JPH02271300A - Ｘ線集光器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、Ｘ線集光器に係わるもので、特に、Ｘ線の全
反射現象を利用して集光を行うものである。

（従来の技術） 結晶のＸ線回折や、定量分析にはＸ線集光器が利用され
ており１０ＩＬｓΦ以下のスポットを得たい場合は縮小
光学系が用いられている。

ところで、鏡面の全反射を利用した結像光学系は波長が
変化しても焦点距離が一定で取扱い易い。

Ｘ＃Ｉ領域では物質の屈折率が１よりわずかに小さいた
め、鏡面にすれすれに入射（斜入射）させると全反射を
起こすが、鏡面と入射ビームのなす角が入射角であり、
全反射の臨界斜入射角θＣは０Ｃ＝１．６Ｘ１０’λ■
「（１）で表わされる。

ここで、ρは密度でλはＣｌ１１単位で表す。例えば。

パイレックスガラス（ρ＝２．３２ｇ／ａＪ）の反射面
にＡＱにａ　（８，３人）が入射する場合、θｅ＝＝　
２０．３ｍｒａｄである。

実際には物質によるＸ線の吸収があるため反射率が低下
するので臨界角より１〜２割小さい斜入射角で用いる。

全反射を利用したＸ線顕微鏡の原理は１９５２年Ｖｏｌ
ｔｅｒによって提案された。概念図を第４図に示す。入
射及び反射角は鏡面から１度前後であるが、図では誇張
して書かれている。

反射鏡面はひとつの焦点Ｆｌを共有する回転双曲面と回
転楕円面からなる焦点Ｆ２を物点とし、ここを通るＸ線
は２個の曲面で反射して焦点Ｆ３に結像する。この２個
の曲面の組合わせでは、Ｆ２を通る光線は反射面をどこ
にとっても光路が一定になり、反射面を一回使うのは一
回に比べ光軸から離れた物点の像のゆがみを小さくする
ためである。

理論的な分解能はＦ２から鏡面を見込む開口角の大きさ
で決まる。斜入射Ｘ線顕微鏡の開口は輪帯であるから解
像力Δは近似的にΔ＝０．３８λ／ｓｉｎθ１で与えら
れる。

ここで、θ１は焦点Ｆ２から鏡面を見込む角である。通
常はθ１＝５０〜１００ＩＩｌｒａｄで設計されるので
解像力は使用波長の数倍程度になる。しかしながら実際
は鏡面の加工精度で分解能は決ってしまう。

第５図のように鏡面の粗さが理想的な面よりｈだけずれ
ていたとする。このときずれによる光路差りは斜入射角
をθととするとＤ　＝　２ｈｓｉｎ　Ｏとなる。レーリ
ーの結像条件よりＤくλ／４でなければならないのでｈ
〈λ／８ｓｉｎθ　の加工精度が要求される。

θ＝１８．５Ｉｌｒａｄ、　λ＝　８．３４人の場合、
ｈ〈５６人となるが、これはＶｏｌｔｅｒのアイデア（
Ｉｄｅａ）が提案された当時の技術では不可能な加工精
度であり、このタイプの最初のＸ線顕微鏡は１９７８年
に開発されたタンデム形トロイダル鏡である。

このトロイダル鏡は、回転双曲面と楕円面の夫々の双曲
線と楕円を円で近似したものである。

ところで、放射光マイクロビームをつくるには二段の集
光光学系が望ましい。集光エネルギー領域を１ＯＫｅＶ
以下に限定して考えると、光源に高エネルギー物理研究
所放射光施設ＰＦを想定し、鏡面の中心に入射する斜入
射角を８１ｌｒａｄとすると、５ＫｅＶ付近のＸ線の垂
直方向の拡がり角はおよそ０．４■ｒａｄである。

第１番目の鏡面を光源から２０ｍのところに置くとビー
ムをすべて取込むためには長さ１ｍの鏡面が必要である
が、鏡面加工の条件から長さが限定されてしまう１以上
の点を考慮して鏡面の形状が決められる。

第６図ａ、ｂにはマイクロビーム用集光系を示しており
、ａがコンデンサー鏡すが微小集光鏡である。

第６図ａでは、第１段目になるべく多くのＸ線を集める
ための集光鏡として一枚の楕円体面で構成し、縮小率は
１／１５である。これでは回転楕円体の一部を用いるた
め光軸付近の光源の像のボケは比較的小く、１０〜１０
０μ信Φ程度のビームスポットをつくるのに都合がよい
。１０μｍΦ以下のスポットを得たい場合には更に縮小
した光学系を用いる。

第６図すに示すような回転楕円体面と回転双曲体面の組
合わせで構成される鏡面はＸａ顕微鏡として開発が進め
られているが、放射光の集光素子としての利用はこれか
らである。理論的には。

１０００オングストロームΦ以下の集光点が得られるが
、これら二段の集光系を用いた時の集光効率と直接光を
比較してみる。光源をｌｍｍＸ１ｍｍとし、ビームの拡
がり角を垂直、水平とも０．４ｌｒａｄとする第１焦点
像の位置での直接光の大きさは９゜５ＩＩＩＩＩＩＸ９
．５ｍｍとなる。一方、鏡面による集光点の大きさは６
７μｍＸ６７μｍである。

鏡面の開口を４　、２ｉａ　Ｘ　４　、２ｖａｍとし鏡
面の反射率を８５％とすると集光されるビームは全体の
２４％になり、第１焦点像の単位面積当りの強度はおよ
そ４８００倍になる。ただし、第二段目の集光素子には
一段目によって収束されたビームのおよそ１３％が入射
する。

反射率と縮小率（１／１．９）を考慮すると第２焦点像
の強度は第１焦点像の約３４倍になる。結局二段の集光
光学系を用いると単位面積当り約１．６　Ｘ　１０’倍
の強度の増加が見込まれる。

この場合得られるビームスポットの大きさは３．５μｍ
Ｘ３．５μｌである。

このような関係は１０ＫｅＶ以下の白色光に対してほぼ
成立つが、実際にはＸ線を単色化して使う場合が多い。

このようなＸ線の集光には、湾曲結晶、Ｘ線ガイドチュ
ーブ（Ｇｕｉｄｅ　Ｔｕｂｅ）や多層膜が適用されてお
り、湾曲結晶（ＢｅｎｄｉｎｇＣｒｙｓｔａｌ）を利用
すると、集光されるが立体角が小さい上にブラッグ反射
を適用するために精度が必要になる。

一方、Ｘ線の全反射を用い汎用性が高いＸ線ガイドチュ
ーブは、チューブ内面の凹凸をなくすのに高度な精密加
工が必要である。これに対して波長１人程度のＸ線用の
多層膜は、未だ作製されていないのが現状である。

（発明が解決しようとする課題） このように従来のＸ線集光器は点の集光を利用する方式
が採られており、立体的な集光が必要であり、高精度の
装置と高度な！１１１が必要であった。

本発明に係わるＸ線集光器は、このような事情により成
されたもので、特に、Ｘａの集光を安価な材料により簡
便に行なえることを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 光学的に研磨された一対の一次曲面を相対向して配置し
て、この間に入射するｘｉを全反射して線状に集光する
ことに本発明の特徴がある。

（作　用） ところで、本発明ではある断面だけが回転体層でない平
面、球面及び放物線を総称できる一次曲面を、上記のよ
うに、光学的に研磨して相対向して配置してＸ線集光器
を形成している。

ｘｉは、視斜角θが全反射臨界角θＣに対してθくθＣ
を満足するときに全反射を起こすので、４θＣの範囲の
広がりを持つＸ線を集光することができる。

また、光学研磨面を構成する材料のＸ線に対する屈折率
をｎ＝１−δとした時、δ＜ｉｏ−’の場合には全反射
の臨界角θｃ（０，１４ｍｒａｄとなり、第３図すに示
すように集光効率が落ちるために、σく１０−＠が本発
明の適用範囲である。

このように、本発明は、被測定対象物即ち結晶に全反射
したＸ線を線状に集光して、１０原子層程度の表面層を
測定対象としている。

（実施例） 第１図乃至第３図ａ、ｂを参照にして本発明に係わる一
実施例を説明する。即ち、Ｓｉ半導体基板から切出した
縦５ｃ１１、横１０ｃｍの２枚１，２を光学的に研磨し
て鏡面を形成してミラー状とするが、以後、半導体基板
１，２をミラーと記載する。

第１図のＸ線集光器１全体を示す斜視図及び第２図の断
面図から明らかなように、研磨面を内側にして互いに対
向するように一対のミラー１，２の端部を支持枠３に取
付け、Ｘ線入射方向に沿った即ち上下面の隙間を鉛製の
蓋（図示せず）で覆って、作業者の安全を確保する。

支持枠３はＸｉを入射するために、第２間断面図に示す
ように一対のミラー１，２一端部だけを保持しており他
端部は回転軸６の回動により一対のミラー１，２の迎角
が調整可能になっている。

即ち、第１図と第２図にあるように、一対のミラー１．
２の他端も他の支持枠３′により保持され、しかも、回
転軸６に接して固定される。

この回転軸６の回動によりミラーが移動するが、一方の
ミラー１は不動で他方のミラー２だけが動く構造になっ
ている。

更に、支持枠３にはマイクロメータ４がｆｆ１ＱＥｆさ
れ、これに連結したスプリング５によって両ミラー１，
２間の距離が測定できる。即ち、支持枠３によって固定
状態とした一方のミラー１と他方のミラー２間にスプリ
ング５を配置し、マイクロメータ４に取付けた捩子（図
示せず）の回動によりスプリング５を移動させ、この捩
子の１回転数を０、ｘ　ｍｍとして距離に換算する方式
によっている。

この結果、回転軸６の回動により移動する他方のミラー
２は、マイクロメータ４、スプリング及び捩子によりそ
の位置が確認できる。

更に他の支持枠３′には、網目状の隙間を持つスリット
７を設置して、Ｘ線集光器７を組立てる。

回転軸６の付設によりＳＬ半導体基板製板１，２は移動
可能となり、角度が調整できることになる。

従って、第１図にあるように、Ｘ線源９から放射された
Ｘ線は、Ｓｉ半導体基板製ミラー１，２により全反射後
スリット７を経て被検査結晶に到達する。

ところで、Ｘ線の屈折率はｎ＝１−δ、δ＝Ｎｅ”λ２
／２７ＣＩＩＣ”で表される。ただし、ｅ”／ｍｅ”−
＝２．８２　Ｘ　１０−″”ｃｍＮは、反射板を構成す
る材質の１ｃｌＩ中の電子数、λはＸｍの波長である。

従って、λ０．７ＡのＸ線を用いたときの全反射臨界角
はθ＝ｃｏｓ−’［１−（１４ｅ”　ＸＩＸ　１０−”
）／２πｍｃ’ｌ＝１．２ｓ＋ｒａｄとなる。

Ｘ線集光器８では、第１図にあるように、ｌ０ＸＯ，１
ｍｍ０のラインフォーカス（Ｌｉｎｅ　Ｆｏｒｃｕｓ）
から取出されＸ線源９から放射されたＸ線が入射され、
スリット７により余計なＸ線を遮蔽した状態で比例計数
管により強度を測定した。

更に、Ｘ線集光器８を取外した状態で同様な測定を実施
したところ、Ｘ線集光器７を使用した場合は、使用しな
い場合に比べて３．５倍の強度が得られた。

〔発明の効果〕

従来から使用されてきた多層膜による全反射が適当でな
い硬Ｘ線領域におけるＸ線集光は、本発明によりＸ線の
集光が簡単にでき、Ｘ線源と試料間の距離が長くなると
きに特に、有効である。

Ｘ線ガイドチューブを利用するにはその内面の加工が複
雑になるのに対して１本Ｘ線集光器８は、２枚のシリコ
ン半導体基板を上記のように加工して組合わせれば良い
ので、安価になる。

また、ｘｍガイドチューブは、主にポイントフォーカス
（ｐｏｉｎｔ　Ｆｏｒｃｕｓ）からでたＸ線の集光に対
して威力を発揮するのに対して１本発明に係わるｘｍ集
光器８はラインフォーカスなどから入射する線状Ｘ線の
集光に特に、効率良く使用できる。

第３図ａには、０．１ｍ■Φのフォーカスから放射する
Ｘ線を相対向して配置した板状ミラーにより囲んだ断面
図が示されている。即ち、θＣが小さい時全反射を起さ
ずミラー間を通過する状態が明らかである。

このミラーの間隔を狭めることにより輝度を高めること
はできるが、全体の強度を上げることはできない、この
効果を示したのが第３図すである。

δ〜１０４の場合、広がりを持つＸ線源から出たＸ線の
全反射臨界角が小さいために本装置による効果を示す。

Ｘ線強度比［＝（本装置を用いたときの強度−本装置を
用いないときの強度）７本装置を用いないときの強度］ は急減する６従って、δ＜１０−”の場合この装置は効
果的に動作するといってよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の概要を示す図、第２図は、
第１図の装置の上面図、第３図ａはラインフォーカスか
ら取出した光を集光する場合の模式図、第３図すは第３
図ａに示す時の全反射により増加したＸ線カウント数を
示すグラフ、第４図はＸ線顕微鏡の概念図、第５図は鏡
面と表面粗さによる光路差を示す図、第６図は放射光マ
イクロビーム用集光系を示す図である。 １．２：シリコン製半導体基板、３．３’：支持枠、４
：マイクロメータ、５：バネ、６：回転軸、７：スリッ
ト、８：Ｘ線集光器、９：Ｘ線源。 代理人　弁理士　大　胡　典　夫 第３　図（九り１） １Ｏ−ａＴＯ−７ＩＱ−’　　　ＴＯ”→Ｓ 第３図（迄０２） 訓シ 第４図 第５２

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光学的に研磨された一対の一次曲面を相対向して配置し
   て、この間に入射するＸ線を全反射して線状に集光する
   ことを特徴とするＸ線集光器。