JP6198406B2 - マイクロ回折方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、X線回折の方法及びそのための装置に関する。

X線回折は材料分析技術としてよく知られている。多くの用途において、単に試料の１点についてではなく、試料表面の多数の点について分析を行うことが有用である。このことは、特に、表面全体が不均一な結晶である試料の場合に当てはまる。

そのような場合、一般に、試料を非常に小さいスポットで照射し、その点についての回折像を測定することができるようにしてX線回折を行うことが必要である。このことは多くの困難を伴う。このスポットは、通常、ピンホール又は非常に低いX線強度を生み出すマイクロ回折のための他の専用のX線光学系を使用することにより達成される。更に、試料の他の領域を画像化するために、試料を移動（同等にスポットを移動）させることが必要であるが、このことは、正確な試料の位置決めができること（サンプルステージ）を必要とする。

しかしながら、これは、試料が移動する度に非常に正確な試料の整列が必要とされる高分解度においては特に困難である。したがって、試料の表面を横切るこのX線回折は非常に困難であり、また、時間を費やすものである。

したがって、試料をX線回折により測定するための改良された技術に対しての要請が存在している。

本発明によれば、試料表面を有する試料を測定するためのX線回折方法が提供され、この方法は：
a) 試料の表面に沿ってy方向に延びる照射されるストリップ（照射ストリップ）に沿ってX線ビームを照射し；
b)前記試料と2次元検出器の間のマスクを通して前記照射ストリップに沿う試料によって回折されたX線を通過させ、前記マスクは、前記y方向に対して実質的に直交して延びるスリットを持ち、前記照射ストリップに沿う異なる位置から回折されるX線が前記２次元X線検出器上のy方向に沿う異なる位置において受光され、；
c) 前記２次元検出器のｙ方向に沿う異なる位置が前記照射ストリップに沿う異なる位置に対応し、且つ、前記２次元Ｘ線検出器上の線方向に対して直交する方向、z’、における異なる位置が異なる回折角２θに対応するようにして、前記試料により回折されるX線を前記２次元X線検出器において検出する、
ことを含む。

試料上のストリップを照射することにより、また、正確な方向に整列したマスクと２次元Ｘ線検出器を使用することにより、前記照射ストリップに沿う複数の位置におけるＸ線回折パターンが必然的に同時に測定される。

照射ストリップは線源スリットを使用して形成される。この線源スリットは試料上で照射ストリップを移動させるために動かすことができ、これにより、異なるストリップに沿うX線回折パターンを容易に測定することができる。したがって、試料表面のｘ方向及びｙ方向にわたる回折パターンを比較的容易に測定することができる。上記に替えて、代替コリメートX線光学系を使用することができる。

試料と２次元X線検出器との間の距離の割合としてのマスクと試料との間の距離は、２次元X線検出器により画像化される照射ストリップの長さを変えるために変えることができる。

本発明は、請求項８に記載されるようなX線回折装置に関するものであり、上述のような方法を実施することに適用されるものである。

本発明をより良く理解するため、以下に図面を参照して実施例を述べる。
なお、図は模式的であり、寸法を示すものでない。

本発明の第１の実施例の外観図である。 図１の装置の側面図である。 本発明を使用して得られた結果を示す図である。 フォトマイクログラフを示す図である。 放物面ミラーを使用した結果を示す図である。 楕円ミラーを使用した結果を示す図である。

図１及び図２を参照すると、X線源２はソーススリット６を通るX線を発生するために使用される。これは試料ホルダー１２上の試料１０の表面上を照射するシート状のX線ビームを生成する。幅の狭いソーススリット６は、ｙ方向に延び、ｘ方向の幅ｗを有する幅の狭い照射ストリップ１６を形成する。この実施例においては、幅ｗは０．０５ｍｍ〜２ｍｍの範囲である。

照射ストリップ１６の入射X線は試料１０により回折され、回折ビームを形成し、マスク２０を通り、２次元X線検出器２２へ至る。マスク２０はスリット２４を有し、このスリットは照射ストリップ１６が延びる方向、即ち、ｙ方向に対して直交する方向に延びる。マスク２０は、試料１０とX線検出器２２の間の概略中間部分、例えば、マスク２０は照射ストリップ１６からの距離が、照射ストリップ１６とX線検出器２２の間の距離の２０％〜８０％の距離に置かれる。

上記の配置の結果、X線検出器２２の異なる領域が照射ストリップ１６の長さ方向に沿う異なる位置からのX線を受光することとなる。

ここで、X線検出器上のライン３０について考える。図１からわかるように、このライン上の入射X線は照射ストリップの一端側のスポット３２からのものである。検出器のピクセルサイズ及びX線ビームの軸方向（ｙ方向）の発散は、スポット３２の周辺部がライン３４で検出される信号に対してどの程度寄与するか、即ち、有効解像度を決定する。ライン３０の長さ方向の異なる点は異なる回折角２θに対応する。同様に、X線検出器上のライン３４について考えると、これは照射ストリップ１６上のスポット３６からの回折されたX線を受けるものである。ライン３４に沿う異なる位置は異なる回折角２θに対応する。

したがって、２次元X線検出器上に記録される強度に関する情報は、２次元X線検出器２２上のｙ方向に沿う変化が照射ストリップ１６のｙ方向に沿う異なる位置に対応するものとしての変化曲線を与える。２次元X線検出器上のｚ’方向に沿う変化は、異なる回折角２θの異なる回折強度の変化曲線に対応する。

このようにして照射ストリップに沿う試料上の多数のスポットから得られるデータを同時に得ることが可能となる。このことは試料をｙ方向に移動する必要なしに高速のマイクロ回折分析を可能にする。更に、２次元検出器のピクセル周辺の強度の単純な積分（ｙ方向）により有効スポット解像度とその試料領域からの補正された強度との間で最適化することが、（光学系を採用する必要なしに）可能となる。

更に、試料をｙ方向に正確に整列させる必要もない。整列は困難で労力を費やす処理であり、この必要をなくすことは実験のセットに要する時間を大幅に改善する。

マスクのスリットは（２θ方向に沿う）回折面内にできるだけ正確に向けられる必要がある。これにより、検出器が動いたとき、検出器上での測定結果が不鮮明になり、解像度が悪くなることを少なくする。試料上での照射ストリップの向きはそれほど厳密なものでなく、多少は傾斜していてもよい。もし、ジオメトリーがわかっていれば、対応する２θ角度を修正することができる。

マスク２０のスリット２４のサイズは、ソーススリット６のサイズがそうであるように、変更することがきる。これらは、記録される強度とスポットの解像度を最適化するために調節することができる。ｙ方向の解像度はスリット２４によって調節され、試料上のｘ方向のスポット解像度はソーススリット６により調節される。更に、X線ビームの軸方向の発散（ｙ方向の発散）と検出器のピクセルサイズは記録されるデータの２θ解像度と同様に試料上の達成可能なスポット解像度に影響を与える。ソーラスリット（Soller slit）を線源２と試料１０の間（スリット６の前又は後）に追加して設け、Ｘ線ビームの軸方向発散（ｙ方向発散）を制限するようにすることができる。軸方向発散を小さくすることは記録データの２θ解像度と共にスポット解像度を改善する。

マスク２０と検出器２２との距離は検出器２２上のパターンを拡大したり縮小したりするために調整される。マスクを検出器に近づけると検出器は照射ストリップ１６は長くなり、マスクを検出器から遠い位置に移動すると、検出器は照射ストリップ１６を短くする。

いかなる専用の光学系をも必要とすることはない。

試料上の異なる点の像を得るために要求されるｙ方向の試料の移動も必要としない。このことは試料台にかかる費用を抑えることができる。

更に、ソーススリット６が、試料の異なる点を照射するためにｘ方向の動かすことができれば、試料をｘ方向に動かす必要もなくなる。したがって、この場合、本発明は、試料の表面に亘る結果を達成するためにｘ方向又はｙ方向への移動の制御を必要としない試料台を備える装置への適用が可能となる。

この回折装置はラインフォーカス（線状焦点）モードにおいて使用することができ、試料の照射をポイントフォーカス（点焦点）に減少する必要がない。このように、Ｘ線の線束は点焦点の装置に比較してかなり大きくすることができる。

代替の実施例として、試料状の照射ストリップ１６の幅の制御をより大きくするために、線源側にコリメータ等の更なるビーム光学系を使用することができる。このようにして、幅ｗを０．０５ｍｍにまですることを達成することができる。

装置の組立てと測定結果を以下に示す。

測定に当たり、システムは０．５ｍｍ幅の照射ストリップと０．０４ラジアンソーラスリットを生成するソーススリット６用いて設計された。試料台は固定され、試料はそこに取り付けられた。PIXcel^3D（商標）検出器が検出器として使用される。マスク２０として、０．２５ｍｍ幅、０．１５ｍｍ幅及び０．０５ｍｍ幅のスリットを持つマスクが、試料と検出器の距離の略中間に固定されるホルダーにより配置された。

上記の組立によりスキャンが実行された。近傍の１０ピクセル（単位ピクセル当たり５５μｍ）の積分により生成された１次元グラフが図３に示されている。使用されたマスクのサイズにより、これは、０．５ｍｍ×０．６５ｍｍ（０．０５ｍｍマスク）と０．５ｍｍ×１．０５ｍｍ（０．２５ｍｍマスク）の間の試料上（ｘ、ｙ）のスポット解像度に対応している。図３のグラフは、２θに対する計数値（強度値）を示している。試料のｙ方向の空間解像度については、近傍ピクセルより少ないピクセルで積分することが単純に可能となる。

図４は、検出器の端を横切る異なる位置における２θの関数としての回折パターンを示すフォトマイクログラフであり、各グラフは、図１のｚ’方向のラインに沿う強度（計数値）のグラフであり、異なるグラフは、図１の異なるライン３０，３４、即ち、ｙ軸に沿って変位するラインに対応するものである。
ラインに沿って成分が変化することがわかる。

線源側に異なる入射ビームソーラースリットとパラボラミラー及び楕円ミラーを用いて追加テストが行われた。これらの実験は、パラボラミラーが僅かに良い角度解像度を与え、ダブレット（２バイト）より僅かに良い解像度を示すことができる。この実験は、LaB₆の試料を測定し、X線ミラーの前の０．１ｍｍソーススリットを使用して２θ＝２１．４°における反射のα1/2分離ピークを解像することができた。前記ソーススリットは、パラボラミラーの場合は、試料の位置で略０．１７ｍｍビーム幅（０．１７ｍｍ/sin θ照射ストリップ幅）、楕円ミラーの場合は、略０．１０ｍｍビーム幅（０．１０ｍｍ/sin θ照射ストリップ幅）、即ち、パラボラミラーについては０．０９ｍｍに対応する０．０５０ｍｍソーススリット、楕円ミラーの場合については略０．０５０ｍｍビーム幅に対応する。図５及び６は、図５がパラボラミラーと共に０．１０ｍｍのソーススリットを使用して測定されたピークを示し、図６が楕円ミラーを使用した場合のピークを示す。

本発明は、ある範囲の試料について適用することができる。しかしながら、特に有用な用途は、表面に亘り不均一な試料についてである。スポットサイズ内では、マイクロ回折により相分析実験において典型的に調査される試料の場合に当てはまるように、反射を得るには十分に異なる粒子配向が存在することが必要である。典型的な試料は、不均一な粒子/粒子表面構造を持ち、比較的平坦な表面を持つ、例えば、地質学上の試料のような固体対象物であるが、不均一な薬剤、コンクリート等でもよい。

照射ストリップの替わりにペンシル型ビーム（小さいスポット）を使用する従来のマイクロ回折と比べると、検出器の端部で検出されるX線は２θが異なるジオメトリーに起因して僅かにシフトする。上述のジオメトリーにおいて、検出器の端部で検出されるX線の観察されるシフトは、検出器の中央（ｙ方向における距離）への検出器領域の距離に依存するが、スリット位置（検出器と試料までの距離）にも依存する。例えば、スリットを試料と検出器の中間に配置されると、観察される２θのシフトは、標準の（従来の）マイクロ回折実験で観察される中央検出器からの距離の２倍の位置におけるものに対応する。

これらのジオメトリー上の影響は計算により補正することができる。

２ Ｘ線源
４ Ｘ線ビーム
６ ソーススリット
１０ 試料
１２ 試料台
１６ 照射ストリップ
２０ マスク
２２ ２次元Ｘ線検出器

Claims (10)

1. 試料表面を有する試料を測定するためのX線回折法であって、
   前記試料の表面のｙ方向に沿って延びる照射ストリップに沿ってX線ビームを照射するステップと；
   前記照射ストリップに沿う試料によって回折されるX線を、前記試料と２次元X線検出器の間であって、前記照射ストリップから、前記照射ストリップと前記２次元X線検出器までの距離の２０％〜８０％の距離に配置され、前記ｙ方向に直交する方向に延びるスリットを持つマスクを通過させ、前記照射ストリップに沿う異なる位置から回折されるX線が前記２次元X線検出器上のｙ方向に沿う異なる位置において同時に受光されるようにするステップと；
   前記２次元X線検出器におけるｙ方向に沿う異なる位置が、前記照射ストリップに沿う異なる位置に対応し、前記２次元X線検出器上のｙ方向に直交する方向ｚ’における異なる位置が、異なる回折角２θに対応するように、前記２次元X線検出器において前記試料から回折されるX線を同時に検出するステップ、
   を有するX線回折方法。
   
2. 前記ビームを照射するステップは、X線源を使用してX線を発生し、前記発生したX線を、前記試料を照射するためのソーススリットを通過させるステップを有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記試料の表面上で前記照射ストリップの位置を移動させるために、前記ソーススリットを移動させるステップを更に有する請求項２に記載の方法。
4. 付加的な調整用光学系を更に有する請求項１乃至３のいずれかの請求項に記載の方法。
5. 前記試料は不均一な表面を有するものである請求項１乃至４のいずれかの請求項に記載の方法。
6. 前記２次元X線検出器によって描かれる前記照射ストリップの長さを変えるために、前記マスクの位置を調節するステップを更に含む、請求項１乃至５のいずれかの請求項に記載の方法。
7. 前記照射ストリップの幅が０．０５ｍｍ〜２ｍｍである請求項１乃至６のいずれかの請求項に記載の方法。
8. 試料表面を有する試料を測定するためのX線回折装置であって、
   X線ビームを発生するX線源と；
   前記試料を支持する試料台と；
   前記X線源と前記試料台との間に配置され、前記試料の表面にｙ方向に延びる照射ストリップを照射するために前記ビームを制限するように設けられるＸ線光学系と；
   前記試料により回折されたＸ線を検出するための２次元Ｘ線検出器と；
   前記試料と前記２次元Ｘ線検出器との間であって、前記照射ストリップから、前記照射ストリップと前記２次元X線検出器までの距離の２０％〜８０％の距離に配置され、配置され、前記ｙ方向に直交して延びるスリットを有し、前記照射ストリップに沿う異なる位置から回折されるＸ線が前記２次元Ｘ線検出器上の前記ｙ方向に沿う異なる位置において同時に受光されるようにしたマスク、
   を有するX線回折装置。
9. 前記Ｘ線光学系はソーススリットを有する請求項８に記載のX線回折装置。
10. Ｘ線回折装置を操作する方法であって、
    Ｘ線源からのＸ線ビームを、Ｘ線光学系を通過させて、試料上のｙ方向に延びる照射ストリップに沿って照射するステップと；
    前記照射ストリップに沿った前記試料によって回折したＸ線を、前記照射ストリップから、前記照射ストリップと２次元Ｘ線検出器までの距離の２０％〜８０％の距離に配置されマスクのスリットを通し、前記照射ストリップに沿う異なる位置から回折されるＸ線が、２次元Ｘ線検出器上のｙ方向に沿う異なる位置で同時に受光されるようにするステップと；
    前記２次元Ｘ線検出器におけるｙ方向に沿う異なる位置が、前記照射ストリップに沿う異なる位置に対応し、前記２次元Ｘ線検出器上のｙ方向に対して直交する方向ｚ’における異なる位置が異なる回折角２θに対応するように、前記２次元Ｘ線検出器において前記試料により回折したＸ線を同時に検出するステップ、
    を有する方法。

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