JPH11326599A

JPH11326599A - Ｘ線分析装置

Info

Publication number: JPH11326599A
Application number: JP10148260A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Hayashi; 精一林; Jinpei Harada; 仁平原田; Kazuhiko Omote; 和彦表
Original assignee: RIGAKU DENKI KK; Rigaku Denki Co Ltd
Current assignee: RIGAKU DENKI KK; Rigaku Denki Co Ltd
Priority date: 1998-03-20
Filing date: 1998-05-14
Publication date: 1999-11-26
Anticipated expiration: 2018-05-14
Also published as: DE69938469D1; EP0943914B1; EP0943914A2; US6249566B1; DE69938469T2; EP0943914A3; JP3734366B2

Abstract

(57)【要約】【課題】特定の入射側モノクロメータと焦点サイズが
３０μｍ以下のマイクロフォーカスのＸ線源とを組み合
わせることにより、試料に集束するＸ線の強度を高め
る。【解決手段】Ｘ線源３２と試料５０との間にサイド・
バイ・サイドの構造の複合モノクロメータ５２を配置し
ている。この複合モノクロメータ５２は、第１の楕円モ
ノクロメータ３８と第２の楕円モノクロメータ４０とを
その側縁で接合したものである。Ｘ線源３２の見かけの
焦点サイズＤは１０μｍである。この発明はＸ線の集束
効率がすぐれているので、Ｘ線管の出力はそれほど大き
くしなくてもよい。実施例ではＸ線管として固定ターゲ
ットを使用していて、その出力は約７Ｗである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、試料の入射側の
モノクロメータとして２個の楕円モノクロメータを組み
合わせた複合モノクロメータを利用しているＸ線分析装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】最初に、「楕円モノクロメータ」「楕円
弧面」「焦点軸線」などの用語の意味を説明する。図５
において、３次元の直交座標軸ＸＹＺを空間上に設定し
て、ＸＹ平面上に楕円１０を描く。この楕円１０の一部
からなる曲線１２を考え、これを、以下、楕円弧と呼ぶ
ことにする。この楕円弧１２をＺ方向（楕円弧１２を含
む平面に垂直な方向）に平行移動すると、その移動軌跡
は曲面１４になり、これを、以下、楕円弧面と呼ぶこと
にする。楕円弧１２の二つの焦点Ｆ１、Ｆ２をＺ方向に
平行移動すると、その軌跡は焦点軸線２０、２２とな
る。楕円弧面１４の焦点軸線２０、２２はＺ軸に平行に
なる。楕円弧面１４の任意の位置において法線を引く
と、その法線は常にＸＹ平面に対して平行になる。座標
軸と楕円弧面１４がこのような位置関係にあるときに、
この楕円弧面１４は「焦点軸線がＺ軸に平行な楕円弧
面」と表現することができる。そして、反射面が楕円弧
面になっているようなモノクロメータを、以下、楕円モ
ノクロメータと呼ぶことにする。

【０００３】次に、楕円モノクロメータの働きについて
説明する。図６において、焦点軸線がＸ軸に平行な楕円
モノクロメータ２４を考える。図６の紙面はＹＺ平面に
平行である。この楕円モノクロメータ２４の反射面２６
は、図６の紙面上で楕円弧になる。「幾何光学的」に考
えれば、この楕円弧の一方の焦点Ｆ１に光源を置くと、
この光源を出た光は、反射面２６で反射してから、もう
一方の焦点Ｆ２に集束する。

【０００４】これがＸ線の場合には次のようになる。一
方の焦点Ｆ１にＸ線源を置くと、このＸ線源を出たＸ線
は、反射面２６に到達したときに、反射面２６に対する
入射角θとＸ線の波長λと反射面の格子面間隔ｄとがブ
ラッグの回折条件を満たしたときだけ反射する。そし
て、他方の焦点Ｆ２に集束する。なお、回折に寄与する
結晶格子面は反射面２６に平行になっているものとす
る。

【０００５】ところで、楕円モノクロメータ２４の反射
面２６のどの位置にＸ線が入射するかによって反射面２
６に対するＸ線の入射角θは異なってくる。したがっ
て、反射面２６のすべての位置でブラッグの回折条件を
満足させるためには、楕円弧に沿って（すなわち入射角
θが変化するにつれて）格子面間隔を変化させる必要が
ある。そこで、Ｘ線用の楕円モノクロメータは、格子面
間隔が連続的に変化するように人工多層膜で作られてい
る。このように格子面間隔が連続的に変化しているもの
を、以下、傾斜格子面間隔と呼ぶ。

【０００６】図７は傾斜格子面間隔の楕円モノクロメー
タの働きを示す原理図である。Ｘ線源３２から出たＸ線
が楕円モノクロメータ２４の反射面２６のＡ点に入射す
るときには入射角はθ１であり、Ａ点での格子面間隔は
ｄ１である。Ｂ点に入射するときには入射角はθ２であ
り、Ａ点での格子面間隔はｄ２である。Ｘ線の波長をλ
とすると、Ａ点でのブラッグの回折条件は、２・ｄ１・
sinθ１＝λであり、Ｂ点でのブラッグの回折条件は、
２・ｄ２・sinθ２＝λである。Ｘ線源３２と楕円モノ
クロメータ２４との相対位置関係をあらかじめ定めてお
けば、楕円モノクロメータ２４の反射面２６の各位置で
の入射角θは計算で求めることができ、その入射角θに
対してブラッグの回折条件を満足するような格子面間隔
ｄも計算で求めることができる。

【０００７】このような傾斜格子面間隔の楕円モノクロ
メータを使用することで、特定の波長のＸ線に対して、
反射面のどの位置にＸ線が当たっても、常に回折条件を
満足させることが可能になり、他方の焦点Ｆ２に特定波
長のＸ線が集束するようになっている。ところで、この
ような人工多層膜で作られた楕円モノクロメータ自体は
公知である。

【０００８】図６において、焦点Ｆ１を出たＸ線のう
ち、発散角αの範囲内にあるＸ線が楕円モノクロメータ
２４の反射面２６で反射して、他方の焦点Ｆ２上に、集
束角βで集束することになる。このような集束効果によ
り、所定の発散角のＸ線が有効に利用され、楕円モノク
ロメータがない場合と比べて、焦点Ｆ２上のＸ線強度が
格段に増加する。また、これと同時に、楕円モノクロメ
ータ２４によってＸ線の単色化がなされる。

【０００９】図６ではＹＺ平面内で発散するＸ線の集束
を考えたが、「焦点軸線がＹ軸に平行な楕円モノクロメ
ータ」を利用すれば、ＺＸ平面内で発散するＸ線の集束
が可能になる。したがって、「焦点軸線がＸ軸に平行な
楕円モノクロメータ」と「焦点軸線がＹ軸に平行な楕円
モノクロメータ」の両方をＸ線源と試料の間に配置すれ
ば、ＹＺ平面内での発散とＺＸ平面内での発散の両方を
集束させることができる。この場合、「焦点軸線がＹ軸
に平行な楕円モノクロメータ」のひとつの焦点位置にＸ
線源を配置し、かつ、「焦点軸線がＸ軸に平行な楕円モ
ノクロメータ」のひとつの焦点位置にＸ線源を配置する
必要がある。

【００１０】Ｘ方向とＹ方向の両方でＸ線を集束させる
ことのできる楕円モノクロメータ・システムとしては図
８（Ａ）に示すような順次配置が一般的である。すなわ
ち、Ｘ線源３２から出たＸ線は、最初に第１の楕円モノ
クロメータ３４（焦点軸線がＸ軸に平行な楕円モノクロ
メータ）で反射してＹＺ平面内での発散が集束し、次に
第２の楕円モノクロメータ３６（焦点軸線がＹ軸に平行
な楕円モノクロメータ）で反射してＺＸ平面内での発散
が集束する。

【００１１】別の配置としては、図８（Ｂ）に示すよう
なサイド・バイ・サイド（Side-by-Side）の配置構造が
知られている。このサイド・バイ・サイドの楕円モノク
ロメータ・システムは、第１の楕円モノクロメータ３８
（焦点軸線がＸ軸に平行な楕円モノクロメータ）と第２
の楕円モノクロメータ４０（焦点軸線がＹ軸に平行な楕
円モノクロメータ）を、その側縁同士が接するように組
み合わせたものである。Ｘ線源３２から出たＸ線は、第
１の楕円モノクロメータ３８と第２の楕円モノクロメー
タ４０のいずれか一方に当たって反射し、すぐ次に、も
う一方の楕円モノクロメータで反射してから集束する。
Ｘ線が二つの楕円モノクロメータ３８、４０で順番に反
射するためには、Ｘ線源３２から入射するＸ線が、この
複合モノクロメータに対して、最初に、斜線で示す範囲
４２に当たる必要がある。このように、このサイド・バ
イ・サイドの構造の複合モノクロメータは、組み合わせ
た隅部の近傍での順次反射を利用している。

【００１２】図９（Ａ）は、図８（Ｂ）をＸ方向から見
た投影図であり、図９（Ｂ）は図８（Ｂ）をＹ方向から
見た投影図である。図９（Ａ）と図９（Ｂ）において、
Ｘ線源３２を出たＸ線は、第１の楕円モノクロメータ３
８の反射面のＣ点で反射してから、第２の楕円モノクロ
メータ４０の反射面のＤ点で反射して、集束点４４に集
束する。

【００１３】もう一つの経路としては、図１０（Ａ）と
図１０（Ｂ）に示すように、Ｘ線源３２を出たＸ線は、
最初に第２の楕円モノクロメータ４０の反射面のＥ点で
反射してから、第１の楕円モノクロメータ３８の反射面
のＦ点で反射して、集束点４４に集束する。

【００１４】図８（Ｂ）において、Ｘ方向から見たとき
は、第１の楕円モノクロメータ３８の一方の焦点の位置
にＸ線源３２があり、他方の焦点の位置に集束点４４が
ある。そして、Ｙ方向から見たときは、第２の楕円モノ
クロメータ４０の一方の焦点の位置にＸ線源３２があ
り、他方の焦点の位置に集束点４４がある。

【００１５】ところで、図８（Ｂ）において、斜線で示
す範囲４２以外の位置に最初にＸ線が当たった場合に
は、そこで反射したＸ線は、他方の楕円モノクロメータ
にはもはや当たらない。このような反射Ｘ線は、集束点
４４には到達しない。例えば、第１の楕円モノクロメー
タ３８の反射面のうちの範囲４２以外の領域で最初に反
射したＸ線は、ライン４６（Ｘ軸に平行なライン）上に
集束する。また、第２の楕円モノクロメータ４０の反射
面のうちの範囲４２以外の領域で最初に反射したＸ線
は、ライン４８（Ｙ軸に平行なライン）上に集束する。
そして、ライン４６の延長線とライン４８の延長線の交
点上に集束点４４が存在する。この集束点４４の位置に
試料を置けば、ＹＺ平面内及びＺＸ平面内の両方で集束
されたＸ線だけが試料に照射されることになる。

【００１６】図８（Ａ）に示す順次配置の複合モノクロ
メータは、取り込むＸ線の発散角に関して、ＹＺ平面内
での発散角とＺＸ平面内での発散角とが異なる。これに
対して、図８（Ｂ）に示すサイド・バイ・サイドの複合
モノクロメータは、Ｘ線源３２と二つのモノクロメータ
３８、４０との距離が等しいので、取り込めるＸ線の発
散角に関して、ＹＺ平面内での発散角とＺＸ平面内での
発散角とが等しくなる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】図１１はＸ線源の焦点
サイズの影響を説明した図面である。楕円モノクロメー
タ２４の反射面の一方の焦点にＸ線源３２を配置した場
合、Ｘ線源３２から出たＸ線は楕円モノクロメータ２４
の反射面のＡ点に入射角θで入射する。この場合、楕円
モノクロメータ２４の反射面の楕円弧に沿った位置のど
こにＸ線が当たるかによって入射角θの値は異なる。楕
円モノクロメータ２４は傾斜格子面間隔になっているの
で、任意のＡ点における格子面間隔ｄとＸ線の波長λと
入射角θは上述のようにブラッグの回折条件を満足して
いる。ところで、Ｘ線源３２は、Ａ点から見ると、見か
けの焦点サイズＤをもっており、それゆえにＡ点におけ
る入射角θはある程度の角度幅Δθ（入射角のバラツ
キ）をもっている。この角度幅Δθに関して、Ｘ線源３
２からＡ点までの距離をＳ、Ｘ線源３２の見かけの焦点
サイズをＤとすると、次の（１）式が成立する。

【数１】Ｄ/２＝Ｓ・sin(Δθ/２) … (1)

【００１８】ここで、Δθは微小であるから、Δθの単
位をラジアンとすると、sin(Δθ/２)は、ほぼΔθ/２
に等しくなり、次の（２）式が成立する。

【数２】Ｄ＝Ｓ・Δθ … (2)

【００１９】次に、モノクロメータの波長選択性につい
て説明する。Ａ点に入射するＸ線の入射角θとそこから
の回折Ｘ線（反射Ｘ線）の強度との関係は図１２に示す
グラフのようになる。このグラフの横軸は入射角θであ
り、縦軸は回折Ｘ線の強度である。人工多層膜のモノク
ロメータの場合、得られる回折ピークの半値幅εは０．
００１ラジアン程度である。すなわち、入射Ｘ線の入射
角θのバラツキΔθがこの半値幅εよりも大きくなる
と、半値幅εを外れた入射角度で入射したＸ線はブラッ
グの回折条件を満足しなくなり、回折強度に寄与しなく
なる。

【００２０】上述の（２）式において、Δθの値として
上述の半値幅ε＝０．００１ラジアンを代入し、焦点サ
イズの値として例えばＤ＝０．５ｍｍを代入すると、Ｘ
線源からＡ点までの距離Ｓは５００ｍｍとなる。すなわ
ち、見かけの焦点サイズＤが０．５ｍｍのＸ線源を用い
た場合に、このＸ線源からのＸ線がＡ点に入射するとき
の入射角θのバラツキΔθが、モノクロメータの上述の
半値幅εの範囲内に収まるためには、Ｘ線源からＡ点ま
での距離Ｓを５００ｍｍ以上にしなければならないこと
が分かる。これよりも距離Ｓを短くすると、Ｘ線の焦点
サイズに起因する入射角のバラツキΔθが半値幅εより
も大きくなって、Ａ点に入射するＸ線の一部はブラッグ
の回折条件を満足しなくなり、もはや回折Ｘ線の強度に
寄与しなくなる。ゆえに、図１１において、楕円モノク
ロメータ２４に入射するＸ線ビームの強度を有効に利用
するためには、距離Ｓは５００ｍｍ以上にしなければな
らない。そして、楕円モノクロメータ２４の反射面のす
べての地点で距離Ｓを５００ｍｍ以上にするためには、
Ｘ線源３２と楕円モノクロメータ２４との最短距離を５
００ｍｍ以上にしなければならないことになる。

【００２１】一方、楕円モノクロメータ２４で捕捉でき
るＸ線の発散角αについて検討すると、Ｘ線源３２と楕
円モノクロメータ２４との距離が大きくなればなるほど
発散角αは小さくなり、距離が小さくなればなるほど発
散角αは大きくなる。そして、発散角αが大きくなれば
なるほど、楕円モノクロメータ２４で集束したＸ線の強
度が大きくなる。ゆえに、集束Ｘ線の強度を大きくする
観点からは、Ｘ線源３２と楕円モノクロメータ２４との
距離は小さいほうがよい。しかしながら、上述のよう
に、Ｘ線源の見かけの焦点サイズＤに起因する入射角の
バラツキΔθを上述の半値幅εの範囲内に収めるために
は、Ｘ線源３２と楕円モノクロメータ２４との距離は大
きくせざるを得ない。

【００２２】結局、これまでは、楕円モノクロメータを
使うにしても、集束Ｘ線の強度を高めるために上述のよ
うな相反する条件が存在していて、Ｘ線の集束強度を向
上させるのに限界があった。

【００２３】この発明は上述の問題点を解決するために
なされたものであり、その目的は、楕円モノクロメータ
を利用してＸ線を試料上に集束させる場合において、従
来よりも強度の強いＸ線を試料に照射できるようにする
ことにある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】この発明のＸ線分析装置
は、特定構造の複合モノクロメータとマイクロフォーカ
スＸ線源とを組み合わせたことに特徴がある。すなわ
ち、この発明は、Ｘ線源から出射するＸ線ビームをモノ
クロメータで反射してから試料に照射するＸ線分析装置
において、次の特徴を備えている。（ア）前記Ｘ線源を
マイクロフォーカスＸ線源とする。（イ）前記モノクロ
メータは、第１の楕円モノクロメータと第２の楕円モノ
クロメータとで構成した複合モノクロメータである。
（ウ）前記第１の楕円モノクロメータの反射面は、焦点
軸線が一方向に平行な楕円弧面であり、前記第２の楕円
モノクロメータの反射面は、焦点軸線が他方向に平行な
楕円弧面であり、前記第１の焦点軸線と前記第２の焦点
軸線とが互いにほぼ直交している。（エ）前記第１の楕
円モノクロメータの一つの側縁と前記第２の楕円モノク
ロメータの一つの側縁は互いに接している。（オ）前記
一方向から見たときに、前記第１の楕円モノクロメータ
の第１焦点の位置にＸ線源が配置されている。（カ）前
記他方向から見たときに、前記第２の楕円モノクロメー
タの第１焦点の位置にＸ線源が配置されている。（キ）
前記第１の楕円モノクロメータと前記第２の楕円モノク
ロメータは人工多層膜で形成され、この人工多層膜は、
回折に寄与する結晶格子面が反射面に平行になってい
て、かつ、特定の波長のＸ線に対して反射面の任意の位
置でブラッグの回折条件を満足するように楕円弧に沿っ
て前記結晶格子面の格子面間隔が連続的に変化してい
る。

【００２５】前記（ア）の特徴における「マイクロフォ
ーカス」Ｘ線源は、Ｘ線源の見かけの焦点サイズが非常
に小さいものであり、その焦点サイズは３０μｍ以下で
ある。前記（ウ）の特徴における「ほぼ直交」とは９０
度±１０度程度である。理想的には、二つの楕円モノク
ロメータの焦点軸線は互いに直交しているのが望ましい
が、製作誤差その他の要因で、直交からずれても、±１
０度程度の範囲内であれば、実用上許容できる。前記
（エ）の特徴において二つの楕円モノクロメータは、そ
の「側縁」同士が互いに接しているが、側縁同士がその
長さ方向にぴったり合致していなくても、側縁の長さ方
向に多少（楕円モノクロメータの長さの４分の１程度ま
で）ずれた状態で接していても構わない。前記（オ）の
特徴において、楕円モノクロメータの第１焦点の位置に
Ｘ線源を配置しているが、試料は楕円モノクロメータの
第２焦点の位置またはその光軸方向の近傍に配置するこ
とになる。試料は第２焦点の位置に厳密に配置する必要
はなく、モノクロメータからのＸ線が当たる限りにおい
て、第２焦点の近傍（具体的には光軸方向の近傍）に配
置することができる。

【００２６】見かけの焦点サイズが３０μｍ以下のマイ
クロフォーカスＸ線源自体は公知である。このようなマ
イクロフォーカスＸ線源は、従来は、（１）試料の微小
部にＸ線源を近づけて試料の透過拡大像を得る用途や、
（２）Ｘ線源から出るＸ線をキャピラリで集光して微小
スポットのＸ線を試料に当てながら試料及び２次元検出
部をスキャンして試料を観察する用途（Ｘ線顕微鏡）な
どに使われている。

【００２７】この発明は、人工多層膜製の２個の楕円モ
ノクロメータを組み合わせた複合モノクロメータと、マ
イクロフォーカスＸ線源とを組み合わせることで、マイ
クロフォーカスＸ線源の特徴（見かけの焦点サイズが非
常に小さいこと）を生かして、試料上のＸ線強度を高め
ることに成功した。焦点サイズが３０μｍ以下のマイク
ロフォーカスＸ線源を使うことで、Ｘ線源とモノクロメ
ータとの距離をかなり近づけても、Ｘ線源の焦点サイズ
に起因する入射角のバラツキΔθが、楕円モノクロメー
タによる回折ピークの半値幅εの範囲内に収まるように
なり、楕円モノクロメータに到達したＸ線を無駄なく活
用できるようになった。そして、Ｘ線源と楕円モノクロ
メータとの距離を近づけることが可能になったおかげ
で、楕円モノクロメータに入射するＸ線の捕捉角αを大
きくできて（例えば、捕捉する立体角を０．０００５ス
テラジアン以上にできて）、第２焦点上でＸ線強度を従
来よりも飛躍的に高めることができた。

【００２８】Ｘ線源の見かけの焦点サイズとは、楕円モ
ノクロメータから見たときのＸ線源の投影形状におい
て、その最大の差し渡し寸法のことを言うものとする。
この発明は、Ｘ線源の見かけの焦点サイズを３０μｍ以
下にすることが効果的であり、好ましくは２０μｍ以
下、さらに好ましくは、見かけの焦点サイズを１０μｍ
程度にする。

【００２９】この発明によれば、Ｘ線源のターゲットの
焦点と複合モノクロメータとの最短距離を５０ｍｍ以下
にすることができ、より好ましくは３０ｍｍ以下にする
ことができる。さらに好ましくは、上述の最短距離は１
０〜２０ｍｍ程度にすることができる。なお、上述の最
短距離のとりうる下限値は、一般的には、Ｘ線管の構造
上の制約に依存することになる。

【００３０】この発明で使う楕円モノクロメータは、極
端に偏平な形状になっており、こうすることで、Ｘ線源
（楕円の焦点の位置に配置することになる）を楕円モノ
クロメータに近づけることができる。

【００３１】この発明のＸ線分析装置は、Ｘ線源から試
料に至るまでのＸ線光学系に特徴があり、試料から検出
器に至るまでの光学系については特に限定していない。
例えば、マイクロフォーカスＸ線源からのＸ線を複合モ
ノクロメータで集束して試料に照射して、試料からの回
折Ｘ線を検出するようにすれば、この発明のＸ線分析装
置はＸ線回折装置になる。また、試料からの蛍光Ｘ線を
検出するようにすれば、この発明のＸ線分析装置は蛍光
Ｘ線分析装置になる。

【００３２】

【実施例】図１は、この発明の第１実施例の斜視図であ
る。Ｘ線源３２と試料５０との間にサイド・バイ・サイ
ドの構造の複合モノクロメータ５２を配置している。こ
の複合モノクロメータ５２は、第１の楕円モノクロメー
タ３８と第２の楕円モノクロメータ４０とをその側縁で
接合したものである。この複合モノクロメータ５２の基
本的な構造は、図８（Ｂ）に示したものと同じである。
第１の楕円モノクロメータ３８は焦点軸線がＸ軸に平行
であり、第２の楕円モノクロメータ４０は焦点軸線がＹ
軸に平行である。

【００３３】Ｘ線源３２の見かけの焦点サイズＤは１０
μｍである。見かけの焦点サイズＤを１０μｍにするに
は、図２（Ａ）に示すように、Ｘ線管のターゲット５４
面上の焦点５５のサイズを直径１０μｍにして、ここか
ら適切な取り出し角度（例えば６度）でＸ線を取り出せ
ばよい。あるいは、図２（Ｂ）に示すように、Ｘ線管の
ターゲット５４面上での焦点５５を細長い形状にして、
その幅を１０μｍにし、焦点５５の長手方向にＸ線を取
り出すようにしてもよい（いわゆるポイント取り出
し）。この場合も見かけの焦点サイズを１０μｍにする
ことができる。この実施例で使用しているＸ線管は、タ
ーゲット材質がＣｕであり、その特性Ｘ線（ＣｕＫα、
その波長は０．１５４ｎｍ）を利用している。この発明
はＸ線の集束効率がすぐれているので、Ｘ線管の出力は
それほど大きくしなくてもよく、この実施例ではＸ線管
として固定ターゲットを使用していて、その出力は約７
Ｗである。

【００３４】次に、楕円モノクロメータの楕円弧の具体
的な形状について説明する。楕円モノクロメータ３８を
構成する楕円５６は、図３に示すように、二つの焦点Ｆ
１、Ｆ２の間の距離Ｌは３００ｍｍである。焦点Ｆ１か
ら楕円５６までの最短距離をｐ/２とすると、ｐ＝０．
０３ｍｍである。すなわち、Ｌはｐの１万倍もあり、極
端に偏平な楕円になっている。もう一方の楕円モノクロ
メータ４０も同じ形状である。

【００３５】図３（Ｘ方向の投影図である）において、
焦点Ｆ１の位置にＸ線源を配置し、焦点Ｆ２の位置（あ
るいはその光軸方向の近傍）に試料を配置することにな
る。焦点Ｆ１とＦ２を通る直線の方向をｕ方向、それに
垂直な方向をｖ方向と定めると、焦点Ｆ１から楕円モノ
クロメータ３８までのｕ方向の距離Ｌ１は１５ｍｍであ
る。楕円モノクロメータ３８のｕ方向の寸法Ｌ２は４０
ｍｍである。楕円モノクロメータ３８から焦点Ｆ２まで
のｕ方向の距離Ｌ３は２４５ｍｍである。焦点Ｆ１から
楕円モノクロメータ３８の中心までのｕ方向の距離Ｌ４
は３５ｍｍであり、焦点Ｆ２から楕円モノクロメータ３
８の中心までのｕ方向の距離Ｌ５は２６５ｍｍである。
Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＝Ｌ４＋Ｌ５＝Ｌ＝３００ｍｍであ
る。

【００３６】次の表１は、楕円モノクロメータ３８の楕
円弧の座標と傾斜格子面間隔についての数値例である。
焦点Ｆ１を座標の原点とした場合の楕円弧の座標ｕ、ｖ
（単位はｍｍ）と、焦点Ｆ１にＸ線源を置いたときのＸ
線の入射角θ（単位は度）と、格子面間隔ｄ（単位はｎ
ｍ：ナノメータ）とを表わしている。

【００３７】

【表１】ｕｖ入射角θ 格子面間隔ｄ 15 0.9251 1.8575 2.3783 20 1.0587 1.6233 2.7213 25 1.1729 1.4652 3.0148 30 1.2731 1.3500 3.2721 35 1.3622 1.2617 3.5011 40 1.4424 1.1915 3.7072 45 1.5151 1.1344 3.8939 50 1.5813 1.0869 4.0640 55 1.6418 1.0469 4.2194

【００３８】表１から、楕円弧に沿って入射角θと格子
面間隔ｄとが連続的に変化していく様子が分かる。焦点
Ｆ１に一番近いから楕円モノクロメータ３８において焦
点Ｆ１に一番近い地点は、ｕ＝１５ｍｍ、ｖ＝０．９２
５１ｍｍの地点である。この最短地点と焦点Ｆ１との距
離Ｌ６を計算すると、Ｌ６＝(ｕ²＋ｖ²)^1/2＝１５．０
３ｍｍになる。そして、この最短距離Ｌ６のところで、
上述の（２）式を用いて入射角のバラツキΔθを計算す
ると、Δθ＝Ｄ/Ｌ６＝０．０１÷１５．０３＝０．０
００６７ラジアンとなる。このΔθの値は、人工多層膜
のモノクロメータの半値幅ε＝０．００１よりも小さく
なっている。最短地点よりも遠い位置での入射角のバラ
ツキΔθは上述の値よりももっと小さくなるので問題は
ない。したがって、楕円モノクロメータに当たった特定
波長のＸ線は、そのすべてが有効に反射することにな
る。

【００３９】次に、この複合モノクロメータのＸ線捕捉
状況を説明する。表１に示す楕円モノクロメータに入射
するＸ線の発散角αは、後述の方法で計算をすると１．
８２度になる。Ｘ線の集束角βは０．１５度である。上
述の発散角αの単位をラジアンに直すと、０．０３１８
ラジアンになる。第１の楕円モノクロメータでＹＺ平面
内での発散角αｙ＝０．０３１８ラジアンが捕捉され、
第２の楕円モノクロメータでＺＸ平面内での発散角αｘ
＝０．０３１８ラジアンが捕捉される。これにより、複
合モノクロメータで捕捉できるＸ線の立体角αＭは、α
Ｍ＝αｘ・αｙ＝０．００１ステラジアンになる。

【００４０】この複合モノクロメータを使うと、Ｘ線源
の見かけの焦点サイズＤが０．０１ｍｍであるのに対し
て、試料上に集束するＸ線のスポット・サイズは０．２
ｍｍになる。試料を置く位置については、楕円モノクロ
メータの第２焦点の位置（基準位置）に対して、測定条
件（試料のサイズ、必要強度等）に応じて、基準位置よ
りも光軸上の前後の必要な位置に置くことができる。

【００４１】上述の表１のような傾斜格子面間隔を備え
る人工多層膜は、一般的に重元素と軽元素を積層して作
ることができ、例えば、タングステン（Ｗ）とシリコン
（Ｓｉ）とを積層して作ることができる。あるいは、タ
ングステン（Ｗ）と炭化ホウ素（Ｂ₄Ｃ）とを積層して
作ることができる。その積層周期が格子面間隔に相当す
る。各層の厚さの分配はさまざまに変えることができ
る。Ｘ線反射用の人工多層膜の構造及びその製造方法に
ついては、例えば特公平６−４６２４０号公報に開示さ
れている。

【００４２】上述の表１から分かるように、楕円モノク
ロメータへのＸ線の入射角θは１〜２度程度の小さい値
である。人工多層膜の格子面間隔ｄは２〜４ｎｍ程度で
ある。

【００４３】次に、楕円モノクロメータに入射するＸ線
の発散角αを計算する方法を説明する。図３において、
モノクロメータ３８の楕円弧の座標（ｕ、ｖ）を考える
と、楕円の方程式から、ｖをｕの関数で記述して、次の
（３）式が成り立つ。

【数３】ｖ＝ｆ(ｕ) ＝[{ｐ(２Ｌ＋ｐ)(−ｕ²＋Ｌｕ＋ｐ(２Ｌ＋ｐ)/４)}/(Ｌ＋ｐ)²]^1/2 …(3)

【００４４】そして、図３において、Ｌ１＝Ｇ、Ｌ１＋
Ｌ２＝Ｈとおくと、発散角αは次の（４）式で計算でき
る。ここで、関数ｆは上述の（３）式を用いる。

【数４】 α＝cos^-1[(ＧＨ＋ｆ(Ｇ)ｆ(Ｈ))/{(Ｇ²＋ｆ(Ｇ)²)^1/2(Ｈ²＋ｆ(Ｈ)²)^1/2}] …(4)

【００４５】図４は、この発明の第２実施例の斜視図で
ある。その基本的な構成は図１の実施例と同じである
が、楕円モノクロメータの設計値が異なっている。この
複合モノクロメータ５２ａの長さは６０ｍｍであり、Ｘ
線源３２（第１焦点の位置にある）から試料５０（第２
焦点の位置にある）までの距離は１００ｍｍである。こ
の実施例では、複合モノクロメータ５２ａから試料５０
までの距離が第１実施例の場合と比較して短くなってお
り、第１実施例と同じＸ線源を使った場合に、試料５０
上の集束Ｘ線のスポット・サイズは０．０４７ｍｍまで
小さくなる。すなわち、微小試料のＸ線分析が可能にな
る。

【００４６】この第２実施例の複合モノクロメータにつ
いて、その楕円形状を図３に示す符号を参照して説明す
ると、ｐ＝０．０２２ｍｍ、Ｌ＝１００ｍｍ、Ｌ１＝１
７ｍｍ、Ｌ２＝６０ｍｍ、Ｌ３＝２３ｍｍ、Ｌ４＝４７
ｍｍ、Ｌ５＝５３ｍｍとなる。この場合、Ｌはｐの４５
４５倍になる。次の表２は、この第２実施例における、
表１と同様の設計値である。

【００４７】

【表２】ｕｖ入射角θ 格子面間隔ｄ 17 0.78811 1.5992 2.7624 22 0.86907 1.4503 3.0459 27 0.93136 1.3533 3.2641 32 0.97857 1.2880 3.4295 37 1.01281 1.2445 3.5494 42 1.03536 1.2174 3.6284 47 1.04698 1.2039 3.6691 52 1.04803 1.2027 3.6728 57 1.03854 1.2137 3.6396 62 1.01822 1.2379 3.5684 67 0.98641 1.2778 3.4570 72 0.94193 1.3381 3.3011 77 0.88287 1.4276 3.0943

【００４８】この第２実施例では、楕円モノクロメータ
に入射するＸ線の発散角αは２．０度になり、第２焦点
に集束するＸ線の集束角βは１．６度になる。

【００４９】次に、第３実施例を説明する。第３実施例
は、図３において、ｐ＝０．０６５ｍｍ、Ｌ＝４００ｍ
ｍ、Ｌ１＝４０ｍｍ、Ｌ２＝６０ｍｍ、Ｌ３＝３００ｍ
ｍ、Ｌ４＝７０ｍｍ、Ｌ５＝３３０ｍｍである。第２焦
点上の集束Ｘ線のスポット・サイズは０．２〜０．２５
ｍｍである。次の表３は、この第３実施例における、表
１と同様の設計値である。

【００５０】

【表３】ｕｖ入射角θ 格子面間隔ｄ 40 2.1640 1.7206 2.5675 44 2.2569 1.6498 2.6776 48 2.3440 1.5886 2.7808 52 2.4257 1.5351 2.8777 56 2.5027 1.4879 2.9690 60 2.5754 1.4459 3.0551 64 2.6441 1.4083 3.1366 68 2.7092 1.3745 3.2138 72 2.7708 1.3439 3.2869 76 2.8293 1.3162 3.3562 80 2.8848 1.2909 3.4220 84 2.9375 1.2677 3.4845 88 2.9875 1.2465 3.5437 92 3.0350 1.2270 3.6000 96 3.0801 1.2091 3.6535 100 3.1228 1.1925 3.7041

【００５１】この第３実施例では、楕円モノクロメータ
に入射するＸ線の発散角αは１．３１度になる。これを
ラジアンに直すと、０．０２２９ラジアンになる。第１
の楕円モノクロメータでＹＺ平面内での発散角αｙ＝
０．０２２９ラジアンが捕捉され、第２の楕円モノクロ
メータでＺＸ平面内での発散角αｘ＝０．０２２９ラジ
アンが捕捉される。これにより、この複合モノクロメー
タで捕捉できるＸ線の立体角αＭは、αＭ＝αｘ・αｙ
＝０．０００５２ステラジアンになる。

【００５２】これまでは楕円モノクロメータについて説
明してきたが、楕円モノクロメータを放物線モノクロメ
ータに変更することも可能である。その場合の一例を以
下に説明する。図１３は放物線モノクロメータの放物線
の形状の説明図である。放物線モノクロメータ６０を構
成する放物線６２は焦点がひとつであり、焦点Ｆから放
物線６２までの最短距離をｐ/２とすると、ｐ＝０．０
２６ｍｍである。焦点Ｆの位置にマイクロフォーカスＸ
線源を配置する。モノクロメータから出てくるＸ線は平
行Ｘ線束となる。したがって、試料を光軸上のどこにお
いても試料に当たるＸ線の強度は変化しない。図のよう
にｕ方向とｖ方向と定めると、焦点Ｆから放物線モノク
ロメータ６０までのｕ方向の距離Ｌ１は１５ｍｍであ
る。楕円モノクロメータ６０のｕ方向の寸法Ｌ２は４０
ｍｍである。このような形状の２個の楕円モノクロメー
タを図１のように組み合わせて複合モノクロメータとし
て用いる。使用するＸ線源の見かけの焦点サイズは１０
μｍであり、試料に当たるＸ線のスポットサイズは直径
０．８ｍｍである。

【００５３】次の表４は、放物線モノクロメータ６０の
放物線の座標と傾斜格子面間隔についての数値例であ
る。焦点Ｆを座標の原点とした場合の楕円弧の座標ｕ、
ｖ（単位はｍｍ）と、焦点ＦにＸ線源を置いたときのＸ
線の入射角θ（単位は度）と、格子面間隔ｄ（単位はｎ
ｍ：ナノメータ）とを表わしている。

【００５４】

【表４】ｕｖ入射角θ 格子面間隔ｄ 15 0.8836 1.6855 2.6209 20 1.0201 1.4600 3.0257 25 1.1405 1.3060 3.3824 30 1.2493 1.1923 3.7049 35 1.3493 1.1039 4.0015 40 1.4425 1.0326 4.2776 45 1.5299 0.9736 4.5369 50 1.6123 0.9237 4.7822 55 1.6914 0.8807 5.0155

【００５５】本発明の範囲（マイクロフォーカスＸ線源
の焦点サイズ、Ｘ線源の焦点からモノクロメータまでの
最短距離、モノクロメータが捕捉する立体角等）内にお
いて、第１と第２のモノクロメータは図８（Ａ）に示す
方向にずらすことができる。その場合、捕捉する立体角
がＸ方向とＹ方向とで異なるので、モノクロメータから
出射するＸ線強度分布は変形するが、測定条件（試料の
サイズや配置位置、必要なＸ線強度等）によっては、図
８（Ｂ）に示すような「ずらしていないモノクロメー
タ」と同様の効果が期待できる。

【００５６】

【発明の効果】この発明のＸ線分析装置は、特定の入射
側モノクロメータとマイクロフォーカスのＸ線源とを組
み合わせることにより、試料に集束するＸ線の強度を高
めることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例の斜視図である。

【図２】マイクロフォーカスのＸ線源の斜視図である。

【図３】楕円モノクロメータの楕円の形状の説明図であ
る。

【図４】この発明の第２実施例の斜視図である。

【図５】楕円モノクロメータの定義を説明する斜視図で
ある

【図６】楕円モノクロメータの働きを説明する側面図で
ある。

【図７】傾斜格子面間隔のモノクロメータの原理図であ
る。

【図８】順次配置の構造及びサイド・バイ・サイドの構
造の楕円モノクロメータの斜視図である。

【図９】サイド・バイ・サイドの構造の楕円モノクロメ
ータによる反射を示すＸ方向とＹ方向の投影図である。

【図１０】サイド・バイ・サイドの構造の楕円モノクロ
メータによる別の反射を示すＸ方向とＹ方向の投影図で
ある。

【図１１】Ｘ線源の焦点サイズの影響を示す側面図であ
る。

【図１２】人工多層膜による回折ピークのグラフであ
る。

【図１３】放物線モノクロメータの放物線の形状の説明
図である。

【符号の説明】

３２Ｘ線源３８第１の楕円モノクロメータ４０第２の楕円モノクロメータ４４集束点５０試料５２複合モノクロメータ５４ターゲット５５ターゲットの焦点

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｘ線源から出射するＸ線ビームをモノク
ロメータで反射してから試料に照射するＸ線分析装置に
おいて、次の特徴を備えるＸ線分析装置。（ア）前記Ｘ線源をマイクロフォーカスＸ線源とする。（イ）前記モノクロメータは、第１の楕円モノクロメー
タと第２の楕円モノクロメータとで構成した複合モノク
ロメータである。（ウ）前記第１の楕円モノクロメータの反射面は、焦点
軸線が一方向に平行な楕円弧面であり、前記第２の楕円
モノクロメータの反射面は、焦点軸線が他方向に平行な
楕円弧面であり、前記第１の焦点軸線と前記第２の焦点
軸線とが互いにほぼ直交している。（エ）前記第１の楕円モノクロメータの一つの側縁と前
記第２の楕円モノクロメータの一つの側縁は互いに接し
ている。（オ）前記一方向から見たときに、前記第１の楕円モノ
クロメータの第１焦点の位置にＸ線源が配置されてい
る。（カ）前記他方向から見たときに、前記第２の楕円モノ
クロメータの第１焦点の位置にＸ線源が配置されてい
る。（キ）前記第１の楕円モノクロメータと前記第２の楕円
モノクロメータは人工多層膜で形成され、この人工多層
膜は、回折に寄与する結晶格子面が反射面に平行になっ
ていて、かつ、特定の波長のＸ線に対して反射面の任意
の位置でブラッグの回折条件を満足するように楕円弧に
沿って前記結晶格子面の格子面間隔が連続的に変化して
いる。
【請求項２】Ｘ線源から出射するＸ線ビームをモノク
ロメータで反射してから試料に照射するＸ線分析装置に
おいて、次の特徴を備えるＸ線分析装置。（ア）前記Ｘ線源の見かけの焦点サイズは３０μｍ以下
である。（イ）前記モノクロメータは、第１の楕円モノクロメー
タと第２の楕円モノクロメータとで構成した複合モノク
ロメータである。（ウ）空間上に３次元の直交座標軸ＸＹＺを仮定する
と、前記第１の楕円モノクロメータの反射面は、焦点軸
線がＸ方向に平行な楕円弧面であり、前記第２の楕円モ
ノクロメータの反射面は、焦点軸線がＹ方向に平行な楕
円弧面である。（エ）前記第１の楕円モノクロメータの一つの側縁と前
記第２の楕円モノクロメータの一つの側縁は互いに接し
ている。（オ）Ｘ方向から見たときに、前記第１の楕円モノクロ
メータの第１焦点の位置にＸ線源が配置されている。（カ）Ｙ方向から見たときに、前記第２の楕円モノクロ
メータの第１焦点の位置にＸ線源が配置されている。（キ）前記第１の楕円モノクロメータと前記第２の楕円
モノクロメータは人工多層膜で形成され、この人工多層
膜は、回折に寄与する結晶格子面が反射面に平行になっ
ていて、かつ、特定の波長のＸ線に対して反射面の任意
の位置でブラッグの回折条件を満足するように楕円弧に
沿って前記結晶格子面の格子面間隔が連続的に変化して
いる。
【請求項３】請求項１または２に記載のＸ線分析装置
において、前記第１の楕円モノクロメータの第２焦点の
位置またはその光軸方向の近傍に試料が配置され、前記
第２の楕円モノクロメータの第２焦点の位置またはその
光軸方向の近傍に試料が配置されることを特徴とするＸ
線分析装置。
【請求項４】請求項１または２に記載のＸ線分析装置
において、前記Ｘ線源のターゲットの焦点から前記複合
モノクロメータまでの最短距離が５０ｍｍ以下であるこ
とを特徴とするＸ線分析装置。
【請求項５】請求項１または２に記載のＸ線分析装置
において、前記Ｘ線源のターゲットの焦点から前記複合
モノクロメータまでの最短距離が３０ｍｍ以下であるこ
とを特徴とするＸ線分析装置。
【請求項６】請求項１に記載のＸ線分析装置におい
て、前記複合モノクロメータが捕捉するＸ線の立体角は
０．０００５ステラジアン以上であることを特徴とする
Ｘ線分析装置。
【請求項７】請求項１または２に記載のＸ線分析装置
において、前記Ｘ線源の見かけの焦点サイズは２０μｍ
以下であることを特徴とするＸ線分析装置。
【請求項８】Ｘ線源から出射するＸ線ビームをモノク
ロメータで反射してから試料に照射するＸ線分析装置に
おいて、次の特徴を備えるＸ線分析装置。（ア）前記Ｘ線源をマイクロフォーカスＸ線源とする。（イ）前記モノクロメータは、第１の放物線モノクロメ
ータと第２の放物線モノクロメータとで構成した複合モ
ノクロメータである。（ウ）前記第１の放物線モノクロメータの反射面は、焦
点軸線が一方向に平行な放物面であり、前記第２の放物
線モノクロメータの反射面は、焦点軸線が他方向に平行
な放物面であり、前記第１の焦点軸線と前記第２の焦点
軸線とが互いにほぼ直交している。（エ）前記第１の放物線モノクロメータの一つの側縁と
前記第２の放物線モノクロメータの一つの側縁は互いに
接している。（オ）前記一方向から見たときに、前記第１の放物線モ
ノクロメータの焦点の位置にＸ線源が配置されている。（カ）前記他方向から見たときに、前記第２の放物線モ
ノクロメータの焦点の位置にＸ線源が配置されている。（キ）前記第１の放物線モノクロメータと前記第２の放
物線モノクロメータは人工多層膜で形成され、この人工
多層膜は、回折に寄与する結晶格子面が反射面に平行に
なっていて、かつ、特定の波長のＸ線に対して反射面の
任意の位置でブラッグの回折条件を満足するように放物
線に沿って前記結晶格子面の格子面間隔が連続的に変化
している。