JP4160124B2 - 部分的に変化し、部分的に一定の曲率半径を有するアナライザ結晶を有するｘ線スペクトロメータ - Google Patents

Description

本発明は
分析される材料の試料を保持する試料保持器と、
試料保持器上の試料を照射すべきＸ線を発生させるＸ線源と、
試料により発生する蛍光放射線の波長を分析するための湾曲した反射面を有するアナライザ結晶と、
アナライザ結晶から発せられる放射線を検出する検出器と
を含むＸ線蛍光により材料の分析を行う装置に関する。
本発明はまたそのようなＸ線スペクトロメータで用いられるアナライザ結晶に関する。
この種の装置はＥｕｇｅｎｅ Ｐ．ＲｅｒｔｉのＰｌｅｎｕｍ Ｐｒｅｓｓ（ニューヨーク−ロンドン（ＩＳＢＮ ０−３０６−３０８０９−６））から出版されている、”Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｆ Ｘ−Ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ”第二版、５．５章、特に５．５．３．１から５．５．３．３、から知られている。
一般的に、Ｘ線（蛍光放射線）はＸ線スペクトロメータで分析される試料で発生し；この放射線は元素及び試料に存在する化学結合を特徴づける。蛍光放射線は通常Ｘ線管であるＸ線源からのＸ線により試料で励起される。試料で励起された蛍光放射線は試料の構成物を特徴づける所定の強度分布を有するスペクトルに存在する波長の多少幅の広いスペクトルを有する。
Ｘ線スペクトロメータのユーザーは一波長の強度、即ち一つの「スペクトルライン」又は相互に近くに存在する多数の波長のみを問題にする場合がある。この状況は所定の化学元素の量が分析される試料で決定されるときに発生する。
斯くして蛍光放射線の強度は一波長又は相互に近くに位置する数波長に対して見いだされる故に蛍光放射線は波長により分析、即ち強度分析されなければならない。これは蛍光放射線をアナライザ結晶に案内することにより達成される。この分析はよく知られているＢｒａｇｇ（ブラッグ）の関係式に基づく：２ｄ・ｓｉｎθ＝ｎλ、ここでｄはアナライザ結晶のＸ線反射結晶面間の距離であり、θはアナライザ結晶で分析される放射線の入射の角度であり、λは反射された放射線の波長であり、ｎは整数である。アナライザ結晶の格子面に関して所定の角度θで入射し、再び同一の角度で反射する放射線の強度の測定はこの強度を有する波長であることがわかる。問題の波長の強度は慣用の検出器により測定される。
本文で、「アナライザ結晶」という用語は実際の結晶のみならず、それ自体知られているＸ線用の多層鏡も含む。そのような鏡は例えば２ｎｍのような比較的少ない厚さの異なる層の堆積からなる。そのような鏡はまた実質的に常に格子定数、故に反射結晶面に関連する距離を有し、これはそのような長波長Ｘ線の反射に対し小さすぎる。反射に関する波長の制限は上記のブラッグの関係式によりまた明らかである。
適切な解像度及び感度及び適切な測定精度を達成するためにＸ線スペクトロメータはいわゆる合焦光学系と呼ばれるものを設けられ、これはこの脈絡では分析される放射線源（即ち調査される試料又はそれに先立つビーム路に配置された入射スリット）はアナライザ結晶によりＸ線検出器（又はそれに先立つビーム路に配置される出射スリット）で画像化される。この画像化効果は湾曲面を有するようにアナライザ結晶を構成することにより得られ、それによりアナライザ結晶はアナライザ機能のみならず、画像化機能も有する。合焦条件がなお満たされていることを確実にするためにアナライザ結晶及び検出器（又は出射スリット）と同様に試料（又は入射スリット）はθの全値を連続的に通過する間にいわゆるＲｏｗｌａｎｄ（ローランド）の円である与えられた円になお位置しなければならず、Ｒｏｗｌａｎｄの円の直径はアナライザ結晶の曲率半径により決定される。アナライザ結晶の曲率はＲｏｗｌａｎｄ円に対する結晶の接点の領域での曲率はこの円の直径に等しくなければならない。
Ｂｅｒｔｉｎによる上記の本は対数螺旋の従来のアナライザ結晶の形を含む種々の形及び種々の湾曲のアナライザ結晶を記載している。そのような対数螺旋（ｌｏｇａｒｉｔｈｍｉｃ ｓｐｉｒａｌ）アナライザ結晶は種々の利点及び種々の欠点を有する。上記のローランドの構成の場合のように平行でないビーム、即ち一点から発生する、又は一点から発生するように見えるビームに曝される場合にはアナライザ結晶のこの型で該ブラッグの関係式はアナライザ結晶の全面にわたり満足されることは対数螺旋アナライザの利点である。これは結晶の全面が分析されるＸ線の強度に寄与し、それにより高い信号対ノイズ比が測定のために得られる。更にまた各面要素が原理的には同一の正確なブラッグの角度で照射される故にアナライザ結晶のこの型は適切な波長選択性を有する。
対数螺旋アナライザ結晶の欠点は：
１） この種のアナライザ結晶の曲率半径は結晶面にわたり一定ではない故にローランドの幾何配置により説明した曲率半径より実質的に小さな曲率半径を有する配置が存在する。故に適切な寸法に結晶を製造することはしばしば困難である。何故ならば曲率半径は非常に小さくなるため、結晶（歪んでない長方形の薄い板の形を有する）は所望の対数螺旋形を得るために曲げている間に破壊されるからである。
２） 対数螺旋結晶は分析される放射線源の点（即ち分析される試料又はその前のビーム路に配置される入射スリット）を同じ寸法及び曲率半径を有するアナライザ結晶のそれよりも大きい画像化誤差を有してＸ線検出器（又はその前のビーム路に配置された出射スリット）上に画像化する。従って入射スリットはその実際の幅より（顕著に）大きい幅を有して画像化される。故に出射スリットは入射スリットの幅に対応した値より幅広くなければならない。
Ｘ線スペクトロメータは検出器の放射線の高強度と同様に高波長分解能を達成することを目的とする。高分解能は検査される試料の組成に関する高度な信頼性を可能にする。検出器の放射線の高強度は試料の組成を決定するために必要な測定時間が短くてすむことを確実にする。これは実際に非常に重要なことである。何故ならばある種の試料では測定時間は一時間半のオーダーにのぼるからである。単位時間当たり検査される試料の数は特に産業的な環境では重要な特徴である。２つの上記の要求はその意味では矛盾するものである。何故ならば適切な分解能の場合は放射線の小さな部分のみが検出され、それにより低強度のみが残る。故に試料からの放射線の損失が検出器への入射スリットから、その途上で最小化することを確実にすることが非常に重要である。これは可能な限り多くの放射線がアナライザ結晶に入射し、望ましい高強度に貢献することを確保することにより達成される。
本発明の目的はアナライザ結晶により反射された放射線の量が最適な蛍光放射線による試料の検査用の上記の種類の装置を提供することにある。
これを達成するために本発明によるＸ線蛍光装置はアナライザ結晶はその結晶の位置に依存する曲率半径の一方向に湾曲した反射面を有する第一の部分と、同じ方向に一定の曲率半径で湾曲する反射面を有する第二の部分との２つの部分を有することを特徴とする。
アナライザ結晶の第一の部分に対して一面が曲げられている結晶材料の細長い薄い板が用いられ、即ち面は結晶面の表面に垂直にされることが想定され、この仮想面と結晶面の交線は細長い結晶の板の長手方向にある。それから結晶の板は（最初に真っ直ぐな）交線は湾曲したラインになるように曲げられる。交線に垂直に延在する結晶面の直線はなお直線のままである。斯くして反射面は、交線が円を形成するように曲げられていない場合には一定ではなく、結晶の位置に依存した曲率半径で一の面において湾曲される。ある理由で一定ではない曲率半径を有する結晶面が作られることになった場合には該表面の一部分で発生した状況が特にローランドの幾何配置により記載された曲率より小さくなるように他の部分の曲率より小さい曲率を有することが必要である。
この目的が検出器の放射線の高強度に対するものである故にアナライザ結晶を入射スリットに可能な限り近くに配置することが試みられ、これは可能な限り小さいローランド円の幾何配置に対して得られることが好ましい。従ってアナライザ結晶は小さな曲率半径を有さなければならず、これは所望の曲率半径を達成するための目的でそれを変形する間に結晶の板の破裂を引き起こすおそれが生ずる。アナライザ結晶の第一の部分は結晶の板の破裂に達しない曲率半径を選択しうる。それにもかかわらず可能な限り大きな結晶面を得るためにアナライザ結晶は一定の曲率半径を有する部分と連続にされうる。
アナライザ結晶の他の部分に対して該面がまた曲げられている結晶材料の同じ細長い薄い板が用いられる。該部分に対する交線が円を形成するように曲げられる場合にその曲率半径は該面で一定である。
一定の曲率半径を有する結晶部分は角度偏差（即ち、結晶の縁付近に入射するビームは中心に入射するビームのそれより大きい角度で入射することにより発生する入射角の偏差）を示すがこれらの角度偏差は無視することができ、他のより大きな偏差と比べて所定の（非常に小さくはない）制限された値より小さくすることができる。そのような大きな偏差が上記のような多層鏡がアナライザ結晶用に選択されたときに特に発生する。ブラッグの関係式により反射された波長がうまく決定されない波長ではなく、該波長（２°のオーダーの角度範囲に対応する幅を有する）の周辺の比較的広い（自然の結晶と比べて）範囲はまた反射される。この範囲は結晶の「ロッキング幅（ｒｏｃｋｉｎｇ ｗｉｄｔｈ）」として知られている。故に多層鏡が一定ではない曲率半径を有する部分に対して選択される場合にはこの部分は既に反射される波長で与えられた広がりを示している。この減少は上記の角度偏差と同じ影響を有する。故に一定の曲率半径により引き起こされた角度偏差が結晶全体のロッキング幅と比べて無視し得るほど小さい場合に利得は角度偏差の増加なしに結晶の寸法に関して得られる。本発明はこの事実の認識に基づく。
本発明の実施例の第一の部分は対数螺旋の形で湾曲された反射面を有する。
この段階の結果として角度偏差が実際的な目的全体でゼロに等しい対数螺旋の形で結晶の特性により作られ、それにより結晶のこの部分による角度偏差への寄与は最小限に小さくなり、特定の環境で結晶材料のロッキング幅により専ら決定される。
本発明の更なる実施例で第一の部分の両端で一定の曲率半径で湾曲された反射面を有する部分が提供される。
小さな曲率半径による破裂の危険は一定ではない部分の曲率半径を有する最小限湾曲された側で実際的に存在しないにもかかわらず、円筒形部分はまたその側に設けられる。製造は斯くしてある場合には簡単化される。
本発明は以下に対応する符号は対応する要素を示す図を参照して詳細に説明される。
図１は本発明に適切なＸ線スペクトロメータの一部分の部分断面図である。
図２はローランド幾何配置でのビーム路を示す図である。
図３は本発明による湾曲されたアナライザ結晶の概略図である。
図１は本発明に適切なＸ線スペクトロメータの一部分の部分断面図である。Ｘ線スペクトロメータはＸ線ビーム１０を発生するＸ線管２を含む。ビーム１０はＸ線スペクトロメータにより分析される材料の試料４を照射し、試料は試料を収容する試料配置に配置される。本発明に対してＸ線蛍光放射線がＸ線管から出射するＸ線により試料で発生されることは問題ではない。例えばＸ線が試料内で発生されるように電子により試料を照射することもまた可能である。
試料４は別の試料室８の試料保持器６に配置される。試料でＸ線蛍光放射線は図で実線で示されるように全方向に伝搬するように発生する。蛍光放射線は入射スリット１４に到達し、それによりこの入射スリットは図２を参照して記載されるローランド幾何配置で画像化される対象１６の関数をなす。明確に示すためにスリット１４の幅は図にスケールに沿って示されておらず；実際の環境ではスリット１４の幅は応用例に依存して数十ミクロンから数ミリメートルのオーダーである。入射スリット１４を離れた後に蛍光放射線１８のビームは湾曲された面２９を有するアナライザ結晶２８に入射する。表面の形状は図３に詳細に記載される。この点でアナライザ結晶２８の表面２９は円筒形を有し、即ち図面の平面と結晶面の交線は曲線となるが（即ち図のライン２９であるが）結晶面と図面の平面に垂直な面（例えば図の面に垂直で、またライン２９に垂直な面）との交線は直線である。この配置でアナライザ結晶は二重の関数（ｄｕａｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を有する；それは該ブラッグの関係式（２ｄ・ｓｉｎθ＝ｎλ）に基づき蛍光放射線のビームから入射角θにより決定される所望の波長を選択し、それは画像点（ｉｍａｇｅ ｐｏｉｎｔ）２４で明確な対象点（ｏｂｊｅｃｔ ｐｏｉｎｔ）１６から発生するビームを合焦する。この画像点はＸ線検出器２０用の入射コリメータからなる出射スリット２６上に画像化される。斯くして反射されたＸ線は検出器２０に入射窓２２を介して入射され、ここでそれらは電子的手段（図示せず）により更なる信号処理がなされた後に検出される。
アナライザ結晶２８は図示されていない保持器に配置され、図の面で２つの方向に変位可能（矢印３で示されるように）であり、図の面に垂直に延在する軸３２に関して回転可能である。変位のこれらの可能性の結果としてアナライザ結晶は正確に決定された向き及び位置を有するよう調整されうる。
Ｘ線管２から検出器２０へのビーム路は密封され、所望ならば脱気され、測定に適切なガスを満たされた測定空間に延在する。
図２はローランド幾何配置でのビーム路を示す。入射スリット１４は画像化ローランド幾何配置に対して画像化された対象（ｏｂｊｅｃｔ）１６の関数をなす。ここで対象１６は中心Ｍを有するローランド円３４に配置される。アナライザ結晶２８は面２９が接平面３１の点で円２４と接するように配置される。出射スリット２４はまた円３４に配置される。入射スリット１４と出射スリット２４は接平面３１の点に関して対象に配置される。対象点１６から出射される光線（レイ）はアナライザ結晶２８に入射される。ビーム３６の中心のレイは角度θで入射される。円形が結晶面２９に対して選択されたときにビーム３６のＸ線はΔθが角度偏差している結晶面に関して角度θ＋Δθに含まれる。結晶面を構成する円の半径はローランド幾何配置に従ってローランド円３４の直径に等しい。円３４上の接平面３１の点に対向する点Ａは結晶面２９の中心を構成する。しかしながら該角度偏差は対数螺旋の形が結晶面２９に対して選択される場合にゼロに等しい。結晶面２９で反射された後に反射されたビーム３８は画像点２４で合焦され、また円３４上に配置され、出射スリット２４に入射する。
図３は本発明によるアナライザ結晶２８の湾曲面２９を示す。そのような結晶は所望の結晶材料（自然結晶の場合）又は製造された多層鏡から板を形成することにより製造される。モールドは結晶面により適合された所望の湾曲された形を有する内面を有するよう作られる。該内面の形は例えば数値制御旋盤により旋盤加工された知られた製造技術により実現可能である。どのような所望な形状も適切に近似されうる。従って結晶材料の板はモールド内で湾曲された内面に対して押圧され、それにより板は弾力的に変形され、内面の形に適合される。結晶は例えば糊付けによりこの状態で配置されるよう固定される。
表面２９は３つの部分に分割される：結晶状の配置に依存する曲率半径即ち対する螺旋形を有する湾曲された第一の部分４０と；一定の曲率半径４４、つまり円形に湾曲された第二の部分４０と；一定の曲率半径４８、つまりこれもまた円形に湾曲された第二の部分４６とである。破線５０は対数螺旋の続きを示し、それはこの部分５０の曲率半径はこのラインに沿って連続的に減少し、即ちそれは徐々に大きな曲率を有することが明らかである。この徐々に大きくなる曲率は円形部分４２を設けることにより回避される。明確に示すために図３は実際の形を概略に表しただけであり、実際には表面４０、４２、４６の曲率は実質的により少ない。

Claims (6)

1. 分析される材料の試料を保持する試料保持器、
   前記試料保持器上の試料を照射すべきＸ線を発生させるＸ線源、
   前記試料保持器上の試料により発生する蛍光放射線の波長を分析するための湾曲した反射面を有するアナライザ結晶、及び
   前記アナライザ結晶から発せられる放射線を検出する検出器、
   を有する、蛍光放射線により材料の分析を行う装置であって、
   前記アナライザ結晶は少なくとも第１部分及び第２部分を有し、
   前記第１部分の反射面と第２部分の反射面は、同一方向に湾曲し、
   前記第１部分の反射面の曲率半径は、前記第１部分の反射面上の位置に依存して変化し、
   前記第２部分の反射面の曲率半径は一定である、
   ことを特徴とする装置。
2. 前記第１部分は対数螺旋の形で湾曲した反射面を有する、請求項１記載の装置。
3. 前記第２部分は前記第１部分の２つの端のそれぞれで設けられ、
   前記第２部分は一定の曲率半径で湾曲した反射面を有する、
   請求項１記載の装置。
4. 少なくとも第１部分及び第２部分を有する、蛍光放射線の波長を分析するための湾曲した反射面を有するアナライザ結晶であって、
   前記第１部分の反射面と第２部分の反射面は、同一方向に湾曲し、
   前記第１部分の反射面の曲率半径は、前記第１部分の反射面上の位置に依存して変化し、
   前記第２部分の反射面の曲率半径は一定である、
   ことを特徴とするアナライザ結晶。
5. 前記第１部分は対数螺旋として湾曲した反射面を有する、請求項４記載のアナライザ結晶。
6. 前記第２部分は前記第１部分の２つの端のそれぞれで設けられ、
   前記第２部分は一定の曲率半径で湾曲した反射面を有する、
   請求項４記載のアナライザ結晶。

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