JP6403964B2 - X線散乱分析用のx線分析システム - Google Patents

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Description

本発明は、X線散乱分析用のX線分析システムであって、透過軸に沿って伝搬するX線ビームを発生させるX線源と、X線ビームの断面の形状を画定するアパーチャを有する少なくとも1つのハイブリッドスリットと、ハイブリッドスリットによって成形されたX線ビームがその表面に導かれる試料と、試料から生じたX線を検出するX線検出器とを備え、ハイブリッドスリットが、複数のハイブリッドスリット要素を備え、複数のハイブリッドスリット要素それぞれ、基部にテーパ角α≠0で接合された単結晶基板を備え、複数のハイブリッドスリット要素の単結晶基板がアパーチャを限定し、複数のハイブリッドスリット要素(7)は、透過軸(3)に沿った射影で見たときにn>4であるn個のエッジを有する多角形を形成するように配置されているX線分析システムに関する。
このようなX線分析システムはWO 2011 086 191 A1から知られている。
X線測定法、特にX線回折(x−ray diffraction)(XRD)測定法およびX線小角散乱(small angle x−ray scattering)(SAXS)測定法は、さまざまな用途の試料の化学分析および構造解析に使用されている。
特に、実験室源(laboratory source)を使用するSAXS測定では、光子束が大きく、バックグラウンドが低いことが重要である。光子束が重要なのは、データ取得時間を短くするためであり、低いバックグラウンドが重要なのは、散乱信号がしばしば非常に低いためである。スリットのアパーチャは、達成可能な分解能に対する重要なパラメータであるビーム断面のサイズおよび形状ならびにビームの発散を画定する。
多結晶材料のスリットのアパーチャにX線を導くことによって、寄生回折が起こることがあり、これが起こると信号対雑音比が低下する。X線ビームの発散を制限するため、X線ビームの光路内で3つのアパーチャスリットを使用することが知られている。しかしながら、この方法は、光子束の低減、したがって測定時間の増大に帰着する。
リ・ユーリ(Li Youli)、ベック・ロイ(Beck Roy)、ホワン・ツオ(Huang Tuo)他(「小角X線散乱および高分解能X線回折用の無散乱ハイブリッド金属単結晶スリット(Scatterless hybrid metal−single−crystal slit for small angle x−ray scattering and high resolution x−ray diffraction)」、JOURNAL OF APPLIED CRYSTALLOGRAPHY、41巻、1134〜1139頁(2008年))は、エッジがゲルマニウム、ケイ素などの単結晶でできたハイブリッドスリットの使用を提案している。このハイブリッドスリットは、長方形の単結晶基板が取り付けられた金属基部を備え、このハイブリッドスリット要素の単結晶基板がアパーチャを限定する。全反射に起因する寄生散乱および結晶粒界における散乱を回避することができる。ハイブリッドスリットの導入は、2つのスリット(正方形のピンホール)だけを使用し、それでもバックグラウンドを低く維持することを可能にした。
WO 2011 086 191 A1は、SAXS測定用のX線分析システムであって、互いに向かい合って配置され、長方形または正方形のアパーチャを形成する2つ一組の2組のハイブリッドスリット要素を備えるハイブリッドスリットを使用するシステムを開示している。SAXS測定では、達成可能な最も小さな散乱角によって分解能が決まり、この達成可能な最も小さな散乱角は、適当なビームストップ(beamstop)によって遮断されるダイレクトビーム(direct beam)の断面のサイズに依存する。ビームストップの最小サイズは、ビーム断面の中心から最も外側の点までの距離によって決まるため、WO 2011 086 191 A1から知られているX線分析システムの分解能は、ハイブリッドスリット要素の寸法によって制限される。
本発明の目的は、分解能および信号対雑音比が向上したX線分析システムを提案することにある。
本発明によれば、この目的は、ハイブリッドスリット要素を、透過軸に沿って互い違いにオフセットして配置することによって達成される。
試料の表面にX線ビームが導かれ、これによって、ハイブリッドスリットの単結晶基板のエッジが、X線源によって発生したX線ビームの断面を限定する。したがって、ハイブリッドスリット要素は、その基部が透過軸とは反対の方を向き、その単結晶基板が透過軸の方を向くようにして、透過軸を中心とする円の円周に沿って配置される。
ハイブリッドスリット要素の本発明の互い違い配置によって、単結晶基板は、透過軸に沿って異なる位置に(z方向にずらして)配置され、この際、単結晶基板は、互いに妨害することなしに、(透過軸に沿った射影で見たときに)部分的に重なり合うことができる。これにより、ハイブリッドスリットのアパーチャのサイズを、ハイブリッドスリット要素のサイズから独立して選択することができ、ハイブリッドスリット要素の数を適当に選択することにより、アパーチャの形状を、アパーチャのサイズから独立して選択することができる。単結晶基板の対応する部分間のオフセットは、透過軸の方向の単結晶基板の寸法に従うことが好ましい。その場合、ハイブリッドスリット要素のオフセットは単結晶基板の厚さに依存する。
ハイブリッドスリット要素を互い違いに配置することによって、多数のエッジを有する多角形断面を実現することができ、その多角形断面は、エッジの数が多いにもかかわらず小さなサイズを示す。ハイブリッドスリット要素の基部は高密度金属でできていることが好ましく、材料欠陥が最小数であること(完璧な単結晶)を保証するため、単結晶基板は高い品質を有し、Ge、Siでできた単結晶基板が使用されることが好ましい。
ハイブリッドスリット、試料および検出器は透過軸に沿って配置され、これによってハイブリッドスリットと検出器の間に試料が配置されることが好ましい。ハイブリッドスリットは、X線源と試料の間のビームの光路内に配置される。より広い角度範囲を測定するため、検出器を、光路に対して垂直に変位させることも可能である。この場合、ダイレクトビーム(散乱することなくハイブリッドスリットを通過したビーム)は検出器のエッジに導かれる。
発明の好ましい実施形態
好ましい一実施形態では、ハイブリッドスリット要素が、透過軸に沿った射影で見たときにn>4、特にn≧8であるn個のエッジを有する多角形を形成するように配置される。
好ましくは、アパーチャによって画定されるビームの断面の形状が正多角形である。多角形のエッジの数が多いほど、多角形は円に近づき、したがって、多角形を通過する光子束はより大きくなる。光子束が増大することにより、スリットの数、したがって分析システムのサイズを低減させることができる。単結晶基板の無視してもよいオフセットに関しては、ハイブリッドスリットのアパーチャの形状も正多角形であり、透過軸までの単結晶基板の距離は、全ての単結晶基板で同じである。無視できないオフセットに関しては、単結晶基板の距離dが、透過軸に沿った単結晶基板の位置によって変化する(Δd=OStan(2θ)。このとき、Δd=透過軸までの距離の差、2θ=発散角、OS=隣接する単結晶基板間のオフセットである)。
本発明のX線分析システムの特別な実施形態では、ハイブリッドスリット要素が、透過軸に対して垂直方向に、特に半径方向に移動可能である。ハイブリッドスリット要素の半径方向の位置を変更することによって、ハイブリッドスリットのアパーチャのサイズおよび/または形状を変更することができる。
対向するハイブリッドスリット要素は互いに妨害しないため、対向するハイブリッドスリット要素は対をなすことができ、ハイブリッドスリット要素は対単位で互い違いに配置される。すなわち、対向するハイブリッドスリット要素は同じz位置に配置される。これによってハイブリッドスリットの寸法を低減させることができる。
好ましい一実施形態では、X線分析システムが、ハイブリッドスリットと検出器の間に配置され、入射X線を遮断するビームストップを備える小角X線回折分析システムである。SAXS測定では、大きなナノ粒子の信号を検出するために、X線源の透過軸の近くに検出器が配置される。ビームストップは、分析する試料と検出器の間に配置される。ビームストップは、ダイレクトビームのいかなる部分も検出器に当たることを防ぐ。ダイレクトビームが検出器に当たると、検出器が飽和することがあり、回折したX線エネルギーの測定がより困難になることがある。したがって、ビームストップは、ダイレクトビームが当たりうるエリアをカバーする十分な大きさを有していなければならない。一方、散乱角はできるだけ小さくあるべきであり、したがってできるだけ小さなビームストップが選択される。
好ましくは、ハイブリッドスリット要素の半径方向位置および透過軸に沿った位置が、散乱し検出されるX線の光子束を最適化するように選択される。X線ビームの発散のため、単一のハイブリッドスリット要素の半径方向位置は、透過軸に沿ったハイブリッドスリット要素のそれぞれの位置に依存する。光子束を最適化するためには、ハイブリッドスリットを通過するX線ビームの断面が、(通常は円形の)ビームストップの形状およびサイズに似ているべきである。
最も好ましくは、X線源が実験室源、例えばシールド管(sealed tube)、回転陽極、マイクロ源(microsource)または金属ジェット源である。実験室源は、束の損失につながる大きな発散を示す。実験室源と組み合わせたとき、本発明のX線分析システムは、(現状技術のX線分析システムに比べて)光子束をかなり増大させ、その一方で、バックグラウンドは依然として低い。
好ましくは、テーパ角がビームの発散よりも大きく、特にα>10°である。異常な透過を阻止するため、ビームを画定する単結晶基板は、入射ビームに関して、ブラッグ(Bragg)ピーク位置から離れる方向を向く。さらに、スリットからの表面散乱を阻止するため、十分に広いテーパ角を選択すべきである。
非常に好ましい実施形態では、2つのハイブリッドスリットが設けられており、これらのスリットは、透過軸に沿って互いに間隔を置いて配置されている。さらに、追加のスリット、特に円形のピンホールを設けることができる。ビーム断面を試料の要件に適合させるため、これらの2つのハイブリッドスリットは別々に調整可能であることが好ましい。
本発明はさらに、SAXS測定、特に実験室源を使用したSAXS測定において、上記の本発明の装置を使用して、光子束を最適化することに関する。
更なる利点は、本明細書の説明および添付図面から得ることができる。前述の特徴および後述する特徴は、本発明に従って、別々に、または任意の組合せで集合的に使用することができる。記載された実施形態を網羅的な列挙と理解すべきではなく、それらの実施形態はむしろ、本発明を記述するための例示的な特徴を有する。
本発明は添付図面に示されている。
本発明のX線分析システムの好ましい一構成を示す図である。 8角形構成を有する本発明のハイブリッドスリットの(透過軸に沿った)正面図である。 単一のハイブリッドスリット要素の正面図である。 ハイブリッドスリット要素の(透過軸に対して垂直な)側面図である。 8角形のハイブリッドスリットを通過したビームの断面を示す図である。
図1は、本発明のX線分析システム1、例えばSAXS測定用の本発明のX線分析システム1の一実施形態を示す。X線分析システム1は、透過軸3に沿ってX線ビームXBを発射するX線源2、特に実験室源を備える。ビーム成形要素4によってこのX線ビームXBを調製することができる。ビーム成形要素4は、発射されたX線を集め、画定された発散および単色性を有するビームを発生させる。このビームは次いで2つのアパーチャスリット5a、5bに導かれる。アパーチャスリット5a、5bは透過軸3に沿って距離を隔てて配置され、試料6に導かれるX線ビームXBの断面のサイズを限定する。
試料6の近くに配置されたアパーチャスリット5b(ハイブリッドスリット)は、透過軸3を中心とする円の円周に沿って配置されたいくつかのハイブリッドスリット要素7を備える。ハイブリッドスリット要素7はそれぞれ、基部9に接合された単結晶基板8を備える(図2b)。単結晶基板8は、X線ビームXBに対してあるテーパ角αだけ傾けられている(図2c参照)。単結晶基板8のこの傾斜配置のため、ビームXBの断面のサイズおよび形状は、透過軸3に面した単結晶基板8の明りょうなエッジ(sharp edge)12によって画定される。単結晶基板8を含むハイブリッドスリット要素7を使用することによって、結晶粒界および欠陥に起因する寄生散乱を回避することができる。さらに、全反射角よりも広い単結晶基板8のテーパ角αを選択することによって、全反射に起因する寄生散乱を低減させることができる。
X線ビームXBは、透過軸3の方向に沿ってハイブリッドスリット5bから距離を隔てて配置された試料6に導かれる。散乱したX線は、透過軸3の方向に沿って試料6から距離を隔てて配置されたX線検出器10(ここでは位置感応型2次元検出器(positon−sensitive area detector))によって検出される。検出器10の飽和を防ぐため、ダイレクトビームXBは、試料6と検出器10の間に配置されたビームストップ11によって遮断される。透過軸3はビームストップ11の中心を通る。多角形ハイブリッドスリット5bのサイズおよびビームストップ11のサイズは、ダイレクトビームXBの最も発散したX線13(図2では細い黒の線で示されている)がハイブリッドスリット5bおよび試料6を通過し、試料6がビームストップ11によって遮断されるように選択される。通常、散乱角2θはできるだけ小さいことが望まれ、したがって、できるだけ小さいビームストップ11が選択されるべきである。
図2aは、8つのハイブリッドスリット要素4を有するハイブリッドスリット5bの好ましい一実施形態を示す。ハイブリッドスリット要素7の単結晶基板8は、8角形の内側輪郭を形成する。一般に、n個のエッジを有する多角形のアパーチャを有するハイブリッドスリット5bに対しては、少なくともn個のハイブリッドスリット要素7が必要である。
本発明によれば、ハイブリッドスリット要素7が、透過軸3に沿って互い違いにオフセットして配置される。ハイブリッドスリット要素7のこの互い違い配置は、ハイブリッドスリット要素7を部分的に重なり合うように配置することを可能にする。したがって、単結晶基板8のサイズから独立して、小さなアパーチャスリットサイズを達成することができる(アパーチャのエッジの長さIが単結晶基板8の長さLだけに限定されない。図2b、2cを参照されたい)。隣接する2つのハイブリッドスリット要素7間のオフセットは、対応する単結晶基板8の厚さ(透過軸3の方向の寸法)に一致する(隣接する単結晶基板8が互いに接触するかまたは互いにほぼ接触する)ことが好ましい。既知のハイブリッドスリットとは対照的に、ハイブリッドスリット要素7を互い違いに配置することによって、アパーチャスリット5bを形成するハイブリッドスリット要素7の数を増やすことができる。したがって、円形に近づけることによって光子束を増大させ、同時に、傾斜した単結晶基板8を使用することによって寄生散乱を低減させることができる。しかしながら、ハイブリッドスリット要素の数は、X線分析システムに組み込むことができるハイブリッドスリット5bの最大長によって制限される。
源2とハイブリッドスリット5bの間に配置されるアパーチャスリット5aは円形のピンホールとすることができる。円形のピンホールは、スリットの総面積を増大させ、したがって光子束も増大させるためである。バックグラウンドを決定するのはほぼ完全にハイブリッドスリット5bであり、したがって、ハイブリッドスリット5bだけが多角形であればよいが、次に示すように多角形のハイブリッドスリットは全ての場合に光子束を増大させるため、両方のアパーチャスリット5a、5bを多角形のハイブリッドスリットとすることもできる。
ビームストップ11は、ハイブリッドスリット5bを通過する全てのX線を止めることができなければならないため、半径Rの所与のサイズのビームストップ11に対する多角形のハイブリッドスリット5bの最大直径は予め定まる。図3は、8角形ハイブリッドスリット構成5bを通過したX線ビームの断面を示す。断面の最大直径は2Rである。
多角形ハイブリッドスリットのエッジの数が多いほど、多角形ハイブリッドスリットは円に近づき、したがって、多角形ハイブリッドスリットを通過する光子束はより大きくなる。n個の辺を有する多角形の面積は下式のとおりであり、
この式は、n=4の正方形に関してはA=2Rを与え、8角形に関してはA=2.82843Rを与える。無限大のnに対して多角形は円に近似され、これに関してはA=Rπとなる。アパーチャスリット5aに対して円形のスリットを使用し、アパーチャスリット5bに対して正方形のハイブリッドスリットを使用した場合と比較すると、アパーチャスリット5aに対して円形のスリットを使用し、アパーチャスリット5bに対して8角形のハイブリッドスリットを使用した場合の光子束の利得係数(gain factor)は1.414、したがって41.4%である。2つの正方形ハイブリッドスリットを使用した場合と比較すると、アパーチャスリット5aに対して円形のスリットを使用し、アパーチャスリット5bに対して8角形のハイブリッドスリットを使用した場合の光子束の利得係数は2.221、したがって122.1%である。実験では、予測した値に非常に近い利得係数が得られた。
ハイブリッドスリット要素7は、透過軸3の方向に沿っておよび/または(透過軸3に対して垂直な)半径方向に沿って移動可能なように取り付けることができる。半径方向に沿って移動可能である場合、さまざまなサイズのビームストップ11を使用するさまざまな用途にハイブリッドスリット5bを適合させるために、さまざまなサイズおよび/またはさまざまな形状を有するハイブリッドスリット5bを作り出すことができる。X線ビームXBの発散およびハイブリッドスリット要素7の互い違い配置のため、X線ビームの断面を対称形にするためには、異なるハイブリッドスリット要素7を、透過軸3までの距離が異なるところに配置しなければならないことに留意されたい。ハイブリッドスリット要素7は互いの近くに互い違いに配置されることが好ましいため、ハイブリッドスリット要素7から透過軸3までの距離の差は小さく、図2aにはこの差が示されていない。これに対応して、ハイブリッドスリット5bのアパーチャのサイズを変化させ、同時にハイブリッドスリット5bのアパーチャの形状を維持するためには、異なるハイブリッドスリット要素7を、透過軸3に沿ったそれらのハイブリッドスリット要素7の位置に応じた異なる距離だけ移動させなければならない。すなわち、X線源2からより離れたハイブリッドスリット要素7ほど、半径方向に大きく移動させなければならない。
ハイブリッドスリット要素7の本発明の互い違い配置は、ハイブリッドスリット5bのアパーチャのサイズおよび形状に関してより高い柔軟性を提供する。多数のハイブリッドスリット要素7を使用して、単結晶基板8の長さよりも短い多数のエッジ、特に5つ以上のエッジを有する多角形のアパーチャを形成することができる。したがって、所与のビームストップサイズに対する光子束を増大させることができ、またはビームストップサイズを小さくし、所与の光子束に対するX線分析システム1の分解能を増大させることができる。
1 X線分析システム
2 X線源
3 透過軸
4 ビーム成形要素
5a アパーチャスリット
5b アパーチャスリット/ハイブリッドスリット
6 試料
7 ハイブリッドスリット要素
8 単結晶基板
9 基部
10 X線検出器
11 ビームストップ
12 単結晶基板の明りょうなエッジ
13 X線ビームの最も発散したX線
2θ 散乱角
α テーパ角
XB X線ビーム

Claims (11)

  1. X線散乱分析用のX線分析システム(1)であって、
    − 透過軸(3)に沿って伝搬するX線ビーム(XB)を発生させるX線源(2)と、
    − 前記ビーム(XB)の断面の形状を画定するアパーチャを有する少なくとも1つのハイブリッドスリット(5b)と、
    − 前記ハイブリッドスリット(5b)によって成形された前記ビーム(XB)がその表面に導かれる試料(6)と、
    − 前記試料(6)から生じたX線を検出するX線検出器(10)と
    を備え、
    前記ハイブリッドスリット(5b)が、複数のハイブリッドスリット要素(7)を備え、前記複数のハイブリッドスリット要素(7)それぞれ、基部(9)にテーパ角α≠0で接合された単結晶基板(8)を備え、前記複数のハイブリッドスリット要素(7)の前記単結晶基板(8)が前記アパーチャを限定し、
    前記複数のハイブリッドスリット要素(7)は、前記透過軸(3)に沿った射影で見たときにn>4であるn個のエッジを有する多角形を形成するように配置されているX線分析システム(1)において、
    前記複数のハイブリッドスリット要素(7)、前記透過軸(3)に沿って互い違いにオフセットして配置され
    前記複数のハイブリッドスリット要素(7)は、前記透過軸(3)の方向に沿って、及び/または、前記透過軸(3)に対して垂直方向に移動可能であり、前記複数のハイブリッドスリット要素(7)は、前記透過軸(3)に沿う位置に応じて異なる距離を移動可能であることを特徴とするX線分析システム(1)。
  2. 前記複数のハイブリッドスリット要素(7)の数はn≧8であることを特徴とする請求項1に記載のX線分析システム(1)。
  3. 前記アパーチャによって画定される前記ビーム(XB)の断面の形状が正多角形であることを特徴とする請求項2に記載のX線分析システム(1)。
  4. 前記複数のハイブリッドスリット要素(7)が、前記透過軸(3)に対して垂直方向に移動可能であることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のX線分析システム(1)。
  5. 対向するハイブリッドスリット要素(7)が対をなし、前記ハイブリッドスリット要素が対単位で互い違いに配置されていることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載のX線分析システム(1)。
  6. 前記ハイブリッドスリット(5b)と前記検出器(10)の間に配置された入射X線を遮断するビームストップ(11)を備える小角X線回折分析システムであることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載のX線分析システム(1)。
  7. 前記複数のハイブリッドスリット要素(7)の半径方向位置および前記透過軸(3)に沿った位置が、検出された散乱X線束を最適化するように選択されることを特徴とする請求項6に記載のX線分析システム(1)。
  8. 前記X線源(2)が実験室源であることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載のX線分析システム(1)。
  9. 前記テーパ角αがビームの発散2θよりも大きいことを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載のX線分析システム(1)。
  10. アパーチャスリット(5a)と、画定された発散及び単色性を有するビーム(XB)を発生させるビーム成形要素(4)とが設けられ、
    前記アパーチャスリット(5a)及び前記ハイブリッドスリット(5b)は共に、前記ビーム成形要素(4)と前記試料(6)の間に位置し、前記透過軸(3)に沿って互いに距離を隔てて配置されていることを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載のX線分析システム(1)。
  11. 前記アパーチャスリット(5a)は、さらなるハイブリッドスリットであることを特徴とする請求項10に記載のX線分析システム(1)。
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