JPH03160400A - エックス線結像素子 - 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】 （技術分野） 二の発明は、レンズを用いた工・ノクス＆ｔ結像素子に
関するものである． （従来技術およびその問題点） エックス線結像素子として、従来より、湾曲全反射鏡、
トロイダル型全反射鏡などの，工・・ｌクス線の全反射
を利用した斜入射反射光学素子、湾曲モノクロメータの
ようにブラング反射を利用した光学素子、通常の反射を
利用した直入射反射光学素子、回折を利用したフレネル
・ゾーン　プレートなどが用いられてきたが、これらに
は，次にホすような種々の問題点がある． 全反射あるいはブラソグ反射を利用した結像素子は， （ア）エックス＆Ｉ源あるいはエンクス線を照射された
物体とこれらの像を結ぶ直線（以下光軸と呼ぶ）に対す
る結像素子の相対的な角度の麦動が、赤のてこの原理に
より、像の位置の大きな変動をらたらし、一定の位置に
安定した像を結ばせることが困難である．これは焦点距
離が長くなるほど著しい．このことを、第ｌｌ２に基づ
いて具体的に説明する．エックス線源あるいはエノクス
線を照射された物体（１）から放射されたエックス線は
湾曲全反射鏡（２）によって反射され，■だけ離れた位
置に像〈３〉を結ぶとする．今、湾曲全反射鏡（２）が
一点鎖線で示された光軸に対してθだけ角度がず！ｔた
とすると、像の位置は破線で示すように（３゜）の位置
に移動する．像の位置の変動量は２θＶとなる．例えば
、■＝１００ｌｌのときθが↓秒であったとしても、像
の位置のずれは１　　ｍｍにもなる．（イ）第１図に示
すように、結像素子は一点鎖線で示される光軸から離れ
た位置に置かれるため、像（３）は結像素子に入射する
エックス線の延長線上にはなく，結像面上において　２
θ。■だけずれることになる．ここでθ。は結億素子の
反射面に対する入射エックス線の照角（入射角の補角）
である．例えば、金を使用した全反射鏡を用いて波長０
１５ｎ園のエックス線を結像する場合、全反射条件を満
たすために必要な照角は約３０分で、非常に小さいにも
かかわらず、Ｖ　＝１００−の場合にはこのずれは　２
１にもなる．シンクロトロン放射光源のような貴重なエ
ックス線源を？！数の装ｌで共同利用する場合において
は、このようにエックス線の進行方向が曲がることは、
ビーム・ラインの設計上種々の不都合を生じる． （ク）また第１図に示すように、エフクス線は、結像素
子の反射面に対して斜めに入射するため、できるだけ多
くのエックス線を受光するためには、広い反射画が必要
である．例えば、金を使用した全反射鑓を用いて波長０
．１５　ｎ園のエックス線を結像する場合、全反射条件
を満たすために必要な照角は約３０分で，非常に小さい
．従って，太さがｌｃ日のエンクス線束を受光するため
には、約ｌｍの長さの全反射鏡が必要となる．以上の理
由により、広い範囲にわたって一様な材質の全反射鏡を
製遣しなければならないこと，広い範囲にわたって高い
平面性および平滑性を有した表面を加工・研磨しなけれ
ばならないことなどのため技術的困難をともない、高価
なものにならざるを得す、また、結像素子の大型化は避
けがたい．更に、通常使用される、平面鏡を円筒状に湾
曲させた全反射ｊ！を用いる場合には、縦・横両方向に
に結像させるためには、互いに直交する２枚の全反射Ｍ
ｔ！−光軸に沿って並べて使用する必要があり，このこ
とも結像素子の大型化をまねく結果となる．（工〉反射
面を湾曲した状態に保つため、機械的な曲げ機横を用い
る必要があり、これも結像素子を大型化させる原因とな
る．このような結像素子の大型ｆヒは、温度勾配、振動
などの環境に起因する位置や角度ののずれ等による像の
安定性の低下、エックス線の強度が強いときなどに必要
となる結像素子の冷却が困難になること，真空中で使用
する場合、真空室の大型化に伴う真空技術の困難さなど
、多くの問題を引き起こす． （オ〉加工精度上避けられない全反射面のわずかな非平
面性および非平滑性が全反射面における乱反射等を引き
起こし，迷光が大きく，鮮明な像を結ぶことが困難であ
る．このことを、第２図に基づき、具体的に説明する．
（４）はわずかな凹凸のある全反射鑓である．平行エッ
クス線が入射したとき，大部分のエックス線は正しい像
（５〉の位置に結像する．反射面上のある点Ａにおける
接平面の、全反射鏡のＩ！想的な表面に対する角度をα
とすると．点Ａで反射されるエックス線は結像面上にお
いて正しい像（５）の位直から２αｆだけずれ、（５′
）の位直にくる．ここででは全反射朧の焦点距離である
．今、ｆ＝１００鵬とし、このずれを　１　１１１１以
下に抑えるためには、全反射鏡表面　１μ麿の範囲にお
ける凹凸を　５　ｘ　１０−’　ｎ一以下にする必要が
ある．これは技術的に非常に困難である． 一方、直入射反射光学素子は、垂直反射率が工ックス線
の波長が短くなるにつれ著しく低下するため、軟工７ク
ス線に対してのみ有効であり、短波長のエックス線には
使用できない． また，フレネル　ゾーン・プレートは、加工精度上の問
題により、軟エノクス線に対してのみ有効であり、短波
長の工７クス線には使用できないという欠点に加えて、
回折効率、すなわち入射エックス線９１度に対する結像
に預かるエックス線の強度の比が、ｌ次回折に対して約
　１０　Ｋと低く、結像によって得られる像を明るくす
ることが困難であるという欠点がある． （目的〉 この発明は、その光学素子としてレンズを用いることに
より、上述の問題点を克服し、下記のような特長を有し
たエックス線結像素子を提供しようとするものである． （ア）結偵した像の位直が安定である．〈イ）焦点距離
を長くできる． （ウ）Ｖｉ像素子を光軸上に置くことができる．（工）
小型化できる． 〈オ）迷光が少なく、Ｐｔ３（ｉした濃が鮮明である．
（力）５１！ｌａ長のエックス線にも使用可能であり、
入射エックス線強度に対する結像に預かるエノクス線強
度の比が大きい． このような特長を持ったエンクス線結像素子は、エック
ス線小角散乱の測定装置、エックス線顕微鏝、工・ノク
ス線光電子分光装置などのエックス線光学機器の光学素
子として有用である．（問題点の解決手段） 物質に対する工・ｌクス線の屈折率が通常きわめて１に
近いため，従来より、屈折を利用して工・ノクス線の方
向を変えること、あるいはレンズを用いてエックス線を
集光あるいは発散させることは事実上不可能であると信
じられ、省みられることがなかったレンズを用いる． （楕成および作用〉 第３１２１および第４（２＋に基づき、この発明の横戊
および作用について説明する． 第３［２Ｉにおいて，〈６）はエックスｔａ′Ｊ！Ａあ
るいはエノクス線を照射された物体である．（７）はエ
ックス線結像素子で、１枚もしくは記数枚のレンズの組
からなり、その全体としての焦点距離はｆである．両者
の間の距離はＵ″Ｃある．エノクス線源あるいは二７ク
ス線を照射された物体（６〉より放射された工１クス線
は、エックスＩ！結像素子〈７）により、レンズの方程
式　１／ｆ・］／ｕ　＋　Ｉ／ｖに従い、エックス線結
像素子〈７〉から距１１ｉｖだけ離れた位置に像〈８）
を結ぶ．エックス線結像素子（７）は光軸上に置かれる
． エノクス線源あるいはエックス線を照射された物体（６
）とエックス線結像素子（７）との間、あるいはエノク
ス線結像素子（７）と像（８）との間に，！２つもしく
はス．リフトを設けてもよい． 今仮に、エックス線結像素子（７）が、一点鎖線で示す
光軸に対して微少な角度θだけ傾いたとしても、レンズ
の性質から明らかなように，像（８）の位置は変化しな
い．従って、このエックス線Ｆｓ憔素子は従来の湾曲全
反射鏡や湾曲モノクロメータに較べて、像の位置が非常
に安定である．また，このため、焦点距離の長い場合に
おいても安定な桔像が可能である． 更に、第４図に示すような加工精度上避けられないわず
かな凹凸があるレンズ（９》に平行エノクス線が入射す
るとき，レンズ表面上のある点Ｂにおける接平面の、レ
ンズの理想的な表面に対する角度をβとすると，点Ｂを
通るエックス線は結像面上において正しい像（ｌＯ〉の
位直からβδｆたけずれ、＋１０″〉の位置にくる．こ
こでδは、ｎをレンズの屁折率として　δ・１−ｎであ
り、ｆはレンズの焦点距離である．第４図は誇張して描
かれているが，δは短波長のエックス線に対し通常１０
゜４〜１０−５程度であるから，！！ｌの位置のずれは
全反射鏡の場合の　１０−’〜１０−％倍となり，事実
上無視できる．従って，このエックス線結像素子は全反
射鋪によるものに較べて，圧倒的に表面の非平面性およ
び非平滑性の影響を受けにくい．このため、このエック
ス線結像素子は、従来の湾曲全反射鏡や湾曲モノクロメ
ータに較べて迷光が少なく、（ｌが鮮明である． 更に、エックス線はレンズにほぼ垂直に入射するので、
受光しようとするするエノクス線束の大さと同程度の直
径を持ったレンズを使用すればよく、結像素子の大幅な
小型ｆヒが可能である．＆Ｚって，装置の大型化に伴う
、温度勾配、振動などの環境の影響に起因する位置や角
度ののずれ等による像の安定性の低下、エノクス線の強
度が大きいときなどに必要となる装置の冷却の困難さ、
真空中で使用する場合，真空室の大型化に伴う真空技術
の困難さなどが大福に軽滅される８ また２　実施例に示すように、短波長のエノクス線にも
使用可能である． （実施例〉 以下、この発明の実施例■および実施ＦＡ２を第５図，
第ｂｌ２および第７（２ｌに基づき説明する．［実施例
１］ 本実施例は、エックス線小角散乱測定装置の集光型エッ
クス線コリメータとしての使用例を示す．第５図におい
て、工Ｉクス線はンンクロトロン放射光Ｉｌｌ（１１）
より放射される．エノクス線結像素子〈１２）は，第６
図に示すように、２枚の片面が曲率半径ｒの球面よりむ
る凹レンズ（ｌ５〉を、エソクス線に対する吸収の小さ
なベリリウムの支持板（Ｉ４）上に固定した物であり、
シンクロトロン放射光源（１ｌ）から距［ｕだけ関して
置かれる．このレンズをｔｌｌｌｌｉｔする物質の原子
番号を２，原子量をＭ、密度をρ（　ｇ／ｃｍ’　）、
短波長エンクス線の波長をλ（ｎ鳳〉とすると、このレ
ンズの屈折率ｎはｎ＝１−２．７２ｘｌＯ−’（Ｚ／１
４）ρλ２で近似される．焦点距離ｆは　ｆ　＝　ｒ／
２（１−ｎ）で与えられるから、レンズの方Ｎ　式ｒ／
ｆ　＝　１／Ｌｌ　＋　Ｉ／ｖよ９，エックス線結饋素
子ク１２）からりたけ離れた所に光源の像（１３）を結
ぶ．次に、シンクロトロン放射光Ｒ　（＋１）の波長　
λ、凹レンズの材貰、球面の曲率半径ｒ，焦点距＾ｉｆ
、シンクロトロン放射光源（１ｌ）からエノクス線結渫
素子（１２）までの距離Ｕ、エソクスＩＩ結像素子（ｌ
２）から光源の像（１３）までの距離Ｖの数値の例を示
す．材質 λ　／ｎｍ 「／冒■ ｆ／ｓ ｕ／ｗｒ ｖ／ｍ 金 金 白金 白金 クンク゛ステン クンク゛ステン ［実施例２コ 本実施例は、二ｌクスｋＪ＆顕微鏡に対する使用例を示
す， 第７図において、（１６）は波長　２０　ｎｗＩのシン
クロトロン放射光によって照射された物体である．〈１
７〉は炭素の真空蒸着膜で作られた、中心厚さ（１．１
μｓ、曲率半径　１４ｃｍ，　　直径２．８　ｃｍの両
面凹レンズからなるエノクス線結像素子である．炭素に
対するこの波長のエックス線の屈折率は０９３であるか
ら、この凹レンズの焦点距離は　ｌｍとなる．１＠体（
１６）とエックス線結像素子（１７）の距離Ｕを　１貫
以上にすれば、レンズの方程式に従って、物体の像〈１
８）が得られる．この時、壺高分解能は０．８７μ鵬と
なる．また、レンズの中心付近を通るエノクス線に対す
る透過率、すなわち入射エックス線強度に対する結像に
預かるエックス線強度の比は２９　％である． （効果〉 以上，説明したように、この弁明によれば、レンズを使
用することにより、結像された像の位置が安定で、焦点
距離を長くでき、赤軸上に置くことができ、小型化でき
、迷光が少なく，像が鮮明であり、短波長の工・クス線
にも漏用可能で、入射エックス線強度に対する結像に預
かるエックス線強度の比の大きいエックス線結像素子を
提供できる． 第ｌ図は、従来の湾曲全反射鏡による工１クス線結像素
子の構成図である。１はエンクス線源あるいはエックス
線を照射された物体、２は湾曲全反射鏡、３は像、３゛
はずれた儂である．第２図は、全反射鏡の表面に凹凸が
ある堝合の迷光を示す．４はわずかな凹凸のある全反射
鏡、５は正しい像、５゜は迷光の位置を示す．第３図は
，レンズを用いたエノクス線結像素子の楕或図である．
６はエックス線源あるいはエックス線を照射された￥＠
木、７はレンズを用いたエックス線結像素子、８は像で
ある． 第４図は、レンズの表面に凸凹がある場合の迷光を示す
．９はわずかな凹凸のあるレンズ、１０は正しい像、１
０゜は迷光の位置を示す．第５図は，実施例１の慣或図
である．１１はンンクロトロン放射介源、１２は凹レン
ズによるエックス線結像素子、ｌ３は光源の像である．
第６Ｉ２は、工・γクス線結像素子（１２〉の断ｉ！ｉ
ｉ図である．１４はベリリウムの支持板、１５は片面凹
レンズである． 第７図は，実施ｆｓ２の横戒図である，１６はシンクロ
トロン放射光によって頻射された杓体１７は両面凹レン
ズによるエックス線結像素子、１ ８は物体の像である． （特許出願人） 末広 祥二 ・宮地 英紀 林 久夫 第 １ 図 一一一 ｆ ４ 第 ２ 図 ７ 第 ３ 図 第４図 第 ５ 図 １４ 第 ６ 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １　レンズを用いたエックス線結像素子