JP6422791B2 - Ｘ線分析装置 - Google Patents

Description

この発明は、超伝導転移端センサからなる放射線検出器を備えたＸ線分析装置に関する。

Ｘ線のエネルギーを弁別することが可能なＸ線分析装置として、エネルギー分散型Ｘ線検出器（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、以後ＥＤＳと呼ぶ）やＷＤＳ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、以後ＷＤＳと呼ぶ）がある。
上記ＥＤＳは、検出器に取り込まれたＸ線のエネルギーを検出器内で電気信号に変換し、その電気信号の大きさによってエネルギーを算出するタイプのＸ線検出器である。また、ＷＤＳはＸ線を分光器で単色化（エネルギー弁別）し、単色化されたＸ線を比例計数管などで検出するタイプのＸ線検出器である。

ＥＤＳとしては、ＳｉＬｉ（シリコンリチウム）型検出器、シリコンドリフト型検出器、またはゲルマニウム検出器などの半導体検出器が知られている。例えばシリコンリチウム型またはシリコンドリフト型の検出器は、電子顕微鏡の元素分析装置に多用され、０.２ｋｅＶ〜２０ｋｅＶ程度の広範囲のエネルギーを検出できる。しかし、検出器にシリコンを用いているため、原理上、その性質はシリコンのバンドギャップ（１．１ｅＶ程度）に依存し、エネルギー分解能を１３０ｅＶ程度以上に改善することが難しく、ＷＤＳと比較して１０倍以上エネルギー分解能は劣る。

このようにＸ線検出器の性能を示す指標の一つであるエネルギー分解能が、例えば１３０ｅＶであるとは、Ｘ線検出器にＸ線が照射されると、１３０ｅＶ程度の不確かさでエネルギーを検出可能であることを意味する。従って、この不確かさが小さいほど、エネルギー分解能が高いということになる。すなわち、隣接する２本のスペクトルからなる特性Ｘ線を検出する場合、エネルギー分解能が高くなると不確かさが小さくなる。２本の隣接するピークのエネルギー差が２０ｅＶ程度であると、原理的に２０ｅＶ〜３０ｅＶ程度のエネルギー分解能で２本のピークを分離することができるということである。

近年、エネルギー分散型でかつＷＤＳと同等のエネルギー分解能を有する超伝導Ｘ線検出器が注目されている。この超伝導Ｘ線検出器のうちで超伝導転移端センサ（Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ Ｅｄｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ、以後ＴＥＳと呼ぶ）を有する検出器は、金属薄膜の超伝導−常伝導遷移時の急激な抵抗変化（例えば、温度変化が数ｍＫにて抵抗変化が０．１Ωなど）を用いた高感度の熱量計である。なお、このＴＥＳは、マイクロカロリーメータとも呼ばれる。

ＴＥＳがＸ線検出を可能とする有感領域は、常伝導と超伝導の中間領域にあり、この点を動作点と呼ぶ。ＴＥＳをこの動作点に保持するためにＴＥＳ内で発生するジュール熱とＴＥＳから熱リンクを介して熱槽へ逃げる熱との熱バランスが形成される。この熱バランスは、ＴＥＳに流れる電流Ｉ、ＴＥＳの動作抵抗Ｒ、熱リンクの熱伝導度Ｇ、ＴＥＳの温度Ｔ、熱槽温度Ｔｂ、および外部からの侵入熱Ｐｅｘによって、下記数式（１）に示すように記述される。なお、外部からの侵入熱Ｐｅｘは、理想的にはゼロである。

このＴＥＳは、一次Ｘ線や一次電子線などの放射線照射によりサンプルから発生した蛍光Ｘ線や特性Ｘ線が入射した際に起こるＴＥＳ内の温度変化を検出することでサンプルの分析をする。ＴＥＳは、他の検出器よりも高いエネルギー分解能を有し、例えば５．９ｋｅＶの特性Ｘ線において１０ｅＶ以下のエネルギー分解能を得ることができる。
走査電子顕微鏡や透過電子顕微鏡にＴＥＳを取り付けた場合、電子線が照射されたサンプルから発生する特性Ｘ線をＴＥＳで取得することで、半導体型Ｘ線検出器では分離不可能な特性Ｘ線（例えば、Ｓｉ−Ｋα、Ｗ−Ｍα、Ｗ−Ｍβなど）のエネルギースペクトルのピークを容易に分離することができる。

ＴＥＳは高感度な熱量計のため、安定した動作をさせるために複数枚の熱シールドが必要となる。ただし、サンプルから発生するＸ線をＴＥＳに導入する必要があるため、Ｘ線窓が熱シールドに装着される（非特許文献１参照）。非特許文献１では４Ｋおよび８０Ｋの各々に冷却された熱シールドにＸ線窓が装着されている。Ｘ線窓は分析対象となるＸ線は通過させるが、ノイズの原因となる可視光や赤外光を遮断する働きがある。

更に熱シールドではなく、ＴＥＳを一つの真空チャンバーとするために、耐真空性を有するＸ線窓が室温の外界雰囲気を遮蔽するように設けられる。一般的に耐真空性を有するＸ線窓として、有機膜によるＸ線窓が利用される（特許非文献２参照）。このＸ線窓を３枚装着したときに、Ｘ線の透過率は６０％（１ｋｅＶ）から１％以下（０．２ｋｅＶ未満）と大幅に低下する。

Keiichi TANAKA、他９名、「Transition Edge Sensor-Energy Dispersive Spectrometer (TES-EDS) and Its Applications」、「IEICE TRANSACTIONS on Electronics」、vol.E92-C No.3、２００９年、ｐ．３３４−３４０ AP X-ray Windows.［online］. MOXTEK Incorporated, 2010. [retrieved on 2015-01-19]. Retrieved from the Internet : <URL: http://moxtek.com/xray-product/ap-windows>.

しかしながら、上記のＸ線分析装置では、１ｋｅＶ以下のＸ線透過効率が悪く、例えばボロン（１８３ｅＶ）の検出効率が既存のシリコンドリフト型半導体検出器（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｄｒｉｆｔ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ、以後ＳＤＤと呼ぶ）より一桁悪い。これはＳＤＤのＸ線窓が有機膜によるＸ線窓の一枚で十分であることに対して、ＴＥＳは有機膜によるＸ線窓に加えて熱シールド用にＸ線窓が２枚以上必要なことが原因である。
ＴＥＳはＳＤＤに比べ動作温度が低く、ＴＥＳを安定的に動作させるために熱シールドとしてＸ線窓をＳＤＤに比べ余分に設ける必要がある。そのため１ｋｅＶ以下の特性Ｘ線の取得効率を上げつつ、かつＴＥＳを安定動作させることが必要である。

Ｘ線の透過効率を向上させるためには出来るだけ窓厚みを薄くした方がよいが、ＴＥＳを安定動作させる場合、室温からの黒体輻射を十分考慮する必要がある。黒体輻射は温度の４乗に比例するため、Ｘ線窓厚みが薄すぎるとＸ線窓で吸収しきれずに透過する室温による黒体輻射熱がＴＥＳに吸収され、ＴＥＳの動作が不安定となる。ＴＥＳは常に一定の動作点に保持される（つまり、ＴＥＳに流れる電流が一定である）必要があるが、上記数式（１）に示すように、外部からの侵入熱Ｐｅｘが多いと自己ジュール熱（ＩＲ^２）が小さくても外部からの侵入熱ＰｅｘとＴＥＳから熱槽への熱がバランスするようになる。
このように外部からの熱侵入があるとＴＥＳに流れる電流が変化することになり、エネルギー分解能の劣化を引き起こす。ＴＥＳを安定して動作させるためにはＴＥＳの電流を一定にさせ、外部からの侵入熱Ｐｅｘの影響が無視できるように熱設計する必要がある。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、黒体輻射等の外部からの侵入熱を遮蔽し、かつＸ線窓を最小限に薄くすることができ、その結果、１ｋｅＶ以下のＸ線を効率よく取得可能なＸ線分析装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明は以下の態様を採用した。
（１）本発明の一態様に係るＸ線分析装置は、分析対象である試料を励起して特性Ｘ線を放出させる励起源と、前記特性Ｘ線を検出するＸ線検出器と、前記Ｘ線検出器に入射する前記特性Ｘ線の範囲を規制するコリメータと、前記試料と前記Ｘ線検出器との間において、前記特性Ｘ線を透過させる少なくとも１つの窓部と、前記窓部の温度を雰囲気温度よりも低くするように前記窓部を冷却する冷却部と、を備え、前記窓部は、積層されたアルミニウム膜および絶縁膜を備え、前記少なくとも１つの窓部における全ての前記アルミニウム膜の累積した膜厚は、１５０ｎｍ以上かつ３００ｎｍ未満に形成され、前記コリメータの大きさは、前記Ｘ線検出器への熱輻射量を１０μＷ以下にする大きさに形成されている。

上記（１）に記載の態様に係るＸ線分析装置によれば、外部からの黒体輻射を少なくとも１つの窓部およびコリメータにより十分低下させることが出来、結果としてＸ線検出器に付与される輻射熱量をＸ線検出器の発熱量よりも小さくすることが出来るため、Ｘ線検出器を安定して動作させることができる。さらに、少なくとも１つの窓部におけるアルミニウム膜の累積した膜厚を最小限に薄くすることができ、その結果、１ｋｅＶ以下のＸ線を効率よく取得することができる。
なお、アルミニウム膜の累積した膜厚が１５０ｎｍ未満に薄くなると、外部からの黒体輻射を十分低下させることができないという問題が生じる。また、アルミニウム膜の累積した膜厚が３００ｎｍ以上に厚くなると、１ｋｅＶ以下のＸ線の透過減衰が増大して効率が低下するという問題が生じる。
また、コリメータの大きさが、窓部が存在しない場合での雰囲気温度のＸ線検出器への熱輻射量を１０μＷ以下にすることができない大きさであると、外部からの黒体輻射を十分低下させることができないという問題が生じる。

（２）上記（１）に記載のＸ線分析装置では、前記少なくとも１つの窓部は、第１窓部および第２窓部を備え、前記第１窓部の温度を２０Ｋ以上かつ５０Ｋ以下にするように前記第１窓部を冷却する第１冷却部と、前記第２窓部の温度を１Ｋ以上かつ５Ｋ以下にするように前記第２窓部を冷却する第２冷却部と、を備える。

上記（２）に記載の態様に係るＸ線分析装置によれば、分析対象である試料の周囲の雰囲気温度からＸ線検出器に向かって第１窓部および第２窓部によって段階的に温度を低下させることにより、熱輻射によるＸ線検出器の温度上昇を防止し、所望の動作特性を確保することができる。
なお、第１窓部の温度が５０Ｋよりも高くなると、雰囲気温度からＸ線検出器に向かって段階的な温度低下を適切に達成することができなくなるという問題が生じる。また、第１窓部の温度を２０Ｋ未満にするためには第１冷却部に必要とされる出力が過大になるという問題が生じる。
なお、第２窓部の温度が５Ｋよりも高くなるとＸ線検出器に付与される輻射熱量を十分に小さくすることができないという問題が生じる。また、第２窓部の温度を１Ｋ未満にするためには第２冷却部に必要とされる出力が過大になるという問題が生じる。

（３）上記（２）に記載のＸ線分析装置では、前記第１窓部の前記アルミニウム膜の膜厚は、１００ｎｍ以上に形成されている。
上記（３）に記載の態様に係るＸ線分析装置によれば、雰囲気温度からＸ線検出器に向かって段階的な温度低下を適切に達成することができる。
なお、第１窓部のアルミニウム膜の膜厚が１００ｎｍ未満になると、段階的な温度低下を適切に達成することができないという問題が生じる。

（４）上記（２）または（３）に記載のＸ線分析装置では、前記少なくとも１つの窓部は、前記第１窓部、前記第２窓部、および第３窓部を備え、前記第３窓部の温度を０．３Ｋ以下にするように前記第３窓部を冷却する第３冷却部を備える。

上記（４）に記載の態様に係るＸ線分析装置によれば、分析対象である試料の周囲の雰囲気温度からＸ線検出器に向かって第１窓部、第２窓部、および第３窓部によって段階的に温度を低下させることにより、熱輻射によるＸ線検出器の温度上昇を、より安定的に防止し、所望の動作特性を、より安定的に確保することができる。
なお、第３窓部の温度が０．３Ｋよりも高くなるとＸ線検出器の動作安定性を向上させることができないという問題が生じる。

（５）上記（１）から（４）の何れか１つに記載のＸ線分析装置では、前記コリメータの大きさは、３００μｍ以下に形成されている。
上記（５）に記載の態様に係るＸ線分析装置によれば、５Ｋ以下の黒体輻射の影響を、より遮蔽することが可能となる。
なお、コリメータの大きさが３００μｍよりも大きくなると、５Ｋ以下の黒体輻射の影響を有効に遮蔽することができないという問題が生じる。

（６）上記（１）から（５）の何れか１つに記載のＸ線分析装置では、前記絶縁膜の膜厚は、１００ｎｍ以下に形成されている。
上記（６）に記載の態様に係るＸ線分析装置によれば、特性Ｘ線の透過減衰が増大することを抑制しつつ、アルミニウム膜を適切に保持することができる。
なお、絶縁膜の膜厚が１００ｎｍよりも大きくなると、特性Ｘ線の透過減衰が増大して、効率が低下するという問題が生じる。

（７）上記（１）から（６）の何れか１つに記載のＸ線分析装置では、前記絶縁膜は、ポリイミドおよびパラキシレン系ポリマーの少なくとも何れか１つを含む有機材料により形成されている。
上記（７）に記載の態様に係るＸ線分析装置によれば、特性Ｘ線の透過減衰が増大することを抑制しつつ、アルミニウム膜を適切に保持することができる。

（８）上記（１）から（６）の何れか１つに記載のＸ線分析装置では、前記絶縁膜は、窒化シリコンまたはシリコンを含むシリコン材料により形成されている。
上記（８）に記載の態様に係るＸ線分析装置によれば、１ｋｅＶ以下の特性Ｘ線の取得効率が低下することを抑制しつつ、アルミニウム膜を適切に保持することができる。また、シリコン窒化膜によれば、膜中に酸素もしくは炭素を含まないので、酸素および炭素の各々の分析を適正に行なうことができる。

（９）上記（１）から（８）の何れか１つに記載のＸ線分析装置は、前記試料と前記Ｘ線検出器との間において、複数の貫通孔が設けられた貫通孔形成部を備え、前記複数の貫通孔の各々の大きさは、５μｍ以下に形成されている。
上記（９）に記載の態様に係るＸ線分析装置によれば、雰囲気温度（例えば、室温である２７℃など）の黒体輻射の波長が１０ｕｍ程度であることから、複数の貫通孔の各々の大きさが５ｕｍ以下であれば、黒体輻射をより一層、効果的に遮蔽することができる。
なお、複数の貫通孔の各々の大きさが５ｕｍよりも大きくなると、黒体輻射を効果的に遮蔽することができないという問題が生じる。

（１０）上記（１）から（９）の何れか１つに記載のＸ線分析装置は、前記少なくとも１つの窓部および前記Ｘ線検出器を収容する収容部において前記試料と前記Ｘ線検出器との間に設けられた貫通孔に装着される耐圧力性のＸ線窓を備える。
上記（１０）に記載の態様に係るＸ線分析装置によれば、試料を収容するチャンバーと収容部に収容されたＸ線検出器との間に圧力差が生じても、Ｘ線検出器を安定して動作させることができる。

本発明のＸ線分析装置によれば、外部からの黒体輻射を少なくとも１つの窓部およびコリメータにより十分低下させることが出来、結果としてＸ線検出器に付与される輻射熱量をＸ線検出器の発熱量よりも小さくすることが出来るため、Ｘ線検出器を安定して動作させることができる。さらに、少なくとも１つの窓部におけるアルミニウム膜の累積した膜厚を最小限に薄くすることができ、その結果、１ｋｅＶ以下のＸ線を効率よく取得することができる。

本発明の実施形態に係るＸ線分析装置の構成を模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態に係るＸ線分析装置におけるスノートの構成を模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態の比較例に係るスノートの構成を模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態でのアルミニウム膜の厚さとアルミニウム膜を透過するＸ線の波長および透過率との関係の例を示す図である。 本発明の実施形態の第１変形例に係るＸ線分析装置の構成を模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態の第１変形例に係るＸ線分析装置におけるスノートの構成を模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態の第２変形例に係るＸ線分析装置におけるスノートの構成を模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態の他の変形例に係るＸ線分析装置におけるスノートの構成を模式的に示す断面図である。

以下、本発明の実施形態に係るＸ線析装置について添付図面を参照しながら説明する。
本実施形態のＸ線分析装置１０は、例えば、電子顕微鏡、イオン顕微鏡、Ｘ線顕微鏡、および蛍光Ｘ線分析装置などの組成分析装置として利用可能である。
Ｘ線分析装置１０は、図１に示すように、分析対象である試料１１に電子線１２を照射することによって試料１１を励起して、試料１１から特性Ｘ線１３を放出させる電子銃１４と、試料１１から放出される特性Ｘ線１３を検出するＸ線検出器としての超伝導転移端センサ（Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ Ｅｄｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ、ＴＥＳ）１５と、を備えている。

ＴＥＳ１５は、超伝導体が有する超伝導転移を利用するものであり、Ｘ線の検出動作では、常伝導と超伝導の中間状態に動作点を保持する。これにより、Ｘ線１個がＴＥＳ１５に吸収された場合、超伝導転移中に動作点を保持された状態において、例えば１００μＫの温度変動に対して数ｍΩの抵抗変化が得られ、μＡオーダーの放射線パルスを得ることができる。また、予めパルス波高値と放射線のエネルギーとの関係を求めたデータを記憶しておくことにより、未知エネルギーを有する放射線がＴＥＳ１に照射されても信号パルス波高値から入射した放射線のエネルギーを検出することができる。

Ｘ線分析装置１０は、ＴＥＳ１５を冷却する冷却部１６を備えている。
冷却部１６は、冷凍機本体１６ａと、冷凍機本体１６ａにおいて最も冷却される箇所に接続されたコールドヘッド１６ｂと、を備えている。ＴＥＳ１５は、冷凍機本体１６ａに装着された断熱構造を有するスノート１７の内部に配置されたコールドヘッド１６ｂの先端に設置されている。
なお、試料１１、電子銃１４、およびスノート１７の先端部は、チャンバー１８の内部に配置され、スノート１７およびチャンバー１８の各々の内部は、ターボ分子ポンプまたは拡散ポンプなどにより真空排気され、真空度は１０^−３〜１０^−５Ｐａ程度である。

冷凍機本体１６ａは、例えば希釈冷凍機または断熱消磁冷凍機などである。希釈冷凍機はミキシングチャンバー内において濃厚相から希薄相へ３Ｈｅが溶け込む時のエンタルピー差を利用して冷却を行なう。断熱消磁冷凍機は磁性体に磁場を印加することでスピンの向きを揃えておき、磁場を除去する際にエントロピーが増大することで、磁性体に接続された物体を冷却する。

例えば希釈冷凍機である冷凍機本体１６ａは、外囲シールド２０と、第１熱シールド２１と、第２熱シールド２２と、第１ポット２３と、第２ポット２４と、分溜器（Ｓｔｉｌｌ）２５と、混合器（ミキシングチャンバー）２６と、ガス循環器２７と、予備冷却器２８と、を備えている。
外囲シールド２０、第１熱シールド２１、および第２熱シールド２２の各々の一部は、コールドヘッド１６ｂを覆うように伸びる形状に形成されることによって、スノート１７を構成している。
外囲シールド２０は、第１熱シールド２１を内部に収容している。第１熱シールド２１は、第２熱シールド２２を内部に収容している。

第１ポット２３は、外囲シールド２０の内部において第１熱シールド２１に設けられている。第２ポット２４は、第１熱シールド２１の内部において第２熱シールド２２に設けられている。分溜器２５および混合器２６は、第２熱シールド２２の内部に収容されている。混合器２６にはコールドヘッド１６ｂが接続されている。
ガス循環器２７は、外囲シールド２０の外部に配置されている。ガス循環器２７は、外囲シールド２０の内部に配置されるガス循環流路２７ａに接続され、ガス循環流路２７ａにおいて３Ｈｅを循環させる。ガス循環流路２７ａには、第１ポット２３、第２ポット２４、分溜器２５、および混合器２６が接続されている。
予備冷却器２８は、外囲シールド２０の外部に配置されている。予備冷却器２８は、第１ポット２３および第２ポット２４に接続されている。予備冷却器２８は、例えば、ＧＭ冷凍機などの機械式冷凍機である。

第１ポット２３は、予備冷却器２８によって、例えば２０Ｋ程度までに冷却される。第１ポット２３は、第１熱シールド２１を冷却する。
第２ポット２４は、予備冷却器２８によって、例えば１Ｋ程度までに冷却される。第２ポット２４は、第２熱シールド２２を冷却する。
第１ポット２３および第２ポット２４は、ガス循環流路２７ａの３Ｈｅを液化する。
分溜器２５は、希薄相にある３Ｈｅを蒸発（分溜）させる。分溜器２５は、例えば１Ｋ未満の０．７Ｋ程度に保たれる。
混合器２６は、３Ｈｅを濃厚相から希薄相へ移動させる。混合器２６は、例えば１００ｍＫ程度に保たれる。混合器２６は、コールドヘッド１６ｂを１００ｍＫ近傍まで冷却する。
なお、外囲シールド２０の温度は、雰囲気温度（例えば、室温である２７℃など）である。

図２に示すように、スノート１７において、外囲シールド２０は、試料１１から放出された特性Ｘ線１３をＴＥＳ１５に向かって通過させる貫通孔３０が設けられた先端部を備えている。
スノート１７において、第１熱シールド２１は、外囲シールド２０と第２熱シールド２２との間に設置されている。第１熱シールド２１は、試料１１から放出された特性Ｘ線１３をＴＥＳ１５に到達させるための第１Ｘ線窓３１を備えている。第１Ｘ線窓３１は、積層されたアルミニウム膜３１ａおよび絶縁膜３１ｂを備えている。
スノート１７において、第２熱シールド２２は、第１熱シールド２１とコールドヘッド１６ｂとの間に設置されている。第２熱シールド２２は、試料１１から放出された特性Ｘ線１３をＴＥＳ１５に到達させるための第２Ｘ線窓３２を備えている。第２Ｘ線窓３２は、積層されたアルミニウム膜３２ａおよび絶縁膜３２ｂを備えている。
スノート１７において、第１熱シールド２１および第２熱シールド２２は、コールドヘッド１６ｂに対して、試料１１から放出された特性Ｘ線１３を透過させるとともに、外囲シールド２０からの熱輻射を遮蔽する。

なお、図２に示すスノート１７においては、各絶縁膜３１ｂ，３２ｂが、各アルミニウム膜３１ａ，３２ａよりもＴＥＳ１５側に配置されているが、各アルミニウム膜３１ａ，３２ａが、各絶縁膜３１ｂ，３２ｂよりもＴＥＳ１５側に配置されてもよい。
また、試料１１からＴＥＳ１５に向かう方向（例えば、Ｚ方向）においてＴＥＳ１５の手前の位置には、コリメータ３３が設けられている。コリメータ３３は、外部からＴＥＳ１５への侵入熱を制限するとともに、ＴＥＳ１５の一部の領域にのみ特性Ｘ線１３を照射する。

以下において、実施形態の比較例として、スノート１７において、試料１１とコリメータ３３との間に第１Ｘ線窓３１および第２Ｘ線窓３２が存在しない場合について説明する。図３は比較例のスノート４０の構成を模式的に示す断面図である。
第１Ｘ線窓３１および第２Ｘ線窓３２が存在しない場合、室温からの黒体輻射による電磁波がコリメータ３３を通過してＴＥＳ１５に侵入する。ＴＥＳ１５は、上記数式（１）に示す熱バランスで動作点が保持されるが、外部からの侵入熱ＰｅｘはＴＥＳ１５の発熱量より十分小さくなくてはならない。例としてＴＥＳ１５の電流を５０μＡ、動作抵抗を３０ｍΩとしたときの自己発熱量は７５ｐＷである。ＴＥＳ１５の動作点が、外部からの侵入熱Ｐｅｘの変動によって変化するとエネルギー分解能劣化の原因となるため、外部からの侵入熱Ｐｅｘは０．１ｐＷ以下とすることが望ましい。第１Ｘ線窓３１および第２Ｘ線窓３２が存在しないときＴＥＳ１５は外囲シールド２０を直接見ることになる。コリメータ３３の開口のサイズ（例えば、直径）を０．２ｍｍとし、コリメータ３３とＴＥＳ１５の距離を０．３ｍｍとしたとき、ＴＥＳ１５から外囲シールド２０を見たときの外囲シールド２０のエリアのサイズ（例えば、直径）は６．６ｍｍとなる。

外囲シールド２０からコールドヘッド１６ｂの先端部への熱輻射Ｑは、ステファン−ボルツマン定数σ（＝５．６７（Ｗ／（ｍ^２・Ｋ^４）））と、外囲シールド２０の面積Ｓ１と、コリメータ３３通して外囲シールド２０を見るＴＥＳ１５の面積Ｓ２と、外囲シールド２０の放射率ε_１と、コールドヘッド１６ｂの先端部の放射率ε_２と、ＴＥＳ１５および外囲シールド２０の各々の温度Ｔ_１，Ｔ_２と、に基づき、例えば下記数式（２）に示すように記述される。

上記数式（２）において、外囲シールド２０の反射率が悪い場合を想定して放射率ε_１を０．９とし、コールドヘッド１６ｂの反射率が良い場合を想定して放射率ε_２を０．１とすれば、外囲シールド２０からコールドヘッド１６ｂの先端部への熱輻射Ｑは、１．８ｕＷとなる。この計算結果は理想的であるため、実際は、この数値より大きい値、例えばＱ＝１０ｕＷ程度を見積もっておくべきである。

以下に、実施形態の第１Ｘ線窓３１および第２Ｘ線窓３２について説明する。
ＴＥＳ１５を安定動作させるためには外部からの侵入熱Ｐｅｘは０．１ｐＷ以下とすることが望ましいため、第１Ｘ線窓３１および第２Ｘ線窓３２により７桁以上、外囲シールド２０からの黒体輻射を減少させる必要がある。
図４は、第１Ｘ線窓３１および第２Ｘ線窓３２における全てのアルミニウム膜３１ａ，３２ａの累積した膜厚を其々１５０ｎｍ、２００ｎｍ、および３００ｎｍとしたときのＸ線の透過特性を示す図である。
雰囲気温度（例えば、室温である２７℃など）の黒体輻射を波長に換算すると、約１０ｕｍ程度になる。なお、プランク定数ｈ、光速ｃ、波長λ、ボルツマン定数ｋ_Ｂ、および温度Ｔに対して、ｈｃ／λ＝ｋ_Ｂ・Ｔの関係がある。そのため波長１０ｕｍ近傍の透過特性が７桁以上小さくなるためには、少なくともアルミニウムの膜厚が２００ｎｍ以上必要であることがわかる。
なお、雰囲気温度として適宜の温度範囲を用いることによって、必要となるアルミニウムの膜厚は、１５０ｎｍ以上かつ３００ｎｍ未満となる。

第１Ｘ線窓３１は第１熱シールド２１と同じ温度まで冷却されるため、第１熱シールド２１の温度をＴ１としたとき、第１Ｘ線窓３１は温度Ｔ１の黒体輻射を及ぼす。第１Ｘ線窓３１の温度Ｔ１を２０Ｋ〜５０Ｋとしたときの黒体輻射は、３６ｐＷ〜１．４ｎＷ（波長：６０ｕｍ〜１５０ｕｍ）となる。
第２Ｘ線窓３２は第２熱シールド２２と同じ温度まで冷却されるため、第２熱シールド２２の温度をＴ２としたとき、第２Ｘ線窓３２は温度Ｔ２の黒体輻射を及ぼす。第２Ｘ線窓３２の温度Ｔ２を１Ｋ〜５Ｋとしたときの黒体輻射は、０．０００２ｐＷ〜０．１４ｐＷ（波長：６００ｕｍ〜３ｍｍ）となる。第２Ｘ線窓３２は、温度Ｔ２の黒体輻射をＴＥＳ１５に及ぼすので、目的の輻射熱を得ることが可能となる。

雰囲気温度の外囲シールド２０からＴＥＳ１５までの間にアルミニウムの膜厚が、好ましくは２００ｎｍ以上あればよいため、例えば第１Ｘ線窓３１のアルミニウム膜３１ａの厚さを１００ｎｍとし、第２Ｘ線窓３２のアルミニウム膜３２ａの厚さを１００ｎｍとすればよい。
なお、第１Ｘ線窓３１のアルミニウム膜３１ａの厚さを、１００ｎｍ以上にすることによって、第２Ｘ線窓３２に必要とされる黒体輻射の低減量を小さくすることができ、ＴＥＳ１５の動作安定性を向上させることができる。

また、コリメータ３３の開口のサイズＤと、コリメータ３３に入射する電磁波の波長λとによれば、波長限界の原理からＤ＝λ／２より長い波長の電磁波は開口を通さないことが知られている。そのため第２Ｘ線窓３２の温度Ｔ２が５Ｋであるときの波長が６００ｕｍであるため、コリメータ３３の開口のサイズを３００ｕｍ以下とすれば、５Ｋ以下の黒体輻射の影響を、より遮蔽することが可能となる。
さらに、コリメータ３３の開口のサイズを７５ｕｍとすれば、５０Ｋからの黒体輻射を遮蔽することが可能となり、よりＴＥＳ１５を熱的に安定動作させることが可能となる。

第１Ｘ線窓３１および第２Ｘ線窓３２の各々の絶縁膜３１ｂ，３２ｂは、各アルミニウム膜３１ａ，３２ａを保持するために用いられているが、特性Ｘ線１３の減衰に寄与するため、構造物として破損しない程度に出来るだけ薄くした方がよい。各絶縁膜３１ｂ，３２ｂとしては、特性Ｘ線１３の透過率を考慮した元素から構成されることが望ましく、ポリイミドおよびパラキシレン系ポリマーの少なくとも何れか１つを含む有機材料であること、または、窒化シリコンもしくはシリコンを含むシリコン材料がよい。Ｘ線透過率の観点から各絶縁膜３１ｂ，３２ｂの厚みは１００ｎｍ以下とするのが好ましい。

上述したように、本実施形態によるＸ線分析装置１０によれば、外部からの黒体輻射を第１Ｘ線窓３１および第２Ｘ線窓３２、並びにコリメータ３３により十分低下させることができる。これによりＴＥＳ１５に付与される輻射熱量をＴＥＳ１５の発熱量よりも小さくすることが出来るため、ＴＥＳ１５を安定して動作させることができる。さらに、第１Ｘ線窓３１および第２Ｘ線窓３２におけるアルミニウム膜３１ａ、３２ａの累積した膜厚を最小限に薄くすることができ、その結果、１ｋｅＶ以下の特性Ｘ線１３を効率よく取得することができる。
なお、アルミニウム膜３１ａ、３２ａの累積した膜厚が１５０ｎｍ未満に薄くなると、外部からの黒体輻射を十分低下させることができないという問題が生じる。また、アルミニウム膜３１ａ、３２ａの累積した膜厚が３００ｎｍ以上に厚くなると、１ｋｅＶ以下の特性Ｘ線１３の透過減衰が増大して効率が低下するという問題が生じる。
また、コリメータ３３の大きさが、第１Ｘ線窓３１および第２Ｘ線窓３２が存在しない場合での雰囲気温度のＴＥＳ１５への熱輻射量を１０μＷ以下にすることができない大きさであると、外部からの黒体輻射を十分低下させることができないという問題が生じる。

さらに、分析対象である試料１１の周囲の雰囲気温度からＴＥＳ１５に向かって第１Ｘ線窓３１および第２Ｘ線窓３２によって段階的に温度を低下させることにより、熱輻射によるＴＥＳ１５の温度上昇を防止し、所望の動作特性を確保することができる。
なお、第１Ｘ線窓３１の温度が５０Ｋよりも高くなると、雰囲気温度からＴＥＳ１５に向かって段階的な温度低下を適切に達成することができなくなるという問題が生じる。また、第１Ｘ線窓３１の温度を２０Ｋ未満にするためには第１ポット２３に必要とされる出力が過大になるという問題が生じる。
なお、第２Ｘ線窓３２の温度が５Ｋよりも高くなるとＴＥＳ１５に付与される輻射熱量を十分に小さくすることができないという問題が生じる。また、第２Ｘ線窓３２の温度を１Ｋ未満にするためには第２ポット２４に必要とされる出力が過大になるという問題が生じる。

さらに、コリメータ３３の開口の大きさが３００μｍ以下に形成されているので、ＴＥＳ１５に対して、５Ｋ以下の黒体輻射の影響を、より遮蔽することが可能となる。
なお、コリメータ３３の大きさが３００μｍよりも大きくなると、５Ｋ以下の黒体輻射の影響を有効に遮蔽することができないという問題が生じる。

さらに、各絶縁膜３１ｂ，３２ｂの膜厚は、１００ｎｍ以下に形成されているので、特性Ｘ線１３の透過減衰が増大することを抑制しつつ、アルミニウム膜３１ａ，３２ａを適切に保持することができる。
なお、各絶縁膜３１ｂ，３２ｂの膜厚が１００ｎｍよりも大きくなると、特性Ｘ線の透過減衰が増大して、効率が低下するという問題が生じる。

さらに、各絶縁膜３１ｂ，３２ｂが、ポリイミドおよびパラキシレン系ポリマーの少なくとも何れか１つを含む有機材料により形成されている場合には、特性Ｘ線１３の透過減衰が増大することを抑制しつつ、アルミニウム膜３１ａ，３２ａを適切に保持することができる。
さらに、各絶縁膜３１ｂ，３２ｂが、窒化シリコンまたはシリコンを含むシリコン材料により形成されている場合には、１ｋｅＶ以下の特性Ｘ線の取得効率が低下することを抑制しつつ、アルミニウム膜３１ａ，３２ａを適切に保持することができる。また、シリコン窒化膜によれば、膜中に酸素もしくは炭素を含まないので、酸素および炭素の各々の分析を適正に行なうことができる。

以下に、上述した実施形態の第１変形例について説明する。
上述した実施形態においてＸ線分析装置１０は、２つの第１Ｘ線窓３１および第２Ｘ線窓３２を備えるとしたが、これに限定されない。
上述した実施形態の第１変形例に係るＸ線分析装置１０は、図５および図６に示すように、上述した実施形態のＸ線分析装置１０における第１Ｘ線窓３１が省略されている。
第１変形例に係るＸ線分析装置１０の構成が、上述した実施形態のＸ線分析装置１０の構成と異なる点は、第１変形例に係るＸ線分析装置１０が、第１熱シールド２１、第１ポット２３、および第１Ｘ線窓３１を備えていない点である。
第１変形例に係るＸ線分析装置１０において、第２Ｘ線窓３２のアルミニウム膜３２ａの膜厚は、１５０ｎｍ以上かつ３００ｎｍ未満である。第２Ｘ線窓３２のアルミニウム膜３２ａの膜厚は、より好ましくは、２００ｎｍである。第２Ｘ線窓３２の絶縁膜３２ｂの厚みは１００ｎｍ以下とするのが好ましい。
第２熱シールド２２と同じ温度まで冷却される第２Ｘ線窓３２の温度Ｔ２は１Ｋ〜５Ｋである。

この第１変形例によれば、第２ポット２４の冷却出力が第２Ｘ線窓３２の温度Ｔ２を１Ｋ〜５Ｋに保持することができる程度に十分であれば、ＴＥＳ１５を熱的に安定動作させながら、Ｘ線分析装置１０の装置構成を簡略化することができる。

以下に、上述した実施形態の第２変形例について説明する。
上述した実施形態においてＸ線分析装置１０は、２つの第１Ｘ線窓３１および第２Ｘ線窓３２を備えるとしたが、これに限定されない。２つよりも多い数（例えば、３つなど）のＸ線窓を備えてもよい。
上述した実施形態の第２変形例に係るＸ線分析装置１０は、図７に示すように、上述した実施形態のＸ線分析装置１０における第１Ｘ線窓３１および第２Ｘ線窓３２に加えて、第３Ｘ線窓５０を備えている。
第２変形例に係るＸ線分析装置１０の構成が、上述した実施形態のＸ線分析装置１０の構成と異なる点は、第２変形例に係るＸ線分析装置１０が、第３Ｘ線窓５０を備える点である。

第２変形例に係るＸ線分析装置１０において、第３Ｘ線窓５０は、コリメータ３３の開口を塞ぐように装着されている。第３Ｘ線窓５０は、積層されたアルミニウム膜５０ａおよび絶縁膜５０ｂを備えている。なお、図７に示すスノート１７においては、絶縁膜５０ｂが、アルミニウム膜５０ａよりもＴＥＳ１５側に配置されているが、アルミニウム膜５０ａが、絶縁膜５０ｂよりもＴＥＳ１５側に配置されてもよい。
雰囲気温度の外囲シールド２０からＴＥＳ１５までの間にアルミニウムの膜厚が、好ましくは２００ｎｍ以上あればよいため、第１Ｘ線窓３１、第２Ｘ線窓３２、および第３Ｘ線窓５０の各々のアルミニウム膜３１ａ、３２ａ、５０ａの累積した膜厚は、１５０ｎｍ以上かつ３００ｎｍ未満、より好ましくは２００ｎｍ、に形成されている。
コールドヘッド１６ｂにより冷却される第３Ｘ線窓５０の温度は、０．３Ｋ以下に設定されている。

この第２変形例によれば、分析対象である試料１１の周囲の雰囲気温度からＴＥＳ１５に向かって第１Ｘ線窓３１、第２Ｘ線窓３２、および第３Ｘ線窓５０によって段階的に温度を低下させることにより、熱輻射によるＴＥＳ１５の温度上昇を、より安定的に防止し、所望の動作特性を、より安定的に確保することができる。

以下に、他の変形例について説明する。
上述した実施形態においてＸ線分析装置１０は、試料１１とＴＥＳ１５との間において、複数の貫通孔が設けられた金属メッシュを備えてもよい。
雰囲気温度（例えば、室温である２７℃など）の黒体輻射の波長が１０ｕｍ程度であることから、複数の貫通孔の各々の大きさが５ｕｍ以下であれば、黒体輻射をより一層、効果的に遮蔽することができる。

上述した実施形態において、ＴＥＳ１５にコリメータ３３を設けるとしたが、これに限定されず、コリメータ３３はコールドヘッド１６ｂに固定されてもよい。
また、上述した実施形態において、図８に示すように、貫通孔３０に耐圧性のあるＸ線窓６０を備えてもよい。耐圧性のあるＸ線窓６０としては、例えば、ポリイミドおよびパラキシレン系ポリマーの少なくとも何れか１つを含む有機材料を用いてもよい。これにより、試料１１を収容するチャンバー１８とスノート１７に収容されたＴＥＳ１５との間に圧力差が生じてもＴＥＳ１５を安定して動作させることが可能である。

なお、本発明の技術的範囲は上述した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において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態の構成はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。

１１…試料、１２…電子線、１３…特性Ｘ線、１４…電子銃、１５…ＴＥＳ、１６…冷却部、１６ａ…冷凍機本体、１６ｂ…コールドヘッド、１７…スノート、１８…チャンバー、２０…外囲シールド、２１…第１熱シールド、２２…第２熱シールド、２３…第１ポット、２４…第２ポット、２５…分溜器（Ｓｔｉｌｌ）、２６…混合器（ミキシングチャンバー）、２７…ガス循環器、２７ａ…ガス循環流路、２８…予備冷却器、３０…貫通孔、３１…第１Ｘ線窓、３１ａ…アルミニウム膜、３１ｂ…絶縁膜、３２…第２Ｘ線窓、３２ａ…アルミニウム膜、３２ｂ…絶縁膜、３３…コリメータ、４０…スノート、５０…第３Ｘ線窓、５０ａ…アルミニウム膜、５０ｂ…絶縁膜、６０…Ｘ線窓

Claims (10)

1. 分析対象である試料を励起して特性Ｘ線を放出させる励起源と、
   前記特性Ｘ線を検出するＸ線検出器と、
   前記Ｘ線検出器に入射する前記特性Ｘ線の範囲を規制するコリメータと、
   前記試料と前記Ｘ線検出器との間において、前記特性Ｘ線を透過させる少なくとも１つの窓部と、
   前記窓部の温度を雰囲気温度よりも低くするように前記窓部を冷却する冷却部と、
   を備え、
   前記窓部は、積層されたアルミニウム膜および絶縁膜を備え、
   前記少なくとも１つの窓部における全ての前記アルミニウム膜の累積した膜厚は、１５０ｎｍ以上かつ３００ｎｍ未満に形成され、
   前記コリメータの大きさは、前記窓部が存在しない場合での前記雰囲気温度の前記Ｘ線検出器への熱輻射量を１０μＷ以下にする大きさに形成されている、
   ことを特徴とするＸ線分析装置。
2. 前記少なくとも１つの窓部は、第１窓部および第２窓部を備え、
   前記第１窓部の温度を２０Ｋ以上かつ５０Ｋ以下にするように前記第１窓部を冷却する第１冷却部と、
   前記第２窓部の温度を１Ｋ以上かつ５Ｋ以下にするように前記第２窓部を冷却する第２冷却部と、
   を備える、
   ことを特徴とする請求項１に記載のＸ線分析装置。
3. 前記第１窓部の前記アルミニウム膜の膜厚は、１００ｎｍ以上に形成されている、
   ことを特徴とする請求項２に記載のＸ線分析装置。
4. 前記少なくとも１つの窓部は、前記第１窓部、前記第２窓部、および第３窓部を備え、
   前記第３窓部の温度を０．３Ｋ以下にするように前記第３窓部を冷却する第３冷却部を備える、
   ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のＸ線分析装置。
5. 前記コリメータの大きさは、３００μｍ以下に形成されている、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１つに記載のＸ線分析装置。
6. 前記絶縁膜の膜厚は、１００ｎｍ以下に形成されている、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５の何れか１つに記載のＸ線分析装置。
7. 前記絶縁膜は、ポリイミドおよびパラキシレン系ポリマーの少なくとも何れか１つを含む有機材料により形成されている、
   ことを特徴とする請求項１から請求項６の何れか１つに記載のＸ線分析装置。
8. 前記絶縁膜は、窒化シリコンまたはシリコンを含むシリコン材料により形成されている、
   ことを特徴とする請求項１から請求項６の何れか１つに記載のＸ線分析装置。
9. 前記試料と前記Ｘ線検出器との間において、複数の貫通孔が設けられた貫通孔形成部を備え、
   前記複数の貫通孔の各々の大きさは、５μｍ以下に形成されている、
   ことを特徴とする請求項１から請求項８の何れか１つに記載のＸ線分析装置。
10. 前記少なくとも１つの窓部および前記Ｘ線検出器を収容する収容部において前記試料と前記Ｘ線検出器との間に設けられた貫通孔に装着される耐圧力性のＸ線窓を備える、
    ことを特徴とする請求項１から請求項９の何れか１つに記載のＸ線分析装置。

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