JP4706554B2

JP4706554B2 - Ｘ線分光装置

Info

Publication number: JP4706554B2
Application number: JP2006135908A
Authority: JP
Inventors: 啓義副島; 茂宏三田村
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2006-05-16
Filing date: 2006-05-16
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2026-05-16
Also published as: JP2007309649A

Description

本発明はＸ線分光装置に関し、更に詳しくは、電子線プローブ微小分析装置（ＥＰＭＡ）や走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過電子顕微鏡、蛍光Ｘ線分析装置等、試料上の微小領域の分析を行うのに好適なＸ線分光装置に関する。

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微小径の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。

この種のＸ線分析装置では、試料面上のほぼ一点とみなせる微小領域から放出される固有Ｘ線を効率良く分光するため、従来、図６に示すような構成が広く利用されている（例えば特許文献１など参照）。即ち、試料２上で電子線１が照射される微小領域３とヨハンソン型の湾曲分光結晶４とＸ線検出器７とを同一基準面（図の紙面）上のローランド円５上に配置し、例えば試料２上の微小領域３（つまりは湾曲分光結晶４の入射側焦点Ｆ１）を固定点として、湾曲分光結晶４及びＸ線検出器（及びスリット６）７をリンク機構等の図示しない移動手段によってローランド円５に沿って移動させる。この湾曲分光結晶４及びＸ線検出器７の位置によって分光波長が決まるから、それらの移動によって検出対象のＸ線の波長走査を行うことができる。

上述のように湾曲分光結晶を用いたＸ線分光装置（以下「湾曲型分光装置」という）は専ら電子線プローブ微小分析装置に利用されているが、その波長分解能の高さなどの特徴から、電子線以外のイオンビーム、中性粒子線などを励起線とする各種Ｘ線分析装置、走査電子顕微鏡や蛍光Ｘ線分析装置などのＸ線分析装置にも上記構成の湾曲型分光装置を利用したいという要望は強い。ところが、湾曲分光結晶の焦点位置はその回折面の曲率により決まり、しかもその焦点Ｆ１の位置に精度よくＸ線源（図６の例では試料２上の微小領域３）を位置合わせする必要があるため、Ｘ線源の位置に対して湾曲型分光装置を配置すべき位置は殆ど一義的に決まってしまい配置の自由度は殆どない。一方で、湾曲型分光装置は波長走査を行うために大掛かりな移動機構を備えるため、Ｘ線源の周囲に大きなスペースがないと設置が困難であるが、走査電子顕微鏡などのＸ線分析装置ではＸ線源の周囲に各種の部材が配置されていることが多く、上述したような湾曲型分光装置を配置するスペースを確保するのが難しい。こうしたことから、走査電子顕微鏡などの一般的な従来構成のＸ線分析装置に湾曲型分光装置を組み合わせた分析を行うことは困難であった。また、一般的な従来構成のＸ線分析装置に湾曲型分光装置を組み合わせる場合には、試料２上の微小領域３に焦点Ｆ１を合わせることができないために、利用できるＸ線量が少なく、感度の高い分析ができなかった。

また、上記構成の湾曲型分光装置は基本的に１つの波長のＸ線のみを取り出す分光装置であり、多元素分析を行うには波長走査を行う必要がある。しかしながら、こうしたシーケンシャルな分析では多元素を分析する時間がそれぞれ異なるため精度が問題となる場合があるのみならず、測定に時間が掛かる。そのため、マルチチャンネル型の多波長同時分析の要求が高いが、上述したように湾曲Ｘ線分光装置はそのサイズが大きいため、多数の湾曲型分光装置を試料上の電子線照射位置を取り囲むように配置することは難しく、従来、せいぜい５〜７チャンネルの同時分析が限界であった。

特開平９−２３６６９７号公報

本発明は上記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、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）など、分析対象のＸ線を放出する領域に近づけることが難しいような条件の下でも湾曲分光結晶を利用した高波長分解能の分析を行うことを可能としたＸ線分光装置を提供することである。また、本発明の他の目的とするところは、従来よりも格段にチャンネル数を増やしたマルチチャンネル多元素同時分析が行えるＸ線分光装置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本発明は、試料に照射された励起線に応じて該試料上の微小領域から放出されたＸ線を波長分散させて特定波長のＸ線を検出器に導入するためのＸ線分光装置であって、
入射側焦点から拡がりつつ到来するＸ線を波長分散させ、その中の特定波長のＸ線を所定の出射側焦点に集束させる湾曲形状の回折面を有する湾曲分光結晶と、
試料と前記湾曲分光結晶との間に配置され、多数の束ねられたＸ線案内用の細管から成り両方の端面がその外方において焦点を有するように端部が絞られた形状の細管集合体と、
を備え、前記細管集合体の入射側焦点が前記試料上の微小領域に位置合わせされ、前記細管集合体の出射側焦点と前記湾曲分光結晶の入射側焦点の位置とが合うように配置され、且つ該細管集合体の出射側焦点と該湾曲分光結晶の回折面と前記Ｘ線検出器とが同一のローランド円上に配置されてなることを特徴としている。

なお、一般的にはその集束性能などの限界などから、細管集合体の出射側焦点は湾曲分光結晶の入射側焦点のサイズよりも大きくなるので、湾曲分光結晶の入射側焦点が細管集合体の出射側焦点の中に含まれるように細管集合体と湾曲分光結晶との相対位置が定められる。

本発明に係るＸ線分光装置では、励起線による励起作用によって試料上の微小領域から放出されたＸ線は、細管集合体の入射端面において大きな立体角で以て各細管内に効率良く取り込まれ、各細管内を案内されて出射端面から出てほぼ１点（出射側焦点）に集光される。この出射側焦点は湾曲分光結晶にとっては入射側焦点となっているから、該焦点で一旦集束されて進行するに伴い拡がるＸ線は湾曲分光結晶に効率良く導入され、その回折面で反射しつつ波長分散されて、特定波長を有するＸ線が出射側焦点に集束するように進む。そして、その特定波長を有するＸ線が選択的にＸ線検出器に入射する。

なお、湾曲分光結晶の入射側焦点、湾曲分光結晶の回折面、及びＸ線検出器が同一ローランド円上に配置される構成では、従来のヨハンソン型Ｘ線分光器と同様に、例えば湾曲分光結晶の入射側焦点の位置を固定して湾曲分光結晶とＸ線検出器とをローランド円に沿って移動させることで、検出するＸ線の波長走査を行うことができる。

本発明に係るＸ線分光装置の構成によれば、細管集合体の長さは任意にすることができ、また直線状に延伸させるだけでなく適度に屈曲させてもよい。これにより、試料の近傍には細管集合体の入射側端部のみを配置すればよく、湾曲分光結晶、Ｘ線検出器、及び波長走査のためにこれらを移動させる移動機構などは励起線が照射される試料近傍から離れた位置に置くことができる。したがって、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）等、従来は湾曲分光結晶を用いることが困難であったＸ線分析装置に湾曲分光結晶を用いて、高い波長分解能で以て高精度の分析が可能となる。また、試料から放出されたＸ線を効率良く湾曲分光結晶に導入することができるので、高い分析感度を達成することができる。

また、試料の近傍には細管集合体の入射側端部のみを配置すればよく、そのサイズは小さいので、多数の細管集合体を試料上の微小領域を取り囲むように密接して配置することも可能である。即ち、上記本発明に係るＸ線分光装置を１つの試料上の微小領域に対して複数設け、各Ｘ線分光装置においてそれぞれ異なる波長のＸ線を取り出して別々のＸ線検出器に導入するような構成が可能となる。それにより、従来よりも格段にチャンネル数を増加させたマルチチャンネル対応のＸ線分光装置を実現することができ、一般的に要求が多い１２チャンネル以上の多元素同時分析が可能となる。

本発明に係るＸ線分光装置を用いたＸ線分析装置の一実施例であるＥＰＭＡについて図１〜図３を参照して説明する。図１は本実施例のＥＰＭＡの概略構成図、図２は図１中のマルチキャピラリＸ線レンズの概略構成図、図３はマルチキャピラリＸ線レンズにおけるＸ線の伝達の原理を説明するための図である。なお、既に説明した図６中に記載の構成要素と同一の構成要素については同一符号を付している。

この実施例によるＥＰＭＡは、図６で説明した従来の構成のＥＰＭＡの湾曲型Ｘ線分光装置と同様に、湾曲分光結晶４の入射側焦点Ｆ１、湾曲分光結晶４、Ｘ線検出器７（厳密には湾曲分光結晶４の出射側焦点Ｆ２）がローランド円５上に乗っているが、入射側焦点Ｆ１の位置には試料２は存在していない。試料２はこのローランド円５から離れた位置に配置されており、試料２と焦点Ｆ１との間にはマルチキャピラリＸ線レンズ１０が介挿されている。

図２に示すように、このマルチキャピラリＸ線レンズ１０は内径が２〜十数μｍ程度の微小径の硼珪酸ガラスから成る細管（キャピラリ）を多数（数百〜１００万本程度）束ねた基本構造を有している。そして、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、１本のキャピラリ１０ａの内側では該キャピラリ１０ａが直線状に伸びた状態でも屈曲した状態でも、入射されたＸ線はそのガラス壁の内周面を臨界角以下の角度で以て全反射しながら進行してゆく。これによりＸ線は入射端面から出射端面まで効率良く案内される。

マルチキャピラリＸ線レンズ１０は、入射側端部１１及び出射側端部１２ともに各キャピラリが全体の中心軸Ｃの方向に絞られた形状をしており、これによって入射端面では外方に焦点Ｆ３を有し、反対側の出射端面では外方に焦点Ｆ４を有する。即ち、点／点型の構成である。

図１に示すように、マルチキャピラリＸ線レンズ１０は、その入射端面側の焦点Ｆ３が試料２上の微小領域３に合致するように配置され、且つ出射端面側の焦点Ｆ４が湾曲分光結晶４の入射側焦点Ｆ１に合致する位置まで延伸されている。したがって、殆ど点とみなし得る試料２上の微小領域３から出たＸ線を入射側端面で大きな立体角で以て取り込み、その途中で殆ど損失することなく案内し、そして出射側端面から湾曲分光結晶４の入射側焦点Ｆ１に向かって収束するように出射することができる。但し、一般的には製造上の限界や集光の原理的な限界などによりマルチキャピラリＸ線レンズの焦点のサイズはあまり小さくすることができない（せいぜい２０〜３０μｍ程度）のに対し、湾曲分光結晶の焦点のサイズはこれよりも小さい。したがって、相対的に大きなサイズの焦点Ｆ４が相対的に小さなサイズの焦点Ｆ１を含むようにマルチキャピラリＸ線レンズ１０の位置決めをすればよい。

上記構成のＥＰＭＡの動作を説明する。図示しない電子銃から出射された電子線１は図示しない対物レンズ等によりごく小径に絞られて試料２に照射され、その照射領域である微小領域３からは電子線により励起された固有Ｘ線が放出される。この固有Ｘ線は上述したようにマルチキャピラリＸ線レンズ１０により大きな立体角で以て効率良く収集され、離れた位置まで導かれて湾曲分光結晶４の入射側焦点Ｆ１に向かって収束するように出射される。このＸ線は入射側焦点Ｆ１から拡がるように湾曲分光結晶４の回折面に向かって進むから、その多くがこの回折面に当たり、反射されるとともに波長分散される。

光軸のみを考えると、湾曲分光結晶４では異なる波長のＸ線は異なる方向に出射するから、ローランド円５上の焦点Ｆ２には特定の波長のＸ線が集光し、スリット６を通過してＸ線検出器７に到達する。即ち、試料２上の微小領域３から放出されたＸ線のうちの特定波長のＸ線の一部が選択的にＸ線検出器８に到達して検出される。異なる波長のＸ線を検出する場合には、例えば湾曲分光結晶の入射側焦点Ｆ１（つまりマルチキャピラリＸ線レンズ１０の出射側焦点Ｆ４）を固定点として、湾曲分光結晶４及びＸ線検出器７（もちろんスリット７も一体に）をそれぞれローランド円５に沿って移動させればよい。

なお、図１の構成では、焦点Ｆ１（Ｆ４）の位置にアパーチャ１３を設けているが、これは省略することもできる。

上記実施例の構成によれば、湾曲分光結晶４、Ｘ線検出器７及びそれらを移動させる機構を試料２から離れた位置に設けることができ、試料２の近傍にはマルチキャピラリＸ線レンズ１０の入射側端部１１が位置するだけである。したがって、例えば電子線１の照射系の部材やそのほかの各種部材が配置されているために試料２近傍に湾曲分光結晶４を配置することが難しい場合でも、感度を犠牲にすることなく、十分スペースが確保できる位置に湾曲分光結晶４を離して設置することができる。

次に本発明の他の実施例によるＸ線分光装置を備えるＥＰＭＡについて図４、図５を参照して説明する。図４はこの実施例のＥＰＭＡの概略側面構成図、図５は概略上面図である。なお、既に説明した図１に記載の構成要素と同一の構成要素については同一符号にａ又はｂを追加した符号を付している。

図５において、符号２０で示す構成要素は、図４において、マルチキャピラリＸ線レンズ１０ａ又は１０ｂ、アパーチャ１３ａ又は１３ｂ、湾曲分光結晶４ａ又は４ｂ、ローランド円５ａ又は５ｂ、スリット６ａ又は６ｂ、Ｘ線検出器７ａ又は７ｂを含む湾曲型分光装置である。即ち、この実施例では、試料２上の微小領域３を取り囲むように、１２個の湾曲型分光装置２０がほぼ等角度間隔で配置されている。このように多数の湾曲型分光装置２０を配置することは、試料２の近傍にマルチキャピラリＸ線レンズの入射側端部のみを配置すればよいために実現可能となっている。但し、各湾曲型分光装置２０で検出されるＸ線の波長がそれぞれ異なるように、湾曲分光結晶４とＸ線検出器７との位置が調整されている。

各湾曲型分光装置２０の動作は上述した通りであるが、それぞれのＸ線検出器で検出されるＸ線の波長が異なっているため、同時に複数（この例では１２個）のチャンネルの分析が可能である。即ち、多元素同時分析が可能である。もちろん、この例で示した１２チャンネルよりも多くの数の各湾曲型分光装置２０を配置することも可能である。また、マルチキャピラリＸ線レンズの焦点はその焦点深度が深いことが特徴である。そのため、試料２の高さ（Ｘ線レンズまでの離間距離）をそれほど厳密に定めなくても、Ｘ線を効率よく収集することができる。それにより、試料高さを調整する機構がラフで済み、この機構のコストダウンを図ることができる。

なお、上記実施例はいずれも本発明の一例であるから、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正又は追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。

本発明の一実施例であるＸ線分光装置を用いたＥＰＭＡの概略構成図。図１中のマルチキャピラリＸ線レンズの概略構成図。マルチキャピラリＸ線レンズにおけるＸ線の伝達の原理を説明するための図。本発明の他の実施例であるＸ線分光装置を用いたＥＰＭＡの概略構成図。図４のＥＰＭＡの概略上面図。従来の湾曲型分光装置を用いたＥＰＭＡの概略構成図。

符号の説明

１…電子線
２…試料
３…微小領域
４…湾曲分光結晶
５…ローランド円
６…スリット
７…Ｘ線検出器
１０…マルチキャピラリＸ線レンズ
１１…入射側端部
１２…出射側端部

Claims

試料に照射された励起線に応じて該試料上の微小領域から放出されたＸ線を波長分散させて特定波長のＸ線を検出器に導入するためのＸ線分光装置であって、
入射側焦点から拡がりつつ到来するＸ線を波長分散させ、その中の特定波長のＸ線を所定の出射側焦点に集束させる湾曲形状の回折面を有する湾曲分光結晶と、
試料と前記湾曲分光結晶との間に配置され、多数の束ねられたＸ線案内用の細管から成り両方の端面がその外方において焦点を有するように端部が絞られた形状の細管集合体と、
を備え、前記細管集合体の入射側焦点が前記試料上の微小領域に位置合わせされ、前記細管集合体の出射側焦点と前記湾曲分光結晶の入射側焦点の位置とが合うように配置され、且つ該細管集合体の出射側焦点と該湾曲分光結晶の回折面と前記Ｘ線検出器とが同一のローランド円上に配置されてなることを特徴とするＸ線分光装置。
請求項１に記載のＸ線分光装置を１つの試料上の微小領域に対して複数設け、各Ｘ線分光装置においてそれぞれ異なる波長のＸ線を取り出して別々の検出器に導入するようにしたマルチチャンネル対応のＸ線分光装置。