JP6357794B2 - X線回折装置およびx線回折装置の感度補正方法 - Google Patents

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Description

本発明は、試料に特性X線を照射し、試料によって回折されたX線を検出して試料成分の定性・定量分析を行うX線回折装置およびX線回折装置の感度補正方法に関する。
X線回折装置は、X線源から特性X線を粉末試料等に照射し、粉末試料等から放射される回折X線をゴニオメータに搭載されたX線検出器によって回折角度ごとに検出するものである(例えば、特許文献1参照)。これにより、粉末試料等に含まれる結晶成分の定性・定量分析を行っている。
図8は、従来のX線回折装置の一例を示す概略構成図である。X線回折装置101は、X線源部10と、検出部120と、ゴニオメータ30と、X線回折装置101全体の制御を行うコンピュータ140とを備える。なお、ここでは、試料Sとして、試料ホルダ等を用いて20mm角程度の大きさの平板状に成形された粉末試料を用いることとする。
X線源部10は、X線管11と、所定の設置位置と所定のスリット幅とを持つ発散スリット12とを備える。X線管11は、例えば、ポイントフォーカスのX線管球であり、筐体を有し、筐体の内部に陽極であるターゲットと陰極であるフィラメントとが配置されている。これにより、ターゲットとフィラメントとの間に高電圧を印加することで、フィラメントから放射された熱電子をターゲットに衝突させて、ターゲットで発生した特性X線を出射するようになっている。そして、特性X線は、発散スリット12によってその広がりが1°〜3°程度に規制されて出射されるようになっている。
検出部120は、検出スリット121と、1個(1ch)の検出素子からなるX線検出器122とを備える。そして、検出素子から実測X線強度(読出データ)Iがコンピュータ140に出力されるようになっている。
また、検出部120は、ゴニオメータ30の2θ軸に搭載されるとともに、粉末試料Sは、ゴニオメータ30のθ軸に搭載されるようになっており、θ−2θ連動の駆動方法でゴニオメータ30の中心軸を中心として回転されることにより、回折角度ごとに実測X線強度Iが出力されていくことで、X線回折パターンが得られるようになっている。
コンピュータ140は、CPU141と入力装置42と表示装置43とメモリ144とを備える。CPU141が処理する機能をブロック化して説明すると、X線管11から特性X線を出射させるX線源制御部41aと、X線検出器122から実測X線強度Iを取得する取得部141bと、X線強度分布画像を作成するX線強度分布画像作成部141cと、ゴニオメータ30を回転駆動する動作制御部41eとを有する。
このようなX線回折装置101では、粉末試料Sを分析する際に、まず、ユーザ(顧客)は、粉末試料Sをθ軸上のゴニオメータ30の中心に載置する。そして、X線管11から出射された特性X線が発散スリット12を介して粉末試料S表面に照射される。このとき、ゴニオメータ30の2θ軸がθ軸に対して2倍の関係を保ちながら連動して回転駆動され、粉末試料Sから放射される回折X線が2θ軸に搭載された検出スリット121とX線検出器122とによって検出されていく。
また、検出部として、粉末試料Sを短時間で分析するために、X線強度を検出するN個(例えば1280個)の検出素子が一次元に配列された検出面を有するラインセンサを備えるX線回折装置が開発されている。
ところで、ラインセンサが出力する実測X線強度データは、検出素子ごとの感度特性のバラツキ等によって、真の(正確な)X線強度分布ではなく、強度ムラを含んでいる(図6参照)。
そこで、ラインセンサを備えるX線回折装置では、メモリに各検出素子に対してそれぞれ感度補正係数α(検出素子番号n=1、2、・・・、N)を予め記憶させておき、ユーザが粉末試料Sを測定したときには、CPU(X線強度分布画像作成部)が、感度補正係数αと下記式(1)とを用いて検出素子で検出された実測X線強度(読出データ)Iを補正演算し、補正X線強度I’と検出素子番号nとの関係を示す補正X線強度分布画像を作成して表示装置に表示している(図7参照)。
補正X線強度(測定データ)I’=実測X線強度I×感度補正係数α・・・(1)
ここで、メモリに記憶させる感度補正係数α(検出素子番号n=1、2、・・・、N)は、一様な強度のX線を検出器全面に照射し、全検出素子で検出された実測X線強度Iの平均X線強度Iaveと、各検出素子について実測X線強度Iと下記式(2)とを用いて算出される。
感度補正係数α=平均X線強度Iave/実測X線強度I・・・(2)
なお、Iave=(I+I+・・・+I+・・・+I(N−1)+I)/N
特開平10−185844号公報
しかしながら、上述したような感度補正係数算出方法では、高価で大掛かりな均一X線源(特殊なX線源)を準備する必要がある。このような均一X線源は、ラインセンサ生産工場等では配備可能であるが、ユーザの使用環境下であるフィールドに配備することは困難である。よって、ユーザの使用環境下であるフィールドで感度補正係数αの再調整が必要になった場合には、ラインセンサを外してラインセンサ生産工場等に送り返す必要が生じるという問題点があった。また、X線回折装置の状態で感度補正係数αの再調整の必要性の確認を行うことが困難であるという問題点もあった。
そこで、本発明は、均一X線源(特殊なX線源)を用いず、手軽に用意できる汎用X線源を用いて感度補正係数αを算出することができ、感度補正係数αの再調整が可能なX線回折装置等を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明のX線回折装置では、以下に説明する感度補正係数算出システムが利用される。すなわち、本発明の前提となるX線検出器の感度補正係数算出システムは、X線強度を検出する検出素子が一次元又は二次元に配列された検出面を有するX線検出器の感度補正係数算出システムであって、近似関数で前記検出面に照射されるX線強度分布のフィッティングが可能なX線源を用いて、各検出素子について検出された実測X線強度によって求めたX線強度分布の関数フィッティングを行い、そのフィッティングされた近似関数から算出される算出X線強度と実測X線強度との比によって、各検出素子の感度補正係数を求めるようにしている。
のX線検出器の感度補正係数算出システムによれば、例えば、まず、ユーザやサービスマン等は、急峻な強度差がないX線が検出器に照射される条件で測定を行う。つまり、特殊なX線源を用意するのではなく、例えばユーザ所有の装置そのもので測定を行う。次に、ユーザやサービスマン等は、得られた実測X線強度分布を近似関数によりフィッティングさせる。次に、各検出素子について、検出された実測X線強度Iと近似関数から算出される算出X線強度iと下記式(3)とを用いて感度補正係数αを算出する。
感度補正係数α=算出X線強度i/実測X線強度I・・・(3)
このようなX線検出器の感度補正係数算出システムによれば、特殊なX線源を準備しなくても、検出器に場所による急峻な強度差がないX線を照射することができれば感度補正係数αを算出することができる。
また、ラインセンサ生産工場等において、何らかの近似関数で強度分布のフィッティングが可能なX線源を用いて実施するようにしてもよい。この場合、ラインセンサ生産工場等で準備するX線源にも汎用的なものを用いることができるようになる。
して、上記課題を解決するためになされた本発明のX線回折装置では、上述した感度補正係数算出システムを利用する。すなわち、本発明のX線回折装置は、ゴニオメータのθ軸に搭載された試料に特性X線を出射するX線管球を用いたX線源と、ゴニオメータの2θ軸に搭載され、前記試料から放射されるX線強度を検出する検出素子が一次元又は二次元に配列された検出面を有するX線検出器と、各検出素子に対してそれぞれ感度補正係数を記憶するための補正係数記憶部と、前記感度補正係数を用いて前記検出素子で検出された実測X線強度を補正演算して、補正X線強度分布画像を作成するX線強度分布画像作成部とを備えるX線回折装置であって、回折ピークの存在しない領域を有するX線を放射する標準試料を測定して各検出素子で検出された実測X線強度によって求めた実測X線強度分布を近似関数で関数フィッティングし、そのフィッティング関数により算出される算出X線強度と実測X線強度との比を各検出素子に対する感度補正係数として補正係数記憶部に記憶させる制御部を備えるようにしている。
また、上記の発明では、前記制御部は、前記フィッティング関数を多項式関数としてもよい。
本発明のX線回折装置によれば、例えば、まず、ユーザやサービスマン等は、例えば「補正係数算出モード」に設定する。つまり、補正X線強度I’を算出することになる「試料分析モード」を「OFF」にする。次に、ユーザやサービスマン等が標準試料(急峻な強度差がない領域を有するX線を放射する試料)S’等を配置する。つまり、X線回折装置の状態で感度補正係数αを算出することになる。
次に、ユーザやサービスマン等は、その準備した標準試料S’からのX線を検出面に照射する。次に、ユーザやサービスマン等は、その準備した標準試料S’から放射されるX線強度分布を近似関数(例えば三次関数)によりフィッティングさせる。次に、各検出素子について、検出された実測X線強度Iと近似関数から算出される算出X線強度iと式(3)とを用いて感度補正係数αを算出する。最後に、N個の感度補正係数αを補正係数記憶部に記憶させる。
以上のように、本発明のX線回折装置によれば、ユーザ等への出荷前のみならず出荷後等に適宜、例えば「補正係数算出モード」にして標準試料(場所による急峻な強度差がない領域を有するX線を放射する試料)S’等を配置するだけで、感度補正係数αを算出することができる
また、別の観点からなされた本発明のX線回折装置の感度補正方法では、ゴニオメータのθ軸に搭載された試料に特性X線を出射するX線管球を用いたX線源と、ゴニオメータの2θ軸に搭載され、前記試料から放射されるX線強度を検出する検出素子が一次元又は二次元に配列された検出面を有するX線検出器と、前記X線検出器の各検出素子に対してそれぞれ感度補正係数を記憶するための補正係数記憶部と、前記感度補正係数を用いて前記検出素子で検出された実測X線強度を補正演算して、補正X線強度分布画像を作成するX線強度分布画像作成部とを備えるX線回折装置の感度補正方法であって、回折ピークの存在しない領域を有するX線を放射する標準試料を測定し、前記各検出素子で検出された実測X線強度によって求めた実測X線強度分布を近似関数で関数フィッティングし、そのフィッティング関数により算出される算出X線強度と実測X線強度との比を前記各検出素子に対する感度補正係数として補正係数記憶部に記憶させるようにしている。
本発明の実施形態に係るX線回折装置の一例を示す概略構成図。 本発明のX線回折装置の使用方法を説明するフローチャート。 ラインセンサが検出した標準試料からの実測X線強度分布を示すグラフ。 各検出素子についての実測X線強度Iと算出X線強度iとを重ねて示すグラフ。 各検出素子の感度補正係数を示すグラフ。 ラインセンサが検出した粉末試料からの実測X線強度分布を示すグラフ。 補正X線強度分布画像を示すグラフ。 従来のX線回折装置の一例を示す概略構成図。
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。
図1は、本発明の実施形態に係るX線回折装置の一例を示す概略構成図である。なお、X線回折装置101と同様のものについては、同じ符号を付している。
X線回折装置1は、X線源部10と、検出部20と、ゴニオメータ30と、X線回折装置1全体の制御を行うコンピュータ40とを備える。
検出部20は、N個(例えば1280個)の検出素子(半導体素子)が一次元に配列された検出面を有するラインセンサ(X線検出器)21を備える。そして、各検出素子から実測X線強度(読出データ)I(検出素子番号n=1、2、・・・、N)がコンピュータ(制御部)40にそれぞれ出力されるようになっている。
また、検出部20は、ゴニオメータ30の2θ軸に搭載されるとともに、測定対象試料Sは、ゴニオメータ30のθ軸に搭載されるようになっており、θ−2θ連動の駆動方法でゴニオメータ30の中心軸を中心として回転されるようになっている。
コンピュータ40は、CPU41と入力装置42と表示装置43とメモリ44とを備える。CPU41が処理する機能をブロック化して説明すると、X線管11から特性X線を出射させるX線源制御部41aと、ラインセンサ21からN個の実測X線強度Iを取得する取得部41bと、補正X線強度分布画像を作成するX線強度分布画像作成部41cと、N個の感度補正係数αを算出する補正係数算出部41dと、ゴニオメータ30を回転駆動する動作制御部41eとを有する。
また、メモリ44は、N個の感度補正係数αを記憶するための補正係数記憶部44aを有する。
X線強度分布画像作成部41cは、入力装置42からの入力信号に基づいて、「試料分析モード」が「ON」に設定されたときには、補正係数記憶部44aに記憶されている感度補正係数αと取得部41bで取得された実測X線強度Iとを式(1)に代入して補正X線強度I’を算出し、補正X線強度I’と検出素子番号nとの関係を示す補正X線強度分布画像を作成して表示装置43に表示する制御を行う。
なお、ユーザ等は「試料分析モード」を「ON」に設定したときには、測定対象試料Sをθ軸上のゴニオメータ30の中心に載置することになるが、この測定対象試料Sとしては、例えば試料ホルダ等を用いて20mm角程度の大きさの平板状に成形された粉末試料等が挙げられる。
補正係数算出部41dは、入力装置42からの入力信号に基づいて、「試料分析モード」が「OFF」に設定されたとき、つまり「補正係数算出モード」に設定されたときには、各検出素子について、取得部41bで取得された実測X線強度Iを三次関数(4)でフィッティングして近似三次関数(4’)を求め、近似三次関数(4’)から算出される算出X線強度iと実測X線強度Iとを式(3)に代入して感度補正係数αを算出し、補正係数記憶部44aに記憶させる制御を行う。
I=an+bn+cn+d・・・(4)
I=−1−0.6−0.0024n+0.384n+31744・・・(4’)
なお、ユーザやサービスマン等が「補正係数算出モード」を設定したときには、急峻な強度差がない領域を有するX線を放射する標準試料(既知試料)S’をθ軸上のゴニオメータ30の中心に載置することになるが、この標準試料S’としては、例えば20mm角程度の大きさの平板状に成形された銅板等が挙げられる。また、回折ピークの存在しない領域(バックグラウンド領域)を有するX線を放射する銅板である標準試料S’から実測X線強度Iを取得部41bが取得する際には、動作制御部41eによってゴニオメータ30が自動的に回転駆動されて、回折ピークの存在しない領域の回折X線がラインセンサ21の検出面に照射されるようにしてもよい。
次に、X線回折装置1の使用方法の一例について説明する。図2は、使用方法について説明するためのフローチャートである。
まず、ステップS101の処理において、CPU41は、「試料分析モード」が「OFF」に設定されたか否かを判定する。
「試料分析モード」が「OFF」に設定された、つまり「補正係数算出モード」に設定されたと判定したときには、ステップS102の処理に進む。
ステップS102の処理において、ユーザは、標準試料S’をθ軸上のゴニオメータ30の中心に載置する。
次に、ステップS103の処理において、X線管11から出射された特性X線が、発散スリット12を介して標準試料S’表面に照射され、標準試料S’から放射される回折X線が2θ軸に搭載されたラインセンサ21によって検出される。図3は、ラインセンサ21によって検出された標準試料S’からの実測X線強度分布を示すグラフである。
次に、ステップS104の処理において、補正係数算出部41dは、取得部41bで取得された実測X線強度Iを、公知の演算等を用いて三次関数(4)でフィッティングし、近似三次関数(4’)を作成する。
さらにステップS105の処理において、近似三次関数(4’)を用いて各検出素子について算出X線強度iを算出する。図4は、各検出素子についての実測X線強度Iと算出X線強度iとをグラフ上に重ねて示したものである。
次に、ステップS106の処理において、補正係数算出部41dは、各検出素子について、実測X線強度Iと算出X線強度iとを式(3)に代入して感度補正係数αを算出し、補正係数記憶部44aに記憶させる。図5は、各検出素子についての感度補正係数αを示すグラフである。そして、ステップS106の処理の終了後は再びステップS101の処理に戻る。つまり、「補正係数算出モード」が設定されると、ステップS102〜S106の処理が実行され、補正係数記憶部44aに記憶されているN個の感度補正係数αがN個の新しい値に更新されることになる。
一方、ステップS101の処理において、「試料分析モード」が「ON」に設定されていると判定したときには、ステップS107の処理において、ユーザは、測定対象試料Sをθ軸上のゴニオメータ30の中心に載置する。
次に、ステップS108の処理において、X線管11から出射された特性X線が、発散スリット12を介して測定対象試料S表面に照射され、測定対象試料Sから放射される回折X線が2θ軸に搭載されたラインセンサ21によって検出される。図6は、ラインセンサ21によって検出された測定対象試料Sからの実測X線強度分布を示すグラフである。
次に、ステップS109の処理において、X線強度分布画像作成部41cは、補正係数記憶部44aに記憶されている感度補正係数αと取得部41bで取得された実測X線強度Iとを式(1)に代入して補正X線強度I’を算出する。
次に、ステップS110の処理において、X線強度分布画像作成部41cは、補正X線強度I’と検出素子番号nとの関係を示す補正X線強度分布画像を作成して表示装置43に表示する。図7は、補正X線強度分布画像を示すグラフである。
次に、ステップS111の処理において、新たな測定対象試料Sの分析を行うか否かを判定する。新たな測定対象試料Sの分析を行うと判定したときには、ステップS101の処理に戻る。一方、新たな測定対象試料Sの分析を行わないと判定したときには、本フローチャートを終了させる。
以上のように、本発明のX線回折装置1によれば、ユーザへの出荷後等に適宜、「補正係数算出モード」にして標準試料S’等を配置するだけで、感度補正係数αを算出することができる。
<他の実施形態>
(1)上述したX線回折装置1では、N個の検出素子が一次元に配列された検出面を有するラインセンサ21を備え、一次元の近似関数(曲線)を用いる構成を示したが、(N×M)個の検出素子が二次元に配列された検出面を有するX線検出器を備え、二次元の近似関数(曲面)を用いるような構成としてもよい。
(2)上述したX線回折装置1では、近似関数として三次関数(4)を用いる構成を示したが、近似関数は、標準試料S’の種類等によって一次関数や二次関数を用いるような構成としてもよく、また、三次関数とガウス関数とを組み合わせたものを用いるような構成としてもよい。すなわち、検出面に照射するX線強度分布の特性を考慮して、それに相応しい関数を用いればよい。
(3)また、上述した実施形態はX線回折装置1である構成を示したが、これに換えて、蛍光X線分析装置やX線吸収スペクトル測定装置であるような構成としてもよい。
そして、X線回折装置1の状態で感度補正係数αを算出したが、ラインセンサ生産工場等でラインセンサの状態で汎用X線源を用いて感度補正係数αを算出してもよい。
本発明は、X線回折装置や蛍光X線分析装置やX線吸収スペクトル測定装置等に用いられるX線検出器等に利用することができる。
1 X線回折装置
21 ラインセンサ(X線検出器)

Claims (3)

  1. ゴニオメータのθ軸に搭載された試料に特性X線を出射するX線管球を用いたX線源と、
    ゴニオメータの2θ軸に搭載され、前記試料から放射されるX線強度を検出する検出素子が一次元又は二次元に配列された検出面を有するX線検出器と、
    前記X線検出器の各検出素子に対してそれぞれ感度補正係数を記憶するための補正係数記憶部と、
    前記感度補正係数を用いて前記検出素子で検出された実測X線強度を補正演算して、補正X線強度分布画像を作成するX線強度分布画像作成部とを備えるX線回折装置であって、
    回折ピークの存在しない領域を有するX線を放射する標準試料を測定して前記各検出素子で検出された実測X線強度によって求めた実測X線強度分布を近似関数で関数フィッティングし、そのフィッティング関数により算出される算出X線強度と実測X線強度との比を前記各検出素子に対する感度補正係数として補正係数記憶部に記憶させる制御部を備えることを特徴とするX線回折装置。
  2. 前記制御部は、前記フィッティング関数を多項式関数とすることを特徴とする請求項に記載のX線回折装置。
  3. ゴニオメータのθ軸に搭載された試料に特性X線を出射するX線管球を用いたX線源と、
    ゴニオメータの2θ軸に搭載され、前記試料から放射されるX線強度を検出する検出素子が一次元又は二次元に配列された検出面を有するX線検出器と、
    前記X線検出器の各検出素子に対してそれぞれ感度補正係数を記憶するための補正係数記憶部と、
    前記感度補正係数を用いて前記検出素子で検出された実測X線強度を補正演算して、補正X線強度分布画像を作成するX線強度分布画像作成部とを備えるX線回折装置の感度補正方法であって、
    回折ピークの存在しない領域を有するX線を放射する標準試料を測定し、
    前記各検出素子で検出された実測X線強度によって求めた実測X線強度分布を近似関数で関数フィッティングし、
    そのフィッティング関数により算出される算出X線強度と実測X線強度との比を前記各検出素子に対する感度補正係数として補正係数記憶部に記憶させることを特徴とするX線回折装置の感度補正方法。
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