JP4861284B2

JP4861284B2 - Ｘ線回折装置およびｘ線回折方法

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Publication number: JP4861284B2
Application number: JP2007253425A
Authority: JP
Inventors: 秀穂虎谷
Original assignee: Rigaku Corp
Current assignee: Rigaku Corp
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2027-09-28
Also published as: JP2009085669A

Description

本発明は、平行ビーム法を用いたＸ線回折装置およびＸ線回折方法に関するものである。

粉末試料、薄膜試料や多結晶体試料の粉末Ｘ線回折法において、平行ビーム法を用いるときは、角度分解能を向上させるために、回折ビーム側の光学系（受光光学系）にアナライザを挿入する必要がある。このアナライザとしては、Ｘ線開口角の狭い長い平行スリットと、アナライザ結晶が知られている。長い平行スリットを用いると、Ｘ線の強度はそれほど低下しないが、角度分解能が劣る。一方、アナライザ結晶は角度分解能が優れているが、Ｘ線の強度が著しく低下する。したがって、平行ビーム法において、角度分解能が優れていて、かつ、Ｘ線強度の低下も少ないようなアナライザが望まれている。

アナライザ結晶を用いて、かつ、全体として放射線強度の低下を防ぐ工夫として、次の非特許文献１と非特許文献２に開示された技術が知られている。
Journal of Synchrotron Radiation (1996), 3, 75-83 Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology, 109, 133-142 (2004)

非特許文献１は、シンクロトロン放射光を用いた粉末回折法において、試料の周りに複数（例えば６個）のＸ線検出器（シンチレーションカウンタ）を配置している。そして、試料とそれぞれのＸ線検出器のあいだに、Ｇｅ（１１１）の平板からなるアナライザ結晶を挿入している。このように複数のＸ線検出器を用いることで、単一のＸ線検出器を用いる場合と比較して、所定の角度範囲の回折パターンを短時間で測定することができる。したがって、装置全体としてみれば、アナライザ結晶を用いたことによるＸ線強度の低下を防いでいる。

非特許文献２も、非特許文献１と同様に、粉末回折法において、試料の周りに複数（例えば９個）のアナライザ結晶と、それと同数のＸ線検出器（シンチレーションカウンタ）を配置している。

ところで、本発明は、平行ビーム法のＸ線回折装置において等角螺旋（対数螺旋）の形状の反射面を備えるミラーに関係しているが、集中ビーム法のＸ線回折装置においては、等角螺旋の反射面形状のミラー（分光結晶）を用いることが次の特許文献１、特許文献２および特許文献３に開示されている。
特開平６−８２３９８号公報特開平７−６３８９７号公報特開平７−７２２９８号公報

特許文献１に開示されている分光結晶は、その反射面の形状がログ・スパイラル（対数螺旋）である。この分光結晶は人工多層膜格子からなっていて、反射面におけるＸ線源から遠い点ほど格子面間隔の周期が大きくなっている。特許文献２の第２実施例のＸ線分光器は、複数の平板状の分光素子の組み合わせからなり、各分光素子は、その反射点がログ・スパイラルに近似した曲線上に配置されている。そして、各分光素子は人工多層膜格子からなっていて、Ｘ線源から遠い分光素子ほど格子面間隔の周期が大きくなっている。特許文献３の第４実施例のＸ線分光素子は、段差を設けた複数の湾曲した反射面の組み合わせからなり、各反射面はログ・スパイラル曲線に近い縦断面を備えている。そして、各反射面は人工多層膜格子からなっていて、Ｘ線源から遠い反射面ほど格子面間隔の周期が大きくなっている。

上述の非特許文献１と非特許文献２に記載されたような、試料の周りに複数のアナライザ結晶と複数のＸ線検出器を配置する構造は、複雑で高価であり、実験室系におけるＸ線回折法には適用しにくいものである。

上述の特許文献１、特許文献２および特許文献３に記載されたような、格子面間隔が一定でない反射面を有するミラーは、平行ビーム法において、異なる入射角のＸ線ビームを異なる位置に向けて反射させるためのミラーとして使うことはできない。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、平行ビーム法を用いたＸ線回折法において、角度分解能が優れていて、かつ、Ｘ線強度の低下が少なく、さらには、複数のアナライザ結晶とそれと同数のＸ線検出器を用いる従来例と比較して構造が簡素化されたＸ線回折装置およびＸ線回折方法を提供することにある。

さらに、本発明の別の目的は、入射Ｘ線ビームの幅寸法が比較的大きな場合でも、優れた角度分解能を保ったまま、かつ、Ｘ線強度の低下を抑制できる、Ｘ線回折装置およびＸ線回折方法を提供することにある。

本発明のＸ線回折装置は、平行ビームのＸ線を試料に照射して、試料からの回折Ｘ線を、回折現象を用いたミラーで反射させてからＸ線検出器で検出するものである。ミラーの反射面は複数の平坦反射面の組み合わせからなり、回折平面に平行な平面内において、各平坦反射面の中心点と試料とを結ぶ線分と、その平坦反射面とのなす角度が、すべての平坦反射面において一定であり、かつ、各平坦反射面において反射に寄与する結晶格子面がその平坦反射面に平行になっている。Ｘ線検出器は、回折平面（その定義は後述する）に平行な平面内において配置された１次元の位置感応型である。そして、回折平面に平行な平面内において、異なる前記平坦反射面で反射した反射Ｘ線が、前記Ｘ線検出器の異なる地点にそれぞれ到達するように、前記複数の平坦反射面と前記Ｘ線検出器との相対位置関係が定められている。

複数の平坦反射面の中点は、回折平面に平行な平面内において試料の表面上に中心を有する等角螺旋の上に位置することが好ましい。

本発明のＸ線回折方法は、上述のＸ線回折装置の発明と同様に、平行ビームからなるＸ線を試料に照射して、試料からの回折Ｘ線を、回折現象を用いたミラーで反射させてからＸ線検出器で検出するものである。ミラーの反射面に関する特徴と、Ｘ線検出器に関する特徴と、ミラーとＸ線検出器との相対位置関係に関する特徴は、上述のＸ線回折装置の発明と同じである。そして、異なる回折角度を有する複数の前記回折Ｘ線を前記ミラーを介して前記Ｘ線検出器で別個に、かつ、同時に検出するものである。

本発明によれば、所定の反射面形状のアナライザ結晶と単一の１次元の位置感応型Ｘ線検出器とを組み合わせることで、角度分解能が優れていて、かつ、Ｘ線強度の低下が少なく、さらには、複数のアナライザ結晶とそれと同数のＸ線検出器を用いる従来例と比較して構造が簡素化される。

さらに、本発明によれば、試料に入射するＸ線ビームの幅寸法が比較的大きな場合でも、本願発明の新規数式によるミラー形状を用いることで、Ｘ線光学収差による角度分解能低下やＸ線強度低下を抑えることができ、優れた角度分解能とＸ線強度利得を両立させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を詳しく説明する。図１は本発明のＸ線回折装置の概略斜視図である。このＸ線回折装置は、ライン状（またはポイント状）のＸ線焦点１０を備えるＸ線源と、放物線形状の反射面を備える多層膜ミラー１２と、特性Ｘ線Ｋα１を選択するためのチャンネルカットモノクロメータ１３と、試料ホルダー１４と、回折Ｘ線の縦発散を制限するソーラースリット１６と、アナライザ結晶からなるミラー１８と、１次元の位置感応型のＸ線検出器２０とを備えている。図１はライン状のＸ線焦点を用いる場合を示している。Ｘ線焦点１０から放出されるＸ線は発散ビーム２２であるが、この発散ビーム２２が放物線形状の反射面を備える多層膜ミラー１２によって平行ビーム２４ａに変換される。多層膜ミラー１２は、使用するＸ線の波長（この実施例ではＣｕＫα１）に最適化されていて、傾斜格子面間隔を備えている。この多層膜ミラー１２の放物線の焦点の位置にＸ線焦点１０が配置されている。ライン状のＸ線焦点を例にとると、Ｘ線焦点１０は上下方向の長さが約１０ｍｍである。平行ビーム２４ａは、チャンネルカットモノクロメータ１３を経て、平行ビーム２４（入射Ｘ線）として試料２６に照射される。平行ビーム２４ａならびに平行ビーム２４の水平面内でのビーム幅Ｂは約０．８４ｍｍである。試料２６は粉末状であり、試料ホルダー１４の凹部に充填されている。試料２６からは回折Ｘ線２８が出てくる。回折Ｘ線２８はソーラースリット１６によって縦方向の発散（縦発散）が制限される。

試料２６は粉末状に限定されず、多結晶体（金属など）や、基板状の薄膜試料、繊維状試料などを用いることができて、いわゆる反射法Ｘ線回折用の任意の試料ホルダーを用いることができる。また、透過法Ｘ線回折用の試料ホルダーを用いることもできて、例えば、図９に示すように、キャピラリーチューブ１５に試料を充填することができる。

図１０は図１に示すＸ線回折装置の光学系を変更した例である。この変更例が図１と異なっている点は、入射側光学系においてチャンネルカットモノクロメータが省略されていることと、多層膜ミラー１２が、使用するＸ線の波長（この実施例ではＣｕＫαであり、Ｋα１とＫα２のダブレット）に最適化されていることである。

入射Ｘ線２４と回折Ｘ線２８とを含む平面は、通常、回折平面（diffraction plane）あるいは赤道平面（equatorial plane）と呼ばれている。この明細書では、入射Ｘ線２４と回折Ｘ線２８とを含む平面を回折平面と定義する。回折平面内でのＸ線の発散は、通常、エカトリアル方向発散（equatorial divergence）あるいはラジアル方向発散（radial divergence）と呼んでいる。この明細書では、回折平面内での発散を横発散と呼び、回折平面に垂直な平面内でのＸ線の発散を縦発散と呼ぶ。図１に示す光学系は、回折平面が水平面内にあり、Ｘ線焦点１０は直立しており、試料２６の表面も直立している。

ソーラースリット１６は縦発散を制限するものである。平行ビーム法におけるＸ線の横発散は、回折角度の分解能に直接関係するものであり、この横発散は後述するミラー１８および上述のチャンネルカットモノクロメータ１３によって厳しく制限される。ミラー１８は回折Ｘ線２８の角度分解能を保証するものであって、本発明の主要な構成要素である。これについては、あとで詳しく説明する。ミラー１８のおおよそのサイズは、高さが１５〜２０ｍｍで、長さが６０〜８０ｍｍ程度であり、平板に対してわずかに湾曲している。また、チャンネルカットモノクロメータ１３は、使用するＸ線ターゲットがＣｕの場合、Ｇｅ（２２０）の結晶面が使用される。

１次元の位置感応型のＸ線検出器２０は、この実施例ではシリコン・ストリップ検出器（Silicon Strip Detector: SSD）を用いている。この検出器は、回折平面に平行な平面内において１次元の位置感応型である。すなわち、直立した細長い検出面がひとつの検出チャンネルを構成し、このチャンネルが水平方向に多数個（例えば、１２８個）並んでいる。ひとつのチャンネルのサイズは、例えば、幅が０．１ｍｍで長さ（図１における高さ）が１５ｍｍである。

図２は図１のＸ線回折装置の平面図である。入射Ｘ線２４に対して回折Ｘ線２８は２θの角度をなしている。θは試料２６によるＸ線回折のブラッグ角である。このＸ線回折装置を用いて、所定の角度範囲で回折パターンを測定するとき、試料２６の表面に対する入射Ｘ線２４の角度θと、前述角度２θが、θ対２θの割合を１対２の関係を保つように、試料ホルダー１４と受光光学系３０は連動して回転する。これにより、試料２６からのＸ線回折パターンを検出することができる。受光光学系３０は、主として、ソーラースリット１６（図１を参照。図２では省略している）とミラー１８とＸ線検出器２０からなり、これらの光学要素を受光側のアーム（図示せず）に搭載している。受光光学系３０は、矢印３４で示すように、ゴニオメータの中心（Ｏ点）の周りに回転可能である。試料２６の表面はゴニオメータの中心（Ｏ点）に一致している。

このＸ線回折装置は平行ビーム法を用いているので、θ対２θを１対２の割合に保たない、別の測定法も可能である。すなわち、所定の角度範囲で回折パターンを測定するときに、試料ホルダーを静止させておいて、試料２６の表面に対する入射Ｘ線２４の角度を一定に保つことができる。試料２６からの回折Ｘ線は、ブラッグ角に応じて、いろいろな方向に放出されるが、それらの回折Ｘ線２８は、受光光学系３０を回転させることで検出することができる。

次に、ミラー１８の反射面の形状について詳しく説明する。ミラー１８は複数の平坦反射面を組み合わせて構成されている。この実施例では、それぞれの平坦反射面を構成する部分ミラー１８はＧｅの単結晶で作られていて、Ｇｅ（１１１）面が部分ミラーの平坦反射面に対して平行になるように形成されている。それぞれの部分ミラーは、試料からの回折Ｘ線を回折現象によって反射させるものである。Ｇｅ（１１１）面が回折に寄与する結晶格子面である。

複数の平坦反射面は、ひとつの湾曲した反射面を改良したものであるから、最初に、ひとつの湾曲した反射面で構成されたミラーの説明をする。図３において、ミラーの反射面１９は、回折平面に平行な面内において、等角螺旋（対数螺旋とも呼ばれる）の形状をしている。図３は回折平面に平行な面内を示している。等角螺旋の特徴は、等角螺旋上の任意の地点（ｘ，ｙ）における接線３８と、その地点（ｘ，ｙ）と螺旋の中心（Ｏ点）とを結ぶ線分３６とのなす角度θ₀が、螺旋上のどの地点においても一定であることである。それゆえに「等角」螺旋と呼ばれる。そして、この角度θ₀が、使用するＸ線波長におけるＧｅ（１１１）のブラッグ角に等しい。この実施例では、ＣｕＫα１用にミラーが作られており、θ₀は１３．６４°である。Ｏ点からミラーの反射面１９に向かう回折Ｘ線（試料で回折したＸ線）は、反射面１９のどの位置に当たっても、反射面１９の接線３８に対して角度θ₀で入射することになり、ブラッグの反射条件を満たす。そして、反射面１９で反射した反射Ｘ線４０は、同様に接線３８に対して角度θ₀をなして出て行く。

ミラーの反射面１９の形状は次のようにして求めることができる。図３において、ゴニオメータの中心（Ｏ点）をｘｙ座標の原点とする。試料の表面はＯ点上に位置しており、また、等角螺旋の中心もＯ点にある。ｘ軸上のｘ＝ｒの地点に反射面１９の中央部分を置くものと仮定する。ｘ軸に対して反時計方向に角度φだけ回転した方向に回折Ｘ線３６が進行した場合、反射面１９上の座標（ｘ，ｙ）の地点に回折Ｘ線３６が当たる。この回折Ｘ線３６の方程式（すなわち、この回折Ｘ線上の各地点の座標が満足する方程式）は図３の（１）式で表される。この回折Ｘ線（Diffracted Beam）のｙ座標すなわちｙ_DBは、角度φと座標ｘで表される。

地点（ｘ，ｙ）における反射面１９の傾きｄｙ／ｄｘは（２）式で表される。この（２）式は、（３）式と（４）式を用いて、（５）式のように書き換えることができる。（３）式は、地点（ｘ，ｙ）におけるｘｙ座標と角度φとの関係を表す式である。（４）式は、ミラーのブラッグ角θ₀の正接をａと定義したものである。（５）式の微分方程式を解くと（６）式が得られ、（６）式を変形すると（７）式が得られる。

図４の（８）式の関係を図３の（７）式に代入して整理すると、図４の（９）式が得られる。この（９）式は、反射面１９上の任意の地点（ｘ，ｙ）のｘ座標を表したものである。このｘ座標は、距離ｒと角度φとブラッグ角θ₀とを用いて計算できる。（９）式と（３）式を用いると（１０）式が得られて、ｙ座標を求めることができる。（９）式と（１０）式により、ミラーの反射面１９の形状が定まる。

図４において、ミラーの反射面１９がどの程度湾曲しているかを以下に試算する。ｒ＝２００ｍｍと仮定して、反射面１９の中心（２００，０）における反射面１９の接線３８（直線である）と、反射面１９（曲線である）との間の、ｙ方向の距離Δを計算すると次のようになる。接線３８の方程式は図４の（１１）式で表される。接線上のｙ座標はｙ_tanと表すことにする。一方、反射面１９のｙ座標は（１０）式で表される。以下に示す表１は、上述の距離Δを角度φをパラメータとして計算したものである。例えば、φ＝２°のときに、反射面１９上のｘ座標は１７３．０９９ｍｍであり、ｙ座標は６．０４５ｍｍである。同じｘ座標における接線３８上のｙ座標すなわちｙ_tanは６．５２８ｍｍである。したがって、接線３８のｙ座標から反射面１９のｙ座標を引き算した値すなわちΔは０．４８３ｍｍである。同様にして、φ＝１°、０°、−１°、−２°のときのΔの値を示している。φが０°から増えても減っても、反射面１９のｙ座標は接線のｙ座標を下回っているので、反射面１９は、下に凹になるように、わずかに湾曲していることがわかる。

次に、反射面で反射したＸ線の行方を説明する。図５において、Ｏ点から角度φの方向に進行した回折Ｘ線３６は反射面１９上の（ｘ，ｙ）点で反射して、反射Ｘ線４０となる。一方、Ｏ点からｘ軸に沿って進行した回折Ｘ線は反射面１９上のＣ点、すなわち反射面１９とｘ軸が交わる地点、で反射して、反射Ｘ線４２となる。このＣ点で反射する反射Ｘ線を中心ビーム４２と呼ぶことにする。角度φに相当する任意の（ｘ，ｙ）地点で反射した反射Ｘ線４０は、いずれ中心ビーム４２と交差することになる。その交点をＰ点とする。そして、Ｃ点とＰ点との距離をｔとする。

図５において、角度φに相当する任意の地点（ｘ，ｙ）で反射した反射Ｘ線４０の方程式は（１３）式で表される。（１３）式中の記号Ａは（１２）式で定義される。また、中心ビーム４２の方程式は（１４）式で表される。（１３）式と（１４）式を同時に満足する座標が交点Ｐであり、その両方を満足するｘ座標すなわちｘ_pを求めると、（１５）式が得られる。Ｐ点のｙ座標すなわちｙ_pは、得られたｘ_pを例えば（１４）式に代入すれば、求めることができる。

次の表２はＰ点の座標（ｘ_p，ｙ_p）と距離ｔを、角度φをパラメータとして求めたものである。ｒ＝２００ｍｍ、θ₀＝１３．６４°の条件である。表２によれば、ミラーの反射面の中心（Ｃ点）から２００ｍｍ程度離れたところで、各反射Ｘ線が中心ビームとそれぞれ交差することがわかる。したがって、反射面上の異なる地点で反射した反射Ｘ線を互いに区別して位置感応型Ｘ線検出器で検出できるようにするためには、Ｃ点とＰ点の間のどこかに位置感応型Ｘ線検出器を配置する必要がある。この例で言えば、Ｃ点から５０〜１００ｍｍ程度離れた位置に位置感応型Ｘ線検出器を配置することが好ましい。

次に、位置感応型Ｘ線検出器における角度分離機能を説明する。図６において、ミラーの反射面１９の中心（Ｃ点）から距離ｄだけ離れたところに位置感応型Ｘ線検出器２０の検出面を配置する。検出面は中心ビーム４２に対してほぼ垂直に配置する。角度φの地点（ｘ，ｙ）からの反射Ｘ線４０は検出面上のＱ点に到達する。Ｃ点からの中心ビーム４２は検出面上のＭ点に到達する。Ｑ点とＭ点との距離はｓである。ミラーの反射面上の複数の異なる地点からの反射Ｘ線は、Ｘ線検出器の複数の異なる地点にそれぞれ到達することになる。

Ｍ点の座標（ｘ_m，ｙ_m）は図６の（１６）式で表される。検出面を表す直線４４の方程式は（１７）式で表される。Ｑ点は直線４４と反射Ｘ線４０の交点である。直線４４は図６の（１７）式で表され、反射Ｘ線４０は図５の（１３）式で表されるから、Ｑ点の座標（ｘ_q，ｙ_q）は二つの方程式を解くことで得られて、（１８）式と（１９）式のようになる。Ｑ点とＭ点の距離ｓは、Ｍ点の座標を表す（１６）式と、Ｑ点の座標を表す（１８）式および（１９）式とを用いて計算することができて、（２０）式のようになる。

次の表３は検出面上での距離ｓをφをパラメータとして計算したものである。ｒ＝２００ｍｍ、θ₀＝１３．６４°、ｄ＝５０ｍｍの条件である。φが２°のときはＭ点から４．２８ｍｍ離れており、φが−２°のときはＭ点から逆方向に６．２９ｍｍ離れている。したがって、ミラーによって回折Ｘ線を２θ＝±２°の範囲内で（すなわちφ＝±２°の範囲内で）捕捉することを想定すると、ｄ＝５０ｍｍの地点に検出器を配置するときは検出器の横方向のサイズが１０ｍｍ程度必要である。この１０ｍｍの範囲内を例えば１００チャンネルに区分するとすれば（すなわち、１チャンネルの幅を０．１ｍｍにすれば）、２θ＝４°の範囲内を約０．０４°の位置分解能で測定できることになる。なお、角度φの変化量(すなわち２θの変化量）と検出面上でのｓの変化量は比例しないので、角度φの変化に対するｓの変化の特性曲線を、図６の（２０）式に基づいて作成しておけば、検出器のどのチャンネルに、φのどの角度範囲のＸ線が到達するかを把握することができる。

図６から明らかなように、ひとつの等角螺旋に基づいてミラーの反射面を構成すれば、１次元の位置感応型のＸ線検出器２０を静止したままで、異なる回折角度を有する複数の回折Ｘ線をミラーを介して別個に、かつ、同時に検出することができる。このように異なる回折角度の回折Ｘ線を同時に検出できるので、従来のアナライザ結晶を用いて単一の回折角度の回折Ｘ線だけを一度に測定する場合と比較して、Ｘ線の検出強度をかせぐことができる。ゆえに、アナライザ結晶を用いていても、回折パターンの測定を比較的短時間で終わらせることができる。なお、Ｘ線検出器を静止したままで測定すると、例えば、２θで４°程度の角度範囲をカバーするだけなので、広い角度範囲にわたって粉末回折パターンを得るには、図２に示すように、受光光学系を回転させる必要がある。

次に、ひとつの湾曲した反射面を分割して複数の平坦反射面を作る手順を説明する。図７は、複数の平坦反射面を組み合わせたミラーのうち、３個の平坦反射面だけを示したものである。すべての平坦反射面の中心点は、上述の等角螺旋の上に位置している。そして、その中心点のところで等角螺旋に対して接線を引いたものが、平坦反射面そのものとなる。ｉ番目の平坦反射面４６を考えると、この平坦反射面４６の中心（Ｃ_i点）は、ｘ軸に対して角度φ_iをなしている。平坦反射面４６の長さはＬ_iである。平坦反射面４６が捕捉する回折Ｘ線の角度範囲はδφ_iである。平坦反射面４６の中心（Ｃ_i点）に向かう回折Ｘ線と、その隣の平坦反射面４８の中心（Ｃ_i+1点）に向かう回折Ｘ線とのなす角度はΔφ_iである。平坦反射面４６で反射した反射Ｘ線がＸ線検出器２０の検出面に当たる範囲はＷ_iである。

回折平面に平行な平面内において、ｉ番目の平坦反射面４６の直線方程式は図７の（２１）式で表される。記号Ａ_iは（２２）式で定義される。

等角螺旋を分割する方法にはいろいろな条件設定が考えられる。次の表４に３種類の条件を示す。条件１は、それぞれの平坦反射面が捕捉する角度範囲δφを互いに等しくするものである。この場合、ミラー長さＬは平坦反射面によって異なる。また、Ｘ線検出器において、各平坦反射面を担当する検出面の幅Ｗも互いに異なる。条件２は、それぞれの平坦反射面のミラー長さＬを互いに等しくするものである。この場合、各平坦反射面が捕捉する角度範囲δφは互いに異なる。また、各平坦反射面を担当する検出面の幅Ｗも互いに異なる。条件３は、それぞれの平坦反射面を担当する検出面の幅Ｗを等しくするものである。この場合、各平坦反射面が捕捉する角度範囲δφは互いに異なる。また、各平坦反射面のミラー長さＬも互いに異なる。

次の表５は、上述の条件３、すなわち、検出面上での幅Ｗが互いに等しくなるようにして、１１個の平坦反射面を組み合わせたものの数値例である。この基礎計算では、Ｘ線検出器のひとつのチャンネルサイズが０．１ｍｍで、チャンネル数を１２８個として、１個の平坦反射面が担当する長さＷ（表５ではＳと表している）は１．１６３６ｍｍであることを示している。この数値例を元として、実際の装置を作る例としては、Ｗ＝１．１ｍｍに設定して、Ｘ線検出器の１チャンネルの幅が０．１ｍｍで、チャンネル数１２１個を使用する仮定すれば、１１チャンネルからなるチャンネル群がひとつの平坦反射面を担当することになる。各平坦反射面の中心点で反射した反射Ｘ線が検出面に到達する位置がＱ点であり（図６を参照）、その座標が（ｘ_q，ｙ_q）である。各平坦反射面の中心点に向かう回折Ｘ線の角度（ｘ軸からの角度）がφである。Ｑ点と検出面の中心点Ｍとの距離がｓである(図６を参照）。表５の数値は、ｒ＝２００ｍｍ、θ₀＝１３．６４°、ｄ＝５０ｍｍの条件で計算したものである。

次の表６は、上述の表５に示す条件で１１個の平坦反射面を組み合わせたときの、平坦反射面の数値例である。角度φは各平坦反射面の中心における角度である。座標（ｘ，ｙ）の値は、平坦反射面の中心と両端とについて示している。例えば、１番目の平坦反射面は、中心位置のｘ座標が２２８．６７８１ｍｍ、ｙ座標が−７．４６８１ｍｍであり、両端のうちの一方の端部のｘ座標が２３１．３４５０ｍｍ、ｙ座標が−８．２０８１ｍｍであり、他方の端部のｘ座標が２２６．０１１３ｍｍ、ｙ座標が−６．７２８１ｍｍである。Ｌは各平坦反射面の長さである。Δφは、隣り合う平坦反射面の中心間の角度である。１１枚の平坦反射面の合計長さは約８０ｍｍである。

複数の平坦反射面の組み合わせでミラーを構成すると、等角螺旋に基づいて形成された湾曲したミラーと比較して、次の利点がある。湾曲したミラーを用いた場合は、検出器のチャンネルの幅を無限に小さくしない限り、原理的に、ひとつのチャンネルの中に、目的の２θの角度を有する回折Ｘ線のほかに、それに対して微小な角度範囲内の他の回折Ｘ線が混じって到達することになる。これに対して、複数の平坦反射面の組み合わせでミラーを構成すると、特定の平坦反射面を担当するチャンネル群には、すべて、同一の回折角度の回折Ｘ線だけが到達することになるので、得られる角度分解能は、アナライザ結晶の有する角度分解能まで高められることになる。

図８は、各平坦反射面の中心位置の座標を、等角螺旋上の位置からずらした変更例である。例えば、３枚の平坦反射面５０，５２，５４の中心位置Ｃ₁、Ｃ₂、Ｃ₃がひとつの等角螺旋の上に載っていると仮定する。この状態から、中央の平坦反射面５２を、回折Ｘ線５６の進行方向にわずかに平行移動すると、平坦反射面５２は、その傾きを保ったまま、その中心位置Ｃ₂がＣ_2aに移動する。このように平行移動をしても、回折Ｘ線５６に対する平坦反射面５２の角度は変わらずに、回折Ｘ線５６は平坦反射面５２で反射する。右側の平坦反射面５４も同様に平行移動して、中心位置Ｃ₃をＣ_3aに移動する。その移動距離は中央の平坦反射面５２よりも大きくする。このようにして、複数の平坦反射面を順次ずらすように配置しても、この組み合わせミラーによって回折Ｘ線は適切に反射する。ただし、検出面に反射Ｘ線が到達する位置もそれに伴って移動することになる。したがって、大きな検出面を使うときには、図８のような変更例が好都合である。

上述の説明では、Ｘ線焦点がライン焦点の場合を例にして説明してきたが、本発明はポイント焦点にも適用することができる。

本発明のＸ線回折装置の概略斜視図である。図１のＸ線回折装置の平面図である。ミラーの反射面の形状の求め方の説明図とそれに関係する数式である。ミラーの反射面の形状の説明図とそれに関係する数式である。ミラーで反射したあとのＸ線の進行状況を示す説明図とそれに関係する数式である。ミラーとＸ線検出器との位置関係を示す説明図とそれに関係する数式である。複数の平坦反射面からなるミラーの説明図とそれに関係する数式である。平坦反射面の中心位置を等角螺旋上からずらした変更例である。図１のＸ線回折装置の光学系の変更例を示す概略斜視図である。図１のＸ線回折装置の光学系の別の変更例を示す概略斜視図である。

符号の説明

１０Ｘ線焦点
１２多層膜ミラー
１３チャンネルカットモノクロメータ
１４試料ホルダー
１６ソーラースリット
１８ミラー
１９反射面
２０Ｘ線検出器
２２発散ビーム
２４ａ平行ビーム
２４平行ビーム（入射Ｘ線）
２６試料
２８回折Ｘ線
３０受光光学系

Claims

平行ビームのＸ線を試料に照射して、試料からの回折Ｘ線を、回折現象を用いたミラーで反射させてからＸ線検出器で検出するＸ線回折装置において、
前記ミラーの反射面は複数の平坦反射面の組み合わせからなり、回折平面に平行な平面内において、各平坦反射面の中心点と試料とを結ぶ線分と、その平坦反射面とのなす角度が、すべての平坦反射面において一定であり、かつ、各平坦反射面において反射に寄与する結晶格子面がその平坦反射面に平行になっていて、
前記Ｘ線検出器は、回折平面に平行な平面内において１次元の位置感応型であり、
回折平面に平行な平面内において、異なる前記平坦反射面で反射した反射Ｘ線が、前記Ｘ線検出器の異なる地点にそれぞれ到達するように、前記複数の平坦反射面と前記Ｘ線検出器との相対位置関係が定められている、
ことを特徴とするＸ線回折装置。
請求項１に記載のＸ線回折装置において、前記複数の平坦反射面の中心点は、回折平面に平行な平面内において前記試料の表面上に中心を有する等角螺旋の上に位置することを特徴とするＸ線回折装置。
平行ビームからなるＸ線を試料に照射して、試料からの回折Ｘ線を、回折現象を用いたミラーで反射させてからＸ線検出器で検出するＸ線回折方法において、
前記ミラーの反射面は複数の平坦反射面の組み合わせからなり、回折平面に平行な平面内において、各平坦反射面の中心点と試料とを結ぶ線分と、その平坦反射面とのなす角度が、すべての平坦反射面において一定であり、かつ、各平坦反射面において反射に寄与する結晶格子面がその平坦反射面に平行になっていて、
前記Ｘ線検出器は、回折平面に平行な平面内において１次元の位置感応型であり、
回折平面に平行な平面内において、異なる前記平坦反射面で反射した反射Ｘ線が、前記Ｘ線検出器の異なる地点にそれぞれ到達するように、前記複数の平坦反射面と前記Ｘ線検出器との相対位置関係が定められていて、
異なる回折角度を有する複数の前記回折Ｘ線を前記ミラーを介して前記Ｘ線検出器で別個に、かつ、同時に検出する、
ことを特徴とするＸ線回折方法。
請求項３に記載のＸ線回折方法において、前記複数の平坦反射面の中心点は、回折平面に平行な平面内において前記試料の表面上に中心を有する等角螺旋の上に位置することを特徴とするＸ線回折方法。