり得る。

上記(1)式から分かるように、臨界角θｃはＸ線波長にほぼ比例するため、波長が短いほどつまりエネルギーが高いほど臨界角θｃは小さくなって、上記のようにキャピラリ２の屈曲部での吸収や透過の影響が大きくなる。そのため、図７に示す構成において出射端面外方の集束点Ｃ２を含む面Ｐ上でのエネルギー強度分布を測定すると、図９に示すように低エネルギーＸ線では集束点Ｃ２近傍への集束効率が高いのに対し、高エネルギーＸ線では集束点Ｃ２近傍への集束効率が非常に悪く、広い範囲にエネルギーが分散してしまう。

特公平７−１１６００号公報 特公平７−４００８０号公報

本発明はかかる課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、特に高いエネルギーを有するＸ線等の放射線に対しても高い通過効率を達成し、且つエネルギーの集中度合を高めて放射線を有効に利用することができるポリキャピラリレンズを提供することである。

上記課題を解決するために成された第１発明は、複数本の束ねられたキャピラリから構成され、入射端面の外方に位置する一点から発したＸ線を、各キャピラリ内で繰り返し反射させつつ出射端面まで導いて該出射端面の外方に位置する一点に集束させるポリキャピラリレンズにおいて、
各キャピラリは、その長手方向に沿った任意の２箇所における曲率半径が、等しいか又は入射端面側の箇所よりも出射端面側の箇所において大きくなるように形成されていることを特徴としている。

例えば一点又は一点とみなし得るＸ線出射源から出射したＸ線が第１発明に係るポリキャピラリレンズの入射端面を通して各キャピラリに入射すると、そのキャピラリの内壁面に臨界角以下の入射角で以て当たるＸ線が全反射されて後方へと送られる。第１発明に係るポリキャピラリレンズでは、各キャピラリの曲率半径は入射端面で最小であってそこから出射端面へ向かうに従い大きくなるか或いは少なくとも等しくなる（つまり曲率半径が入射端面側よりも出射端面側で小さくなることはない）ように形成されている。そのため、一旦、キャピラリの内壁面で全反射したＸ線は、それ以降、内壁面に当たる際に入射角がそれ以前の入射角よりも大きくなることはなく、出射端面に至るまで確実に臨界角以下の入射角となることが保証される。それによって、出射端面から出射するまで全反射が繰り返され、途中でキャピラリの内壁面に吸収されたり透過してしまったりすることがない。

また、Ｘ線出射源から出射したＸ線がポリキャピラリレンズの入射端面に入射する際には全反射条件を満たさないＸ線が存在し、こうしたＸ線はキャピラリの内壁面に吸収されたり透過したりする。しかしながら、ここは出射端面から最も遠い部位であるため、透過したＸ線が出射端面に至るまでにはキャピラリの壁面が幾層も存在し、各層でそれぞれ吸収を受けることになる。また、こうした透過したＸ線の光路は出射端面から出る本来の光路の方向とは全く異なるため、仮にキャピラリ壁面による吸収が少なかったとしても、出射端面に到達するまでに当該レンズの外周を被覆するハウジングケースに当たってしまう可能性が高い。そのため、こうした不所望のＸ線が出射端面まで到達してしまうことは殆どない。したがって、出射端面の外方におけるＸ線の広がりも抑制できる。

ところで、平行光である入射Ｘ線をポリキャピラリレンズを通して一点に集束したい場合、通常、各キャピラリの入射端部を平行に揃えて束ねることになり、この場合、入射端での各キャピラリの曲率半径は無限大である。したがって、この場合には上記第１発明に係るポリキャピラリレンズの構成を採用することはできない。そこで、このような場合には、上記課題を解決するために次のような第２発明の構成とするとよい。

すなわち、第２発明は、複数本の束ねられたキャピラリから構成されるとともに外周はハウジングケースで被覆され、入射端面の外方に位置する一点から発した又は平行線として入射するＸ線を、各キャピラリ内に通過させつつ出射端面まで導いて該出射端面の外方に位置する一点に集束させる、又は、入射端面の外方に位置する一点から発したＸ線を、各キャピラリ内に通過させつつ出射端面まで導いて平行線として出射させるポリキャピラリレンズにおいて、
各キャピラリは、その長手方向の全範囲の中で曲率半径が最小となる屈曲部を、前記入射端面と当該屈曲部との間で臨界角よりも大きな角度で内壁面に当たったことにより該内壁面で反射せずに透過したＸ線が、前記ハウジングケースの内壁に当たることが保証されるような入射端面に近い位置に有し、該屈曲部と前記出射端面との間の範囲で、その長手方向に沿った任意の２箇所における曲率半径が、等しいか又は屈曲部側の箇所よりも出射端面側の箇所において大きくなるように形成されていることを特徴としている。

上記第１発明では、入射端面のごく近傍において各キャピラリの曲率半径は最小であったが、この第２発明に係るポリキャピラリレンズでは、例えば上述したように入射端面近傍では全キャピラリを平行に束ねるために直線状にする必要がある等の制約によって、入射端面のごく近傍で曲率半径を小さくすることができない。その場合でも、曲率半径が最小となる屈曲部をできるだけ入射端面に近い位置に設け、その屈曲部から出射端面までの間では第１発明に係るポリキャピラリレンズと同様の曲率半径の条件が満たされるようにする。したがって、屈曲部を通過したＸ線が出射端面に至るまで確実に臨界角以下の入射角となることが保証される。それによって、出射端面から出射するまで全反射が繰り返され、途中でキャピラリの内壁面に吸収されたり透過してしまったりすることがない。

一方、入射端面から屈曲部に至るまでの間では臨界角以下の入射角とならない場合があり、全反射しなかったＸ線はキャピラリ壁面を透過する可能性がある。ただし、その場合であっても、上述したように透過したＸ線が出射端面に至るまでには吸収を受ける機会が多く、またハウジングケースに当たることが保証される。それによって、こうした不所望のＸ線が出射端面まで到達してしまうことがなく、出射端面の外方におけるＸ線の広がりを抑制するのに有効である。

第１及び第２発明に係るポリキャピラリレンズによれば、ＣｄＫαやＳｎＫαなどの高エネルギーを有するＸ線に対しても高い通過効率で以て出射端面まで導き、出射端面の外方の一点に集束させたり平行光線として出射することができる。したがって、このポリキャピラリレンズをＸ線分析装置等に使用することによって、高エネルギーＸ線を高い感度で分析することができるようになる。また、本来のレンズの集束作用とは異なる光路で出射端面から出て来るＸ線を低減することができるので、特に一点に集光する際にエネルギーの集中度合が高まり、高いレンズ効果を得ることができる。

以下、本発明の一実施例であるポリキャピラリレンズについて図面を参照して説明する。

図２は第１発明の一実施例によるポリキャピラリレンズの全体構成図であり、図１はそのうちの１本のキャピラリ２を示す図である。この実施例のポリキャピラリレンズは、入射端面の外方に位置する点Ｃ１から出射したＸ線を大きな立体角で取り込み、出射端面からその外方に位置する点Ｃ２にＸ線を集束させるものである。１本のキャピラリ２は例えば従来と同様の、内径が例えば数μｍ程度の円筒管形状のガラスから成るものであるが、その全体形状が従来のこの種のポリキャピラリレンズとは異なる。

すなわち、図１に示すように、外周側つまり周囲を被覆するハウジングケース４に近い位置のキャピラリ２は全体として湾曲した形状であるが、入射端面での曲率半径Ｒin、出射端面での曲率半径Ｒout、及び、入射端面と出射端面との間の任意の位置での曲率半径Ｒnの関係は次のようになっている。
Ｒin≦Ｒn≦Ｒout
また、任意の２箇所の位置での曲率半径Ｒn1、Ｒn2（但し、Ｒn1はＲn2よりも入射端面に近い）の関係は、
Ｒn1≦Ｒn2
である。すなわち、１本のキャピラリ２でみた場合、入射端面において曲率半径は最小となっており、出射端面に向かって曲率半径は必ず単調増加（少なくとも減少はしない）となっている。

キャピラリ２が上述したような形状となっているため、入射端面を通してキャピラリ２に導入され、そのガラス内壁面で１回全反射したＸ線が次にガラス内壁面に当たる際の入射角は、その直前の反射時の入射角と同一か又はその入射角よりも小さくなる。そして、全反射が何回繰り替えされる場合でも同様であり、Ｘ線が出射端面に至るまでに全ての入射角が臨界角θｃ以下になるという全反射条件が満たされる。したがって、理想的には、１回全反射したＸ線はキャピラリ２の通過途中でガラス壁面に吸収されたり透過したりすることがない。また、レンズ１を構成する全てのキャピラリ２において上記と同様の条件が満たされている。これによって、Ｘ線の通過効率は非常に高く、エネルギーはほぼ保存される。

一方、１本のキャピラリ２の入射端面には様々な向きのＸ線が入射して来るから、実際上、臨界角θｃ以下の入射角で以てガラス内壁に当たるＸ線は一部に過ぎず、他のＸ線は臨界角θｃを越えた入射角で以てガラス内壁に当たりガラス内壁に侵入する。このＸ線はガラス内壁を通過する際に吸収を受けながら透過してゆく。しかしながら、上述したようにこうした透過が生じるのは、その多くが入射端面から入って初めてガラス内壁に当たった部分であるので、入射端面に非常に近い位置である。逆に言えば、出射端面からは非常に遠い位置であり、ガラス内壁を透過したＸ線が出射端面に達するまでには多数のキャピラリ２のガラス内壁を透過する必要がある。Ｘ線はガラス内壁を透過する毎に吸収を受けて強度が減じるから、仮に出射端面までＸ線が達したとしても、多数のガラス内壁を透過することによってそのＸ線の強度は無視できる程度にまで低下している。

また、図２を見れば分かるように、入射端面近傍でキャピラリ２のガラス内壁を透過するような光路（軌跡）をとるＸ線はその多くが周囲を取り囲むハウジングケース４に接触する。金属製であるハウジングケース４はガラス内壁よりも格段に大きな吸収作用を有するから、こうした光路の点からみても入射端面近傍で透過したＸ線が出射端面まで到達し得る確率はきわめて低いと言える。したがって、実質的には、このポリキャピラリレンズ１の本来の光路である各キャピラリ２の内部を通過したＸ線のみが出射端面から出射し、点Ｃ２に集束することになる。

図３は本実施例のポリキャピラリレンズによる、集束点Ｃ２を含む面Ｐ上でのエネルギー強度分布を示す図である。この図３の横軸、縦軸は図９と同一であり、両者を比較すれば明らかなように、本実施例では、本来のレンズ効果によって、集束点Ｃ２近傍へのエネルギーの集束が非常に良好であることが分かる。特に、従来は広い範囲にエネルギーが分散してしまっていた高エネルギーＸ線も良好に集束できることが分かる。また、Ｘ線の通過効率が高まることによって、エネルギーの波高値自体も高くなり、この点でもレンズ効果が大きいことが分かる。

これに対し、入射端面に平行光線であるＸ線が入射し、これを出射端面の外方に位置する集束点Ｃ２に集束させるようなポリキャピラリレンズでは変形を要する。図５はこうした変形を加えた第２発明の一実施例によるポリキャピラリレンズ１の全体構成図である。

この構成では、略平行に入射するＸ線を効率良く取り込むために、ポリキャピラリレンズの入射端面では各キャピラリ２がほぼ完全に平行に配置されている。したがって、この入射端面でのキャピラリの曲率半径は無限大であるから、上記実施例における曲率半径の設定条件を満たすことはできない。つまり、必ずＲin＞Ｒnとなる位置が存在する。そこで、この実施例では、キャピラリ２の長手方向に沿った全範囲の中で曲率半径が最小となる屈曲部５をできるだけ入射端面に近い位置に設けるようにし、その屈曲部５と出射端面との間でのみ上記実施例における曲率半径の設定条件を満たせるようにする。すなわち、屈曲部５での曲率半径をＲminとするとともに、屈曲部５と出射端面との間での任意の２箇所の位置での曲率半径をＲn1、Ｒn2（但し、Ｒn1はＲn2よりも屈曲部５に近い）としたとき、
Ｒmin≦Ｒout
Ｒn1≦Ｒn2
が満たされるようにする。

したがって、各キャピラリ２において屈曲部５と出射端面との間では上記実施例と同じであり、Ｘ線は全反射が保証される。一方、入射端面と屈曲部５との間では、一部のＸ線の入射角が臨界角θｃ以下にならずにキャピラリ２のガラス内壁を透過する可能性がある。但し、屈曲部５を出射端面に近い位置でなく入射端面に近い位置に設けることによって、上記のように透過したＸ線は既述のように出射端面に到達するまでに多数のキャピラリのガラス内壁を透過することとなり、吸収によってエネルギーが大幅に減衰する。また、ハウジングケース４の内壁面に当たる可能性も高くなる。それによって、本来のレンズ作用の光路以外の不所望の光路を通って出射端面から出て来るＸ線は殆どなく、上記実施例とほぼ同様に高いエネルギー集束効果を得ることができる。

なお、上記実施例はいずれも本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正或いは追加を行っても本願請求項に包含されることは当然である。

第１発明の一実施例によるポリキャピラリレンズにおける１本のキャピラリを示す概略外観図。 第１発明の一実施例によるポリキャピラリレンズの全体構成図。 図２のポリキャピラリレンズのエネルギー強度分布特性を示す図。 第１発明の他の実施例によるポリキャピラリレンズの全体構成図。 第２発明の一実施例によるポリキャピラリレンズの全体構成図。 ポリキャピラリレンズにおける１本のキャピラリ内でＸ線が通過する状態を模式的に示す図。 従来のポリキャピラリレンズの構成例の全体図。 従来のポリキャピラリレンズの構成例の全体図。 図７のポリキャピラリレンズのエネルギー強度分布特性を示す図。

符号の説明

１…ポリキャピラリレンズ
２…キャピラリ
３…ガラス内壁
４…ハウジング
５…屈曲部
Ｃ１…Ｘ線出射源
Ｃ２…集束点

Claims (2)

1. 複数本の束ねられたキャピラリから構成され、入射端面の外方に位置する一点から発したＸ線を、各キャピラリ内で繰り返し反射させつつ出射端面まで導いて該出射端面の外方に位置する一点に集束させるポリキャピラリレンズにおいて、
   各キャピラリは、その長手方向に沿った任意の２箇所における曲率半径が、等しいか又は入射端面側の箇所よりも出射端面側の箇所において大きくなるように形成されていることを特徴とするポリキャピラリレンズ。
2. 複数本の束ねられたキャピラリから構成されるとともに外周はハウジングケースで被覆され、入射端面の外方に位置する一点から発した又は平行線として入射するＸ線を、各キャピラリ内に通過させつつ出射端面まで導いて該出射端面の外方に位置する一点に集束させる、又は、入射端面の外方に位置する一点から発したＸ線を、各キャピラリ内に通過させつつ出射端面まで導いて平行線として出射させるポリキャピラリレンズにおいて、
   各キャピラリは、その長手方向の全範囲の中で曲率半径が最小となる屈曲部を、前記入射端面と当該屈曲部との間で臨界角よりも大きな角度で内壁面に当たったことにより該内壁面で反射せずに透過したＸ線が、前記ハウジングケースの内壁に当たることが保証されるような入射端面に近い位置に有し、該屈曲部と前記出射端面との間の範囲で、その長手方向に沿った任意の２箇所における曲率半径が、等しいか又は屈曲部側の箇所よりも出射端面側の箇所において大きくなるように形成されていることを特徴とするポリキャピラリレンズ。

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