JP5102549B2 - X線分析装置及びx線分析方法 - Google Patents
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測定対象物にX線ビームを照射し、それによって対象物から生じた蛍光X線を検出して試料を構成する元素を同定する蛍光X線分析も表面分析手法の1種である。
非破壊的に試料内部の微小空間の元素分析を行なう方法としては、励起側と検出器側に2つのX線集光レンズを配置し、試料内部に共焦点が来るように調節することにより、試料内の3次元蛍光X線分析を行なう方法が提案されている(非特許文献1参照。)。
「同じ側に配置」とは、X線照射機構とX線検出用導管を試料表面の例えば上面側のみに配置することを意味する。
ここでの「同軸上」とは、試料に照射されるX線ビームの光軸と試料から発せられる蛍光X線の光軸がほぼ一致していることを言うが、完全に一致していなくてもよい。
また、液体試料としてコロイドやゾルなども測定することができる。
また、合体した先端部にX線ビームを試料の微小部分に集光するポリキャピラリーハーフレンズ、及び試料の前記微小部分からの蛍光X線を受光するポリキャピラリーハーフレンズのうちの少なくとも一方を備えた場合には、試料表面の数十μm〜数百μmといった微小部分の元素分析を行うことができるようになる。
[実施例1]
図1はX線分析装置の概略構成図である。
励起用X線を発生させる一次X線源1は、X線照射機構の一部を構成するX線入射用導管2aによってX線検出用導管5と接続されている。
X線検出用導管5の基端部にはX線検出器9が結合され、試料7から放出された蛍光X線が先端部から内部通路4を通ってX線検出器9に導かれるようになっている。
この実施例ではX線検出用導管5で二次ターゲット3より先端側の部分はX線照射機構を兼ねている。
開口5aの大きさはX線ビーム径や検出する蛍光X線の量によるものであるが、例えば、2mm程度あれば充分である。
X線源1のX線出射窓と導管2aの基端部との間には、管球由来の連続X線や管球からの不純物ピークが蛍光X線測定に影響を与えるのを防ぐために、ジルコニウムやアルミニウムなど、測定対象元素に応じて適当なフィルタ10が設けられることがある。
X線検出器9としてはエネルギー分散型X線検出器を用いる。これは、装置全体の小型化のためであるが、この制約がない場合は、波長分散型検出器を用いても良い。検出器9の信号は増幅器、多重波高分析器等を通じてエネルギー分析され、X線スペクトルを得ることができる。
導管5は二次ターゲットからのX線を試料へ照射する際の照射面積を限定する役割も担っている。
試料7を含む容器はその位置を調整するために試料位置調整用ステージ12に載せられている。ステージ12は、XYZ方向(X,Y方向は面内方向、Z方向はそれらに直交する高さ方向である。)に移動し、試料7の測定対象領域を調整することができる。
ここでは、水のような媒体8中にある固体試料7の表面分析を行なう場合を例として説明する。
一次X線源1、導管2a、導管5及びX線検出器9は一体化されて固定されており、試料7の測定対象領域はステージ12の移動によって調整する。
初めにステージ12は導管5の先端部から遠ざけておき、ステージ12の上昇によって導管5が媒体8内に挿入されるように、ステージ12を導管5の方向(図面の上方向)に移動させる。
X線源1としてはモリブデンをターゲットとし、ベリリウムのX線出射窓をもつX線管を使用し、X線源1のX線出射窓と導管2aの基端部との間にジルコニウムフィルタ10を配置して励起用X線を照射する。
このとき、導管5の先端部の開口5aは高分子フィルムで封止されているため、導管5の内部通路4に媒体8が侵入することはなく、X線の減衰を抑えることができる。
測定条件としては、例えば、X線源1を電圧40kV、電流30mAに設定してX線を発生させ、検出器9で検出された信号を増幅器や多重波高分析器を通じてエネルギー分析し、300秒間にわたって積分することで蛍光X線スペクトルを得るようにした。
また、二次ターゲット3を備えることで、蛍光X線という単色X線を試料に照射することができ、試料を測定する際の連続X線のバックグラウンドを低減化することができる。
この二次ターゲットはリング状をしているので、二次ターゲットからのX線を円錐状に試料7に向かって照射できる。従来の蛍光X線分析では一方向からのX線照射であるので、本発明の実施例では原理的に高い照射効率が実現できる。
さらに、二次ターゲット3をX線検出用導管の内側、かつそのX線検出用導管内の内部通路の外周にリング状に備えるようにしたので、試料から発生した蛍光X線はリング状のターゲット3の穴から内部通路4を通って検出器9に導かれ、優れた検出効率で検出されるようになる。
[実施例2]
図2はX線分析装置の概略構成図である。
一次X線源1はX線入射用導管2aによってX線検出用導管5と接続されている。X線検出用導管5の基端部にはX線検出器9が結合され、微小部位11から放出された蛍光X線が先端部の開口から内部通路4を通ってX線検出器9に導かれるようになっている。
また、X線照射用導管2b内にX線検出用導管5を備える二重管にしてもよい。
導管2a,2b,5としては実施例1と同様に二次ターゲットと同じ材質の導管を用いることができる。
導管5の先端を試料7aに挿入して微小部位11に接近させる。
X線源1として、モリブデンをターゲットとし、ベリリウムのX線出射窓をもつX線管を使用し、X線源1のX線出射窓と導管2aの基端部との間にジルコニウムフィルタ10を配置して励起用X線を導管2aを介して二次ターゲット3に照射する。
このとき、導管5の先端部の開口は高分子フィルムで被われているため、導管5の内部通路4に媒体8が侵入することはなく、X線の減衰を抑えることができる。
[実施例3]
図3はX線分析装置の概略構成図である。
一次X線源1はX線入射用導管2aによってX線照射用導管2bと接続されている。X線照射機構は、X線入射用導管2aとX線照射用導管2bにより構成されている。
X線照射用導管2bの先端部はX線検出用導管5の先端部と合体しており、両基端部は先端部から両基端部に向かって広がる角度をもって配置されている。
X線検出用導管5の基端部にはX線検出器9が結合され、試料7から放出された蛍光X線が先端部の開口から内部通路4を通ってX線検出器9に導かれるようになっている。
この実施例では、X線検出用導管5の基端部とX線照射用導管2bの基端部は約45度広がって配置されているが、特に限定されるものではない。なお、この角度を0度に近づけた配置を実現しようとしたのが、実施例2である。
導管2a,2b,5としてはガラスで作成したが、他の材料で作成してもかまわない。
試料7を含む容器はX線検出用導管5の先端部から遠ざけておき、ステージ12を図面の上方向に移動させて、導管5を溶媒8内に挿入する。
X線源1として、モリブデンをターゲットとし、ベリリウムのX線出射窓をもつX線管を使用し、X線源1のX線出射窓と導管2aの基端部との間にジルコニウムフィルタ10を配置して励起用X線を照射する。
このとき、導管5の先端部の開口は高分子フィルムで被われているため、導管5の内部通路4に媒体8が侵入することはない。
液体や水溶液中の金属元素(例えば電極表面)を分析することは電池材料やめっき材料の向上にかかせないが、従来までは、液体中の金属などの材料表面を直接観察する方法はなく、これら材料を取り出すなどの操作をしてから各種の表面分析法を適用していた。
しかし本発明では、実施例1〜3のようなガラス製コリメーターを測定対象の水溶液に浸漬するだけで、水溶液中の金属表面や電解液中の電極材料の表面を水溶液中で観測することができるようになり、海水中の金属表面の腐食進行状況をモニターしたり、水溶液中の金属イオン濃度を直接測定したりすることも可能になる。
蛍光X線分析法においても非破壊的に試料内を測定する要請はあるものの、これまでは非特許文献1で示したX線集光レンズを用いる方法以外は提案されていない。その微小部蛍光X線分析では試料の外部からX線を照射し、試料から大気側(もしくは真空側)に放射された蛍光X線のみを検出してきた。そのため、表面から測定できる試料の深さは数ミクロンから数ミリ程度に限定されてきた。
試料に導管を挿入するため、厳密な意味では非破壊測定ではないが、試料の断面を切り出す方法に比べると非破壊に近い状態となり、導管を細くするほど、より非破壊に近い状態となる。
試料7としては厚さ0.5mmのFe板を用いた。
測定条件としては、X線源(ターゲットはMo)1を電圧20kV、電流40mAに設定してX線を発生させ、二次ターゲットとしてリング状のCuを用い、検出器9で検出された信号を増幅器や多重波高分析器を通じてエネルギー分析し、100秒間にわたって積分することで蛍光X線スペクトルを得た。また、試料7と導管5の先端部の距離は約2mmに設定した。
液体試料としてはNiSO4 10mL(2800 ppm)を用いた。なおNiSO4の濃度は標準的なメッキ液の濃度に設定している。
測定条件としては、X線源(ターゲットはMo)1を電圧20kV、電流40mAに設定してX線を発生させ、二次ターゲットとしてCuの表面にZnを被膜したものを用い、検出器9で検出された信号を増幅器や多重波高分析器を通じてエネルギー分析し、300秒間にわたって積分することで蛍光X線スペクトルを得た。「Preset Time」は測定時間のことである。二次ターゲットとしてZn板を用いたのは、Ni蛍光X線を効率よく励起するためである。
ZnKα: 19802 (NET) 40059 (GROSS)、
CuKα: 778 (NET) 11438 (GROSS)、
NiKα: 21798 (NET) 25075 (GROSS)、
FeKα: 1255 (NET) 2795 (GROSS)、
となった。
ここでNETはバックグラウンド強度を差し引いた正味のピーク強度を意味し、
GROSSはバックグラウンド強度を含む全ピーク強度を意味する。
なお、二次ターゲットはCu表面にZnを被覆したものであるので、図5のスペクトルにはCuも検出された。
液体試料としてはCoSO4水溶液の濃度を変えたものを用いた。
測定条件としては、実施例3と同じ装置を用い、X線源1を電圧20kV、電流40mAに設定してX線を発生させ、検出器9で検出された信号を増幅器や多重波高分析器を通じてエネルギー分析し、300秒間にわたって積分することで蛍光X線スペクトルを得た。
液体としてはNiSO4 10mL(2800ppm)を用い、試料7としては厚さ0.5mmの鉄板を用いた。
測定条件としては、X線源1を電圧20kV、電流40mAに設定してX線を発生させ、検出器9で検出された信号を増幅器や多重波高分析器を通じてエネルギー分析し、300秒間にわたって積分することで蛍光X線スペクトルを得た。また、試料7と導管5の先端部の距離は約200μmに設定した。
ZnKα: 18714 (NET) 36927 (GROSS)、
CuKα: 1475 (NET) 11199 (GROSS)、
NiKα: 17672 (NET) 24434 (GROSS)、
FeKα: 22747 (NET) 25652 (GROSS)、
となった。
液体としてはNiSO4 10mL(2800ppm)を用い、試料7としては厚さ0.05mmのNi板を用いた。
測定条件としては、X線源1を電圧20kV、電流40mAに設定してX線を発生させ、検出器9で検出された信号を増幅器や多重波高分析器を通じてエネルギー分析し、300秒間にわたって積分することで蛍光X線スペクトルを得るようにした。また、試料7と導管5の先端部の距離は約200μmに設定した。
ZnKα: 8775 (NET) 45968 (GROSS)、
CuKα: −4667 (NET) 15517 (GROSS)、
NiKα: 100927 (NET) 100996 (GROSS)、
FeKα: 1013 (NET) 3953 (GROSS)、
となった。
図9は図1に示す実施例において、X線検出用導管5の先端部で二次ターゲット3と先端開口部の間にポリキャピラリーハーフレンズ20をX線集光素子として取り付けたものである。ポリキャピラリーハーフレンズ20を設けた点を除いて他の構成は図1に示した実施例と同じである。
図11は図3に示した実施例において、X線照射用導管2bの先端部にポリキャピラリーハーフレンズ20aを設けたものである。ポリキャピラリーハーフレンズ20aを設けた点を除いて、それ以外の構成は図3に示したものと同じである。試料7から発生した蛍光X線は図3の実施例と同じように検出器9へ導かれる。
この実施例においても試料7の微小部のみを二次X線で照射することができる。
図12は図3に示した実施例において、X線検出用導管5の先端部に蛍光X線を受光するためのポリキャピラリーハーフレンズ20bを設けたものである。ポリキャピラリーハーフレンズ20bを設けた点を除いて、それ以外の構成は図3に示したものと同じである。
図13は図3に示した実施例において、二次X線を試料7の微小部に照射するためのポリキャピラリーハーフレンズ20aをX線照射用導管2bの先端部に設け、かつ試料上で二次X線が照射された微小部から発生した蛍光X線を受光するためのポリキャピラリーハーフレンズ20bをX線検出用導管5の先端部に設けたものである。ポリキャピラリーハーフレンズ20aとポリキャピラリーハーフレンズ20bは試料7の表面上の同じ微小部に焦点を結ぶように配置されている。
図15はポリキャピラリーハーフレンズ30が実際にX線を導くことを確かめる予備的な実験装置である。ターゲット3からの二次X線をポリキャピラリーハーフレンズ30で導いて試料7としての鉄板上に照射した。鉄板の厚さは0.5mmである。鉄板7から発生した蛍光X線を検出器9としてのSi−PIN検出器で直接受けて検出した。
また、内部にポリキャピラリーハーフレンズを設けない形態であれば、導管は内部が中空でなければならないこともなく、X線を透過させる材質であれば中実のものであってもよく、中実の導管であれば内部に試料が侵入することがないので、導管の先端部に試料の侵入を防ぐカバーを設ける必要がなくなる。
さらに、内部にポリキャピラリーハーフレンズを設けるか否かに拘わらず、導管の先端部も開口である必要はなく、X線を透過できればよい。
内部にポリキャピラリーハーフレンズを設けない形態の場合、導管の長さを長くするだけでいくらでも深い部分を測定することができることから、1固体の生体試料について、複数個所の測定を行なうこともできる。
また、内部にポリキャピラリーハーフレンズを設けない形態の場合、人体についても体内に発生した癌細胞など、特定の部位の測定を行なうこともできる。
2a X線入射用導管
2b X線照射用導管
4 内部通路
5 X線検出用導管
5a 開口
6 X線透過性保護膜
7 試料
8 溶媒
9 検出器
10 フィルタ
12 試料位置調整用ステージ
20,20a,20b,30 ポリキャピラリーハーフレンズ
Claims (17)
- X線ビームを先端から試料に照射するX線照射機構と、
試料から放出された蛍光X線を検出するX線検出器と、
基端部に前記X線検出器を備え、試料に対して前記X線照射機構と同じ側に配置され、先端から入射した蛍光X線を内部通路を通って前記X線検出器に導くX線検出用導管と、を備え、
前記X線照射機構の先端部と前記X線検出用導管の先端部は試料に前記X線ビームを照射し、試料からの蛍光X線が入射するように一つに合体されており、
前記X線照射機構の基端部は一次X線源に結合され、前記X線照射機構内には前記一次X線源からの一次X線ビームを受けて二次X線ビームを発生し、前記先端部を経て試料に照射する二次ターゲットが備えられているX線分析装置。 - 前記X線照射機構で試料にX線を照射する部分とX線検出用導管は同軸上に一体化されており、前記二次ターゲットに穴が設けられ、試料からの蛍光X線はその穴を通ってX線検出器へ導かれる請求項1に記載のX線分析装置。
- 前記X線照射機構で試料にX線を照射する部分はX線検出用導管内に配置されている請求項1に記載のX線分析装置。
- 前記X線照射機構で試料にX線を照射する部分は前記X線検出用導管内に該導管とほぼ平行に配置されたX線照射用導管をなし、前記二次ターゲットはX線照射用導管内に配置されている請求項3に記載のX線分析装置。
- 前記導管は先端部が尖端となっているコリメータ又は注射針である請求項4に記載のX線分析装置。
- 前記X線照射機構で試料にX線を照射する部分と前記X線検出用導管は一つに合体した先端部から両基端部に向かって広がるように角度をもって配置されている請求項1に記載のX線分析装置。
- 前記合体した先端部には、X線ビームを試料の微小部分に集光するポリキャピラリーハーフレンズ、及び試料の前記微小部分からの蛍光X線を受光するポリキャピラリーハーフレンズのうちの少なくとも一方を備えている請求項1に記載のX線分析装置。
- 前記X線照射機構で試料にX線を照射する部分とX線検出用導管は同軸上に一体化されており、前記二次ターゲットに穴が設けられ、試料からの蛍光X線はその穴を通ってX線検出器へ導かれるようになっており、
前記ポリキャピラリーハーフレンズは1つのみが設けられ、X線ビームを試料の微小部分に集光するポリキャピラリーハーフレンズと試料の前記微小部分からの蛍光X線を受光するポリキャピラリーハーフレンズを兼ねている請求項7に記載のX線分析装置。 - 前記X線照射機構で試料にX線を照射する部分と前記X線検出用導管は一つに合体した先端部から両基端部に向かって広がるように角度をもって配置されており、
前記ポリキャピラリーハーフレンズは前記X線照射機構の先端部でX線ビームを試料の微小部分に集光するポリキャピラリーハーフレンズである請求項7に記載のX線分析装置。 - 前記X線照射機構で試料にX線を照射する部分と前記X線検出用導管は一つに合体した先端部から両基端部に向かって広がるように角度をもって配置されており、
前記ポリキャピラリーハーフレンズは前記X線検出用導管の先端部で試料の前記微小部分からの蛍光X線を受光するポリキャピラリーハーフレンズである請求項7に記載のX線分析装置。 - 前記X線照射機構で試料にX線を照射する部分と前記X線検出用導管は一つに合体した先端部から両基端部に向かって広がるように角度をもって配置されており、
前記ポリキャピラリーハーフレンズとして前記X線照射機構の先端部でX線ビームを試料の微小部分に集光するポリキャピラリーハーフレンズと、前記X線検出用導管の先端部で試料の前記微小部分からの蛍光X線を受光するポリキャピラリーハーフレンズとをともに備えている請求項7に記載のX線分析装置。 - 前記合体した先端部には開口を閉じるX線透過性保護膜が設けられている請求項1から11のいずれかに記載のX線分析装置。
- 前記X線透過性保護膜は高分子膜である請求項12に記載のX線分析装置。
- 請求項1から13のいずれかに記載のX線分析装置の前記先端部を試料の測定対象部位に接近させる工程と、
前記X線照射機構の先端から試料にX線ビームを照射する工程と、
前記X線ビームにより試料で発生した蛍光X線を前記X線検出器に導いて検出する工程と、
を含むことを特徴とするX線分析方法。 - 固体試料の表面を分析するX線分析方法に適用され、前記X線ビームを照射する前記先端部を固体試料の表面に接近させる請求項14に記載のX線分析方法。
- 液体中に載置された固体試料を分析するX線分析方法に適用され、前記X線ビームを照射する前記先端部を液体中に載置された固体試料の表面に接近させる請求項14に記載のX線分析方法。
- 請求項5に記載のX線分析装置の前記先端部を試料の測定対象部位に挿入させる工程と、
前記X線照射機構の先端から試料にX線ビームを照射する工程と、
前記X線ビームにより試料で発生した蛍光X線を前記X線検出器に導いて検出する工程と、
を含むことを特徴とするX線分析方法。
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