JP6077812B2

JP6077812B2 - 試料ホルダ、試料室及びｘ線分析装置

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Publication number: JP6077812B2
Application number: JP2012222297A
Authority: JP
Inventors: 嘉之中嶋; 純代今井; 上田　英雄; 英雄上田
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2012-10-04
Filing date: 2012-10-04
Publication date: 2017-02-08
Anticipated expiration: 2032-10-04
Also published as: JP2014074656A

Description

本発明は、Ｘ線分析用の試料を保持する試料ホルダ、Ｘ線分析時に試料が配置される試料室、及びＸ線分析装置に関する。

蛍光Ｘ線分析は、Ｘ線を試料に照射し、試料から発生する蛍光Ｘ線を検出し、蛍光Ｘ線のスペクトルから試料に含有される元素の定性分析又は定量分析を行う分析手法である。また、試料上の微小部分に集中させたＸ線で試料を走査しながら蛍光Ｘ線を検出することにより、試料に含まれる元素の空間的な分布を分析する蛍光Ｘ線マッピングも行われている。また、Ｘ線分析装置には、気密性のある試料室を備え、試料を内部に配置した状態で試料室内を減圧し、減圧状態で蛍光Ｘ線を測定するものがある。特許文献１には試料室を備え、蛍光Ｘ線マッピングを行うことができる蛍光Ｘ線分析装置が開示されている。

特許第４０４１６０６号公報

蛍光Ｘ線分析の対象となる試料には、空気に暴露されることで変質する可能性のある試料、又は空気中の水分と反応して発火する危険のある試料等、空気に対する暴露を避けるべき試料が存在する。例えば、リチウムイオン電池で使用される電極の材料の一部は、リチウムを含んでおり、空気暴露を避けるべき試料の一つである。従来のＸ線分析装置では、試料を配置した試料室内を減圧した状態では空気暴露を避けることはできるものの、試料の作成時、及び試料室に対して試料を出し入れする作業時には、空気暴露を避けることができない。このため、空気暴露を避けるべき試料の蛍光Ｘ線分析を行うことが困難であるという問題がある。

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、試料の空気暴露を可及的に回避することができる試料ホルダ、試料室、及びＸ線分析装置を提供することにある。

本発明に係る試料ホルダは、試料を保持する可搬型の試料ホルダにおいて、上側に開口部を有しており、試料が内部に配置される箱部と、前記開口部を閉鎖するための蓋部と、前記開口部を前記蓋部で開閉させる電動式の開閉手段と、電力線が接続され、前記電力線からの電力を前記開閉手段へ供給する接続部とを備え、前記箱部及び前記蓋部は、前記蓋部が閉じた状態で前記箱部内の気密性が保たれる構成にしてあることを特徴とする。

本発明に係る試料ホルダは、前記箱部内に、試料が載置される試料台を備え、前記蓋部が開いた状態で前記試料台を昇降させる昇降手段を更に備えることを特徴とする。

本発明に係る試料ホルダは、前記昇降手段は電動式であり、前記接続部は、前記電力線からの電力を前記昇降手段へ供給することを特徴とする。

本発明に係る試料室は、内部に試料を配置することが可能であり、内部を減圧又は内部へ任意の気体を導入する手段を備える試料室において、本発明に係る試料ホルダを内部に配置することが可能であり、前記試料ホルダの接続部に接続されて、前記接続部へ電力を供給するための電力線を備えることを特徴とする。

本発明に係るＸ線分析装置は、本発明に係る試料室と、該試料室内に配置された試料ホルダが保持する試料へ、上側からＸ線を照射する手段と、前記試料から発生した蛍光Ｘ線を検出する手段とを備えることを特徴とする。

本発明においては、試料ホルダは、内部に試料が配置される箱部と、箱部の開口部を開閉する蓋部とを備え、蓋部が閉じた状態では箱部内の気密性が保たれる。減圧又は任意の気体が導入された雰囲気内で箱部に試料を配置し、蓋部を閉じることで、空気暴露を避けながら試料を試料ホルダで保持することができる。

また、本発明においては、試料を載置した試料台を昇降させることにより、Ｘ線分析に適切な位置に試料が配置されるように試料の位置が調整される。

また、本発明においては、試料ホルダの接続部に接続した電力線を介して、蓋部の開閉又は試料台の昇降のための電力を供給することで、試料室内を減圧した状態又は試料室内に不活性ガス等の気体を導入した状態を保ちながら、試料室内で試料ホルダの蓋部を開き、試料ホルダに保持された試料へＸ線を照射して、蛍光Ｘ線分析を行うことができる。

本発明にあっては、試料の作成時、試料室に対して試料ホルダを出し入れする作業時、及び蛍光Ｘ線分析の処理時に、試料の空気暴露を避けることができる。従って、空気暴露を避けるべき試料について、可及的に空気暴露を避けながら蛍光Ｘ線分析を行うことが可能となる等、本発明は優れた効果を奏する。

Ｘ線分析装置の構成を示す模式図である。試料ホルダの模式的斜視図である。試料ホルダの模式的斜視図である。試料台を上昇させた試料ホルダの模式的斜視図である。試料ホルダの電気的構成を示すブロック図である。可搬型の制御機を接続した試料ホルダを示す模式的斜視図である。

以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づき具体的に説明する。
図１は、Ｘ線分析装置の構成を示す模式図である。Ｘ線分析装置は、Ｘ線を発生するＸ線管３１、Ｘ線レンズ３２、蛍光Ｘ線を検出するＸ線検出器３３、試料５が内部に配置される試料室２を備えている。試料室２は、試料５を保持する可搬型の試料ホルダ１を配置することができる空間を内部に有している。試料室２内には、試料ホルダ１を載置することが可能であり、試料ホルダ１を載置した状態で水平方向に移動することが可能な移動ステージ２１が備えられている。

Ｘ線レンズ３２は、Ｘ線管３１からＸ線を入射され、入射されたＸ線を内部で反射させて集束させ、集束させたＸ線を出射端から出射する光学素子である。Ｘ線レンズ３２は、例えば、入射されたＸ線を内部で全反射させながら導光する微細なキャピラリでなるモノキャピラリ、又は多数のキャピラリを束ねたポリキャピラリである。なお、Ｘ線レンズ３２は、ミラーを用いてＸ線を集束させる形態等、モノキャピラリ又はポリキャピラリ以外の形態であってもよい。Ｘ線レンズ３２は、出射端が試料室２の内部に位置し、移動ステージ２１に上から対向するように、試料室２に設けられている。試料５を保持する試料ホルダ１が移動ステージ２１上に載置された状態では、Ｘ線管３１からＸ線レンズ３２へ入射されたＸ線は、Ｘ線レンズ３２で集束され、上から試料５へ照射される。試料５のＸ線を照射された部分では、蛍光Ｘ線が発生し、発生した蛍光Ｘ線はＸ線検出器３３で検出される。図１には、試料５へ照射されるＸ線及び蛍光Ｘ線を矢印で示している。

Ｘ線検出器３３は、試料室２内で蛍光Ｘ線を検出することができる位置に設けられている。Ｘ線検出器３３は、検出素子としてＳｉ素子等の半導体素子を用いた構成となっており、検出した蛍光Ｘ線のエネルギーに比例した信号を出力する。なお、Ｘ線検出器３３は、半導体検出素子以外の検出素子を用いた形態であってもよい。また、Ｘ線検出器３３は、蛍光Ｘ線をエネルギー別に分離して検出するのではなく、蛍光Ｘ線を波長別に分離して検出する形態であってもよい。

Ｘ線検出器３３には、出力した信号を処理する信号処理部３４が接続されている。信号処理部３４は、Ｘ線検出器３３が出力した信号を受け付け、各値の信号をカウントし、Ｘ線検出器３３が検出した蛍光Ｘ線のエネルギーとカウント数との関係、即ち蛍光Ｘ線のスペクトルを取得する処理を行う。Ｘ線管３１及び信号処理部３４は、Ｘ線分析装置の動作を制御する制御装置４に接続されている。制御装置４は、演算を行う演算部と、演算に必要なデータ及びプログラムを記憶する記憶部と、使用者からの操作を受け付ける操作部と、情報を表示する表示部とを備えるコンピュータで構成されている。

試料室２は、開閉することが可能な図示しない扉を有している。扉を開放した状態では、試料ホルダ１を出し入れすることが可能である。試料室２は、扉を閉鎖した状態で内部の気密性を保つことができる構成となっている。Ｘ線分析装置は、試料室２の内部に連通した排気ポンプ２３を備えている。排気ポンプ２３は例えばロータリーポンプである。試料室２の扉を閉鎖した状態で排気ポンプ２３を動作させることにより、試料室２の内部を減圧することが可能である。試料ホルダ１を試料室２内に配置した後で、試料室２の内部を減圧することにより、試料ホルダ１を減圧状態下に置くことができる。なお、Ｘ線分析装置は、減圧した試料室２内へ不活性ガス等の任意の気体を導入することができる形態であってもよい。

移動ステージ２１は、ステッピングモータ等の駆動機構を用いて、試料ホルダ１を載置した状態で水平方向に移動することが可能な構成となっている。移動ステージ２１は、水平面内の少なくとも二方向へ移動できることが望ましい。移動ステージ２１は、制御装置４に接続されている。制御装置４は、移動ステージ２１に試料ホルダ１が載置され、Ｘ線が試料５へ照射されている状態で、移動ステージ２１の動作を制御して、移動ステージ２１を移動させる制御を行う。試料５上の夫々の部分にＸ線が順次照射され、試料５上の夫々の部分で発生した蛍光Ｘ線がＸ線検出器３３で順次検出される。信号処理部３４は、順次信号処理を行うことにより、試料５上の夫々の部分で発生した蛍光Ｘ線のスペクトルを順次生成する。信号処理部３４は、生成した蛍光Ｘ線のスペクトルを示すデータを制御装置４へ順次入力する。制御装置４は、蛍光Ｘ線のスペクトルを示すデータを記憶し、試料５上の夫々の部分で発生した蛍光Ｘ線のスペクトルと試料５上の各部分とを対応させて、蛍光Ｘ線の分布を求める。以上のようにして、Ｘ線分析装置は、蛍光Ｘ線マッピングを実行する。なお、Ｘ線分析装置は、動作の制御を行う装置と、蛍光Ｘ線の分布を求める情報処理を行う装置とを分離させた形態であってもよい。

図２及び図３は、試料ホルダ１の模式的斜視図である。試料ホルダ１は、可搬型であり、容易に持ち運びが可能な大きさに構成されている。試料ホルダ１は、上側を開口部とした箱部１２と、上側から箱部１２を閉鎖するための蓋部１１とを備えている。蓋部１１は、箱部１２の開口部を開閉することが可能になっており、図２は蓋部１１が閉じた状態を示し、図３は蓋部１１が開いた状態を示している。蓋部１１及び箱部１２は、平面視で矩形状になっている。蓋部１１と箱部１２とが接触する部分には、オーリング等の密封用部材が設けられている。蓋部１１及び箱部１２は、蓋部１１が閉じた状態で箱部１２内の気密性が保たれるように構成されている。

蓋部１１は、支持部材１４の上に乗っており、支持部材１４に対して摺動することで、ほぼ水平面内で横方向に移動することが可能になっている。ここで、蓋部１１の移動する方向に対して両脇に位置する部分を側部とする。蓋部１１の両側部には、ブロック状部材１１１が連結している。試料ホルダ１の両側部には、蓋部１１の移動方向に平行な棒状の複数のガイド部材１１３が設けられており、ガイド部材１１３はブロック状部材１１１を貫通している。夫々のブロック状部材１１１には、更に、蓋部１１の移動方向に平行な送りねじ軸１１２が貫通して螺合している。二つの送りねじ軸１１２は、ベルトを含む伝動機構を介してモータ１３に連結している。モータ１３が回転することにより、連動して送りねじ軸１１２が回転し、送りねじ軸１１２の回転に応じてブロック状部材１１１がガイド部材１１３に沿って移動する。ブロック状部材１１１が移動することで、蓋部１１は、横方向に移動し、箱部１２の開口部を開閉することが可能である。蓋部１１の両側面には、突出部が設けられており、支持部材１４の、蓋部１１が閉じた状態で突出部が位置する部分に、突出部の一部に下側から外嵌する形状の溝１４１が形成されている。蓋部１１の突出部が溝１４１にはまり込んで蓋部１１が沈むことで、蓋部１１は、閉じた状態で箱部１２に密着し、箱部１２内が気密状態になる。蓋部１１は、自重で箱部１２に密着するようになっていてもよく、箱部１２に密着するように蓋部１１を付勢する部材が設けられてあってもよい。

箱部１２内には、シート状の試料５を広げて載置するための試料台１６が備えられている。シート状の試料５の大きさは、例えば１０ｃｍ×１０ｃｍである。試料台１６は、横方向に広い平板状であり、シート状の試料５を広げて載置することができるだけの広さを有している。試料５は、試料台１６上に広げて載置されることで試料ホルダ１に保持される。試料ホルダ１は、試料台１６を昇降させる移動機構を備えている。図３は、試料台１６が下降した状態を示している。図４は、試料台１６を上昇させた試料ホルダ１の模式的斜視図である。試料台１６を昇降させる移動機構は、モータ１５を含んでいる。モータ１５は、図示しない伝動機構を介して試料台１６に連結しており、モータ１５が回転することによって試料台１６が昇降する。試料台１６は、試料ホルダ１が移動ステージ２１に載置された状態でＸ線レンズ３２の焦点位置に試料５を持ち上げることができる高さまで上昇することが可能である。また、試料台１６は、試料ホルダ１内の試料台１６以外の部分、例えば蓋部１１よりも高い位置に試料５を持ち上げる高さまで上昇することが望ましい。

図５は、試料ホルダ１の電気的構成を示すブロック図である。試料ホルダ１は、試料ホルダ１外の電力線が接続される接続部１０１を備えており、接続部１０１はモータ１３及び１５に接続されている。接続部１０１は、電力線が着脱可能に接続される接続コネクタである。接続部１０１に接続された電力線から、モータ１３及び１５を動作させるための電力が個別に供給され、接続部１０１は、モータ１３を動作させるための電力をモータ１３へ供給し、モータ１５を動作させるための電力をモータ１５へ供給する。モータ１３及び１５は、電力を供給されて動作し、蓋部１１の開閉及び試料台１６の昇降が行われる。例えば、モータ１３及び１５は直流モータであり、直流電流が供給され、直流電流の向きを調整することによって、モータ１３及び１５の回転方向が制御され、蓋部１１及び試料台１６の移動する向きが制御される。

試料室２内には、試料ホルダ１の接続部１０１に接続されるための電力線２２が備えられている。使用者は、移動ステージ２１に試料ホルダ１を載置した状態で、電力線２２を接続部１０１に接続する。電力線２２は、制御装置４に接続されている。制御装置４は、電力線２２を通じて、モータ１３及び１５を動作させるための電力を接続部１０１へ供給する処理を行うことにより、蓋部１１及び試料台１６の移動を制御する。なお、試料ホルダ１は、モータ１３及び１５の動作を制御する制御部を更に備え、制御装置４は、制御部に所望の制御を行わせるための制御信号を電力と共に試料ホルダ１へ入力する処理を行う形態であってもよい。

接続部１０１には、可搬型の制御機を接続することが可能である。図６は、可搬型の制御機６を接続した試料ホルダ１を示す模式的斜視図である。制御機６は、可搬型であり、容易に持ち運びが可能な大きさに構成されている。制御機６は、接続部１０１に接続される電力線と、使用者からの操作を受けつける操作部とを備え、接続部１０１に電力を供給するための電力源を内部に備えている。制御機６は、接続部１０１に接続された状態で、使用者からの操作に応じて、モータ１３及び１５を動作させるための電力を接続部１０１へ供給する。使用者は、制御機６を操作することによって、蓋部１１を開閉させ、試料台１６を昇降させることができる。なお、試料ホルダ１は、二次電池等の電源を内部に備え、制御信号を入力され、制御信号に従って内部の電源からモータ１３及び１５へ電力を供給する形態であってもよい。また、試料ホルダ１は、赤外線通信で制御信号を入力される形態であってもよい。また、試料ホルダ１は、電磁クラッチ等を用いて、外部から電力が供給されていない状態では手動で蓋部１１及び試料台１６を移動させることができる形態であってもよい。

試料ホルダ１は、空気暴露を避けるべき試料５の蛍光Ｘ線分析を行う際に使用される。このような試料５は、例えば、図示しないグローブボックス等の気密室の中で作成される。また、例えば、試料５は気密容器の中に密閉されて運搬され、気密室の中で気密容器から取り出される。気密室の内部は、例えば１００Ｐａ程度の減圧状態になっており、試料の空気暴露が避けられる。気密室内に、制御機６が接続された試料ホルダ１を配置しておき、使用者は、制御機６を操作して、蓋部１１を開けて試料台１６を上昇させ、試料台１６にシート状の試料５を広げて載置する。使用者は、次に、制御機６を操作して、試料台１６を下降させ、蓋部１１を閉じる。気密室内が減圧された状態で蓋部１１が閉鎖されるので、箱部１２の内部は減圧状態になっている。手動で蓋部１１及び試料台１６を移動させることができる形態では、使用者は、手動で蓋部１１の開閉及び試料台１６の昇降を行う。蓋部１１が閉じた状態で、使用者は、気密室内を常圧に戻し、制御機６を試料ホルダ１から取り外し、試料ホルダ１を気密室から取り出す。試料ホルダ１の外部が常圧になっても、蓋部１１が閉じている箱部１２は気密性を有するので、箱部１２内は減圧状態が保たれており、箱部１２内に配置された試料５の空気暴露が避けられる。なお、気密室内を不活性ガスで満たした状態で作業を行うことも可能である。

気密室から取り出された試料ホルダ１は、Ｘ線分析装置の試料室２まで運搬される。運搬中でも、箱部１２の気密性のために試料５の空気暴露が避けられる。使用者は、運搬してきた試料ホルダ１を試料室２内の移動ステージ２１に載置し、電力線２２を試料ホルダ１の接続部１０１に接続し、試料室２の扉を閉鎖する。使用者は、次に、排気ポンプ２３を動作させて、試料室２内を減圧する。試料室２内は、例えば１００Ｐａ程度まで減圧される。試料室２内が減圧された状態で、制御装置４は、電力線２２を介して、モータ１３を動作させるための電力を試料ホルダ１へ供給し、蓋部１１を開く処理を行う。蓋部１１が開いた状態でも、試料室２内は減圧されているので、箱部１２内にある試料５の空気暴露は避けられる。制御装置４は、更に、モータ１５を動作させるための電力を試料ホルダ１へ供給し、試料台１６を上昇させる処理を行う。試料台１６上に載置されることで試料５は保持されている。制御装置４は、試料ホルダ１が載置された移動ステージ２１を移動させ、Ｘ線管３１からＸ線レンズ３２を通してＸ線を試料５へ上から照射させ、Ｘ線検出器３３で検出された蛍光Ｘ線のスペクトルを示すデータを受け付け、蛍光Ｘ線マッピングの処理を実行する。なお、減圧した試料室２内を減圧した後で不活性ガスを導入し、不活性ガスの雰囲気内で蛍光Ｘ線マッピングの処理を行ってもよい。

以上詳述した如く、本実施の形態においては、試料ホルダ１は、気密性を保ちながら試料５を保持するので、試料の作成時、及び試料室２に対して試料ホルダ１を出し入れする作業時に、試料５の空気暴露を避けることができる。また、試料ホルダ１外から電力を接続部１０１へ入力することで、試料室２内を減圧した状態を保ちながら、試料室２内で試料ホルダ１の蓋部１１を開くことができる。減圧した試料室２内で蓋部１１を開いた状態で、空気暴露を避けながら試料５の蛍光Ｘ線分析を実行することができる。このように、試料ホルダ１を用いることにより、空気暴露を避けるべき試料５について、可及的に空気暴露を避けながら蛍光Ｘ線分析を実行することが可能となる。

また、試料ホルダ１は、横方向に蓋部１１を移動させることによって蓋部１１を開閉させる。蓋部１１を上下方向に移動させる方法に比べて、Ｘ線レンズ３２等の試料室２内の構造物に蓋部１１が接触する危険が小さくなり、試料室２内の構造物又は試料ホルダ１を損傷させずに安全な蛍光Ｘ線分析が可能となる。また、試料ホルダ１は、蓋部１１が開いた状態で、試料台１６を上昇させることにより、Ｘ線レンズ３２によるＸ線の焦点位置に配置されるように試料５の位置を調整し、精度の良い蛍光Ｘ線分析が可能となる。Ｘ線レンズ３２等を動かす方法に比べて、試料台１６を昇降することによって容易に試料５の位置を調整することができる。特に、試料台１６が試料ホルダ１の他の部分よりも高い位置に試料５を持ち上げた状態で蛍光Ｘ線マッピングを実行することにより、Ｘ線レンズ３２等の試料室２内の構造物が試料ホルダ１に接触する危険が小さくなり、損傷を避けて安全に蛍光Ｘ線マッピングを実行することが可能となる。

なお、本実施の形態においては、移動ステージ２１を移動させることによってＸ線で試料５を走査する形態を示したが、Ｘ線分析装置は、集束させたＸ線の方向を変更させることによってＸ線で試料５を走査する形態であってもよい。また、本実施の形態においては、蛍光Ｘ線マッピングを行う形態を示したが、Ｘ線分析装置は、Ｘ線の走査を行わずに、試料５の蛍光Ｘ線分析を行う形態であってもよい。また、Ｘ線分析装置は、Ｘ線レンズ３２として、モノキャピラリ又はポリキャピラリの他、コリメータ等を使用した形態であってもよい。また、試料ホルダ１は、Ｘ線分析に用いられる試料５を保持するために使用されるだけでなく、ラマン分光用の試料等、Ｘ線以外の光が試料に照射される分析に用いられる試料を保持するために使用されることも可能である。

１試料ホルダ
１０１接続部
１１蓋部
１２箱部
１３、１５モータ
１６試料台
２試料室
２１移動ステージ
２２電力線
２３排気ポンプ
３１Ｘ線管
３２Ｘ線レンズ
３３Ｘ線検出器
３４信号処理部
４制御装置
５試料
６制御機

Claims

試料を保持する可搬型の試料ホルダにおいて、
上側に開口部を有しており、試料が内部に配置される箱部と、
前記開口部を閉鎖するための蓋部と、
前記開口部を前記蓋部で開閉させる電動式の開閉手段と、
電力線が接続され、前記電力線からの電力を前記開閉手段へ供給する接続部とを備え、
前記箱部及び前記蓋部は、前記蓋部が閉じた状態で前記箱部内の気密性が保たれる構成にしてあること
を特徴とする試料ホルダ。
前記箱部内に、試料が載置される試料台を備え、
前記蓋部が開いた状態で前記試料台を昇降させる昇降手段を更に備えること
を特徴とする請求項１に記載の試料ホルダ。
前記昇降手段は電動式であり、
前記接続部は、前記電力線からの電力を前記昇降手段へ供給すること
を特徴とする請求項２に記載の試料ホルダ。
内部に試料を配置することが可能であり、内部を減圧又は内部へ任意の気体を導入する手段を備える試料室において、
請求項１乃至３のいずれか一つに記載の試料ホルダを内部に配置することが可能であり、
前記試料ホルダの接続部に接続されて、前記接続部へ電力を供給するための電力線を備えること
を特徴とする試料室。
請求項４に記載の試料室と、
該試料室内に配置された試料ホルダが保持する試料へ、上側からＸ線を照射する手段と、
前記試料から発生した蛍光Ｘ線を検出する手段と
を備えることを特徴とするＸ線分析装置。