JP7380884B2

JP7380884B2 - 蛍光ｘ線分析装置

Info

Publication number: JP7380884B2
Application number: JP2022533027A
Authority: JP
Inventors: 祐司森久
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2020-06-30
Filing date: 2020-12-07
Publication date: 2023-11-15
Anticipated expiration: 2040-12-07
Also published as: JPWO2022004000A1; CN115803612A; EP4174479A1; WO2022004000A1; EP4174479A4; US20230296541A1

Description

この発明は、蛍光Ｘ線分析装置に関するものである。

エネルギー分散型の蛍光Ｘ線分析装置は、Ｘ線を試料へ照射して試料の表面から発生する蛍光Ｘ線を検出することで、試料を構成する元素の種類および濃度を分析できる装置である。固体および液体などをはじめとする幅広い形態の試料を非破壊かつ簡便に分析できる。蛍光Ｘ線分析装置において測定雰囲気の影響を受けやすい軽元素を検出するには試料室および測定室を真空にして測定することが必要である。これに対して、ガスの発生する試料、または液体の試料を測定するには、試料室および測定室内をヘリウムガスで置換することが有効である。

しかしながら、空気で満たされている試料室および測定室をヘリウムガスで置換した場合に、試料室および測定室をヘリウムガス雰囲気としてもわずかに空気が測定室に残存することで測定に影響を与えるという問題があった。

かかる問題を解決するために、ヘリウムガスへの置換率を向上させるための蛍光Ｘ線分析装置は、たとえば、国際公開第２０１４／１９２１７３号（特許文献１）に開示されている。この文献ではヘリウムガスを導入するための第１導入管および第２導入管を設け、導入口や検出口に溜まったヘリウムガスを確実に大気で置換できることが開示されている。

国際公開第２０１４／１９２１７３号

しかしながら、特許文献１の装置で、雰囲気ガスであるヘリウムガスを検出口に供給しながら測定を行うとすると、ヘリウムガスの消費量が多くなるという問題があった。

そこで、この発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、測定雰囲気を構成するガスの消費量を少なくすることが可能な蛍光Ｘ線分析装置を提供することを目的とするものである。

本発明の第１の態様は、試料が載置される試料室と、試料室の試料に隣接して配置される測定室と、試料にＸ線を照射するＸ線管と、試料で反射したＸ線を検出する検出器とを備え、検出器には、測定室内に位置して反射したＸ線が通過する通路と、通路と検出器外部とを接続する孔とが設けられている。

この発明に従った蛍光Ｘ線分析装置は、試料が載置される試料室と、試料室の試料に隣接して配置される測定室と、試料にＸ線を照射するＸ線管と、試料で反射したＸ線を検出する検出器とを備え、検出器には、測定室内に位置して反射したＸ線が通過する通路と、通路と検出器外部とを接続する孔とが設けられているため、検出器には、通路と検出器外部とを接続する孔とが設けられているため、通路にガスが溜まった場合であっても、このガスを孔を通じて排出することができる。その結果、雰囲気を構成するガスを測定中に供給しなくても、検出器内のガスの残存を防止でき、雰囲気を構成するガスの消費量を少なくすることができる。

孔は、通路から検出器外部に向けて鉛直方向下向き成分を有するように延びていてもよい。この場合にはヘリウムガスなどの軽い雰囲気ガス内において、重い空気が鉛直下向き成分を有するように延びる孔内を流れるので、空気をスムーズに通路から排出できる。

孔は通路から検出器外部に向けてＸ線管から遠ざかるようにその出口において延びていてもよい。この場合、出口付近において孔はＸ線管から遠ざかるように延びるため、Ｘ線管周辺から発生する散乱Ｘ線が孔の出口から検出器内に入ることを防止できる。

孔はＬ字状に延びていてもよい。この場合、検出器にそって、Ｌ字状の孔を形成することで、容易にＸ線の侵入を防止できる孔を形成することができる。

実施形態に従った蛍光Ｘ線分析装置１の断面図である。検出器３０の先端部分を示す図である。空気溜まり３９を説明するために示す比較例の検出器の断面図である。他の実施形態に従った検出器３０の先端部分の断面図である。さらに別の実施形態に従った検出器３０の先端部分の断面図である。

（実施形態）
（全体構成）
図１は、実施形態に従った蛍光Ｘ線分析装置１の断面図である。図１で示すように、蛍光Ｘ線分析装置１は、試料室１１および測定室１２を規定する遮蔽壁１０と、遮蔽壁１０に取り付けられたＸ線管２０と、Ｘ線管２０の反対側において遮蔽壁１０に取り付けられた検出器３０とを有する。

遮蔽壁１０はＸ線管２０から発生して測定室１２および試料室１１内に放射されるＸ線が外部に漏れないようにＸ線を遮蔽する働きがある。遮蔽壁１０によって試料室１１および測定室１２が取り囲まれる。試料室１１および測定室１２は隔壁１３によって互いに隔てられている。隔壁１３には通気路１４が複数設けられている。通気路１４は試料室１１と測定室１２を連通しているため、試料室１１と測定室１２とは同じ圧力である。

試料室１１には試料４１を含んだケース４０が配置される。試料４１は固体または液体のいずれであってもよい。ケース４０の底面には図示しない薄い膜が設けられている。この膜上に試料４１が載置されている。試料４１が固体の場合、大きな塊であっても良く、粉体であってもよい。

測定室１２は、試料室１１の下部に設けられる。試料４１にＸ線２３を照射するためのＸ線管２０が遮蔽壁１０の外側に取り付けられるＸ線管２０のＸ線発生点２２で発生したＸ線２３は図示しないバンドパスフィルタおよび一次コリメータを通過した後に試料４１の下面４２に照射される。

ロータリーポンプ１１０およびバルブ１２０により試料室１１および測定室１２内の圧力を調整することが可能である。具体的には、バルブ１２０を開いてロータリーポンプ１１０を駆動させるとロータリーポンプ１１０の作用により試料室１１および測定室１２を真空にすることができる。

ヘリウムボンベ１３０およびバルブ１４０により試料室１１および測定室１２内のヘリウムの圧力を調整することが可能である。具体的には、バルブ１４０を開いてヘリウムボンベ１３０からヘリウムガスを供給することで試料室１１および測定室１２をヘリウムガス雰囲気とすることができる。

検出器３０はケース３１を有する。ケース３１の先端は測定室１２に挿入されており、他の部分は測定室１２に挿入されていない。

図２は、検出器３０の先端部分を示す図である。図２で示すように、検出器３０のケース３１は筒状である。ケース３１の先端部には検出器キャップである二次コリメータ３２が設けられている。二次コリメータ３２には試料４１で反射したＸ線を透過するための通路３６が設けられている。

図１で示すように、Ｘ線２３は原則として試料４１で反射するが、試料４１以外の部分においても反射する。試料以外で反射したＸ線は、反射した物質の物性を反映しているため、これを検出器３０内に入れると試料４１の正しい物性を特定することができない。

これを防止するために軸方向に延びる通路３６を有する二次コリメータ３２をケース３１の先端に設ける。これにより試料４１の下面４２で反射したＸ線２３のみが通路３６を通過できるように通路３６の内径および長さが調整される。

ケース３１の先端には、たとえばベリリウムからなる窓部材３４が設けられている。窓部材３４は、Ｘ線を減衰させることなく透過し、かつ、ケース３１内部と測定室１２とを区切る働きを有する。

ケース３１の内側には、たとえば半導体からなる受光素子３５が設けられている。受光素子３５が半導体である場合にはＸ線が受光素子３５内を通過するときに電子と正孔のペアが発生し、これによる電流および電圧を測定することでＸ線に基づく試料の物性を特定することができる。

二次コリメータ３２には、通路３６と検出器３０外部とを接続するための孔３３が設けられている。孔３３は、たとえばドリルで二次コリメータ３２を切削加工することで形成される。孔３３は、たとえばパイプにより構成されていてもよい。

（作用効果）
空気雰囲気の試料室１１および測定室１２を、空気よりも軽いヘリウムガスを導入する場合にはバルブ１４０を開けてヘリウムボンベ１３０から試料室１１および測定室１２にヘリウムガスを供給する。この場合には、上部に存在する試料室１１から除去にヘリウムガスが導入されて次に測定室１２にヘリウムガスが充填される。本来であればヘリウムガスの層が二次コリメータ３２の高さまで下がったときに通路３６からヘリウムガスが二次コリメータ３２内に侵入するはずである。

図３は空気溜まり３９を説明するために示す比較例の検出器の断面図である。空気はヘリウムガスよりも重いため二次コリメータ３２と窓部材３４との間に空気が溜まったまま通路からは空気が抜けない。つまり、図３でしめす空気溜まり３９が発生する。このままでは窓部材３４の直前に空気の層が存在することとなる。エネルギーの弱いＸ線は、この空気溜まり３９で減衰する。Ｆ－Ｋα線（６６７ｅＶ）の光路長１ｍｍの空気（２０℃、１気圧）の層の透過率は２９％である。これに対してＦ－Ｋα線（６６７ｅＶ）の光路長１ｍｍのヘリウムガス（２０℃、１気圧）の層の透過率は９９．６％である。そのため、ヘリウムガス雰囲気で蛍光Ｘ線分析を行う際には、この空気溜まり３９を作らないようにする必要がある。

二次コリメータ３２内部に空気溜まりを作らない第一の方法として、事前に試料室１１および測定室１２を減圧して空気を抜き、この後にヘリウムガスを導入するとすべに空気を抜いてあるので、二次コリメータ３２内部に空気は溜まらない。しかしこの方法では排気ポンプが必要になる。液体試料などの真空雰囲気を嫌う試料のためにヘリウムガス雰囲気で分析をするのであるから事前に真空雰囲気にすることはできない。また、コストの面でも排気系をつけることは難しい。

第二の方法として二次コリメータ３２のノズルを設けてヘリウムガスのラインにつなぎ、二次コリメータ３２内部に直接ヘリウムガスを勢いよく流すことで二次コリメータ３２内部に溜まった空気を拡散させることができる。しかしながら検出器３０の先端は様々な機構が集中する場所であり、この部分にノズルを設けることは装置の組み立て、メンテナンスが困難となるという問題がある。さらに空気溜まり３９を拡散させるにはヘリウムのある程度の流速および流量が必要であるから本来よりも多いヘリウムガスを消費することとなり、ランニングコストがかかる。

上記の問題を生じさせずに空気溜まり３９を拡散させるために、図２で示したような、空気を抜く用の孔３３を設けている。孔３３は通路３６から検出器３０の外部に向かって、矢印１８０で示す鉛直方向下向き成分を有するように配置される。ヘリウムガスを測定室１２に充填してヘリウムガスの層が二次コリメータ３２まで達したとき、この孔３３から空気が抜ける。これにより、窓部材３４の直前に空気が存在しなくなり、Ｘ線の減衰の問題を解決できる。

（他の実施形態（その１））
図４は、他の実施形態に従った検出器３０の先端部分の断面図である。図４で示すように、この実施形態では、検出器３０の孔３３は、ケース３１の長手方向と直交するように延びる第一部分３３ａと、第一部分３３ａに接続されてケース３１の長手方向に延びる第二部分３３ｂとを有する。

孔３３はＬ字状に設けられる。孔３３の第一部分３３ａおよび第二部分３３ｂは、通路３６から検出器３０外部へ向かう空気の流れをスムーズにするようにこの方向に沿って鉛直下向き成分を有するように形成される。そして孔３３の出口を構成する第二部分３３ｂは上記の空気の流れ方向において、Ｘ線管２０から遠ざかるように延びている。

このように構成された孔３３では、第二部分３３ｂがＸ線管２０から離れるように延びているため、Ｘ線管２０からの散乱Ｘ線が入りにくい形状とされている。その結果、散乱Ｘ線が検出器３０で検出されることを防止して測定の精度を向上させることが可能となる。

孔３３はＬ字状に設けられる。孔３３の第一部分３３ａおよび第二部分３３ｂは、通路３６から検出器３０外部へ向かう空気の流れをスムーズにするようにこの方向に沿って鉛直下向き成分を有するように形成される。そして孔３３の出口を構成する第二部分３３ｂは上記の空気の流れ方向において、Ｘ線管２０から遠ざかるように延びている。第二部分３３ｂの長さは、孔３３全体のコンダクタンスが悪化しない限り長くすることが可能である。また、孔３３はＬ字状だけで無く、曲がった形状とされていてもよい。

このように構成された孔３３では、第二部分３３ｂがＸ線管２０から離れるように延びているため、Ｘ線管２０からの散乱Ｘ線が入りにくい形状とされている。その結果、散乱Ｘ線が検出器３０で検出されることを防止して測定の精度を向上させることが可能となる。孔３３のアスペクト比（孔３３の長さ／内径）が大きいほど散乱Ｘ線が入りにくいので、できるだけアスペクト比を大きくすることがよい。

（他の実施形態（その２））
図５は、さらに別の実施形態に従った検出器３０の先端部分の断面図である。図５でしめすように、この実施形態では、二次コリメータ３２の先端の下側に孔３３が設けられているだけではなく、上側にも孔１３３が設けられている点において、図２で示す二次コリメータ３２と異なる。

孔１３３を設けることで、二次コリメータ３２内のヘリウムガスを排出しやすくなる。具体的には、ヘリウムガス雰囲気で測定を終えた後、大気雰囲気にする場合に、ヘリウムガスは軽いので窓部材３４の上部で二次コリメータ３２の内部に残存するヘリウムは抜けにくい。このヘリウムが測定において何らかの影響を与える可能性がある。孔１３３が存在することで窓部材３４の上部かつ二次コリメータ３２内部からヘリウムガスを容易に抜くことができる。なお、この例では２つの孔３３，１３３を設けたが、必ずしも２つの孔３３，１３３を設ける必要は無く、孔１３３のみを設けてもよい。

以上、実施形態について説明したが、ここで示した実施形態は様々に変形することが可能である。例えば、図１では、試料４１はＸ線管２０および検出器３０の上側に配置されていたが、試料４１はＸ線管２０および検出器３０の下側に設けられていてもよい。この場合にはＸ線管２０から放射されたＸ線が試料４１の上面で反射し、その反射したＸ線を検出器３０で検出する。

上述した複数の例示的な実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者に理解される。

（第１項）一態様に係る蛍光Ｘ線分析装置は、試料が載置される試料室と、前記試料室の試料に隣接して配置される測定室と、前記試料にＸ線を照射するＸ線管と、前記試料で反射したＸ線を検出する検出器とを備え、前記検出器には、前記測定室内に位置して反射したＸ線が通過する通路と、前記通路と前記検出器外部とを接続する孔とが設けられている。

第１項に記載の蛍光Ｘ線分析装置では、検出器には、通路と検出器外部とを接続する孔とが設けられているため、通路にガスが溜まった場合であっても、このガスを孔を通じて排出することができる。その結果、雰囲気を構成するガスを測定中に供給し続ける必要が無く、ガスの消費を少なくすることが可能である。

（第２項）第１項に記載の蛍光Ｘ線分析装置において、前記孔は前記通路から前記検出器外部に向けて鉛直方向下向き成分を有するように延びていてもよい。

第２項に記載の蛍光Ｘ線分析装置によれば、ヘリウムガス雰囲気において鉛直下向き成分を有するように延びる孔内を重い空気が流れるので、空気をスムーズに通路から排出できる。

（第３項）第１項または第２項に記載の蛍光Ｘ線分析装置において、前記孔は前記通路から前記検出器外部に向けて図４で示すように前記Ｘ線管から遠ざかるようにその出口において延びる第二部分を有していてもよい。

第３項に記載の蛍光Ｘ線分析装置によれば、出口付近において孔はＸ線管から遠ざかるように延びるため、Ｘ線管周辺から発生する散乱Ｘ線が孔の出口から入ることを防止できる。

（第４項）第３項に記載の蛍光Ｘ線分析装置において、孔はＬ字状に延びていてもよい。

第４項に記載の蛍光Ｘ線分析装置によれば、検出器にそって、Ｌ字状の孔を形成することで、Ｘ線の侵入を防止できる孔を容易に形成することができる。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１Ｘ線分析装置、１０遮蔽壁、１１試料室、１２測定室、１３隔壁、１４通気路、２０Ｘ線管、２２Ｘ線発生点、２３Ｘ線、３０検出器、３１，４０ケース、３２二次コリメータ、３３，１３３孔、３３ａ第一部分、３３ｂ第二部分、３４窓部材、３５受光素子、３６通路、４１試料、４２下面、１１０ロータリーポンプ、１２０，１４０バルブ、１３０ヘリウムボンベ、１８０矢印。

Claims

試料が載置される試料室と、
前記試料室の試料に隣接して配置される測定室と、
前記試料にＸ線を照射するＸ線管と、
前記試料で反射したＸ線を検出する検出器とを備え、
前記検出器はケースを有し、軸方向に延びる通路を有する二次コリメータが前記ケースの先端に設けられ、前記試料の下面で反射したＸ線のみが前記通路を通過できるように前記通路の内径および長さが調整され、前記ケースの先端には、窓部材が設けられており、前記窓部材は、Ｘ線を減衰させることなく透過し、かつ、前記ケース内部と前記測定室とを区切る働きを有し、前記二次コリメータには、前記通路と前記検出器外部とを接続するための孔が設けられている、蛍光Ｘ線分析装置。
前記孔は前記通路から前記検出器外部に向けて鉛直方向下向き成分を有するように延びている、請求項１に記載の蛍光Ｘ線分析装置。
前記孔は前記通路から前記検出器外部に向けて前記Ｘ線管から遠ざかるようにその出口において延びている、請求項１に記載の蛍光Ｘ線分析装置。
前記孔はＬ字状に延びている、請求項３に記載の蛍光Ｘ線分析装置。