KR20180042328A - X 선 발생 장치 및 방법, 그리고 시료 측정 시스템 - Google Patents

Abstract

매우 간단한 장치 구성이면서 점상 또는 선상의 X 선 빔을 선택적으로 발생 가능한 X 선 발생 장치 및 방법, 그리고 시료 측정 시스템을 제공한다. X 선 발생 장치 (10) 가 구비하는 전자 발생기 (24) 및 회전 대음극 (26) 은, 전자원 (32) 및 둘레면부 (38) 가 서로 대향함과 함께, 회전축 (36) 이 제 1 방향 (Z 방향) 및 제 2 방향 (X 방향) 에 대해 경사지는 위치 관계하에 고정 배치된다.

Description

X 선 발생 장치 및 방법, 그리고 시료 측정 시스템

본 발명은, 이른바 회전 대음극 방식을 사용하여 X 선을 발생시키는 X 선 발생 장치 및 X 선 발생 방법, 그리고 이 X 선 발생 장치를 포함하여 구성되는 시료 측정 시스템에 관한 것이다.

종래부터, 계측 분야에 있어서, 회전 대음극의 외주면 상에 전자 빔을 조사하여 둘레 방향 또는 폭 방향으로 장척인 초점을 형성함으로써, 선상 또는 점상의 X 선 빔을 선택적으로 발생시키는 방법이 알려져 있다 (특허문헌 1 참조).

일본 공개특허공보 평6-020629호 (도 1, 도 6 등)

계측시의 사용 편리함의 관점에서 말하면, 선상 또는 점상의 X 선 빔을 선택적으로 발생시키는 장치는, 가능한 한 간단한 장치 구성에 의해, 출력 성능의 향상, 작업 효율의 향상을 실현하는 것이 요망된다.

본 발명은, 상기 서술한 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 매우 간단한 장치 구성이면서 선상 또는 점상의 X 선 빔을 선택적으로 발생 가능한 X 선 발생 장치 및 방법, 그리고 시료 측정 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 제 1 양태에 관련된 「X 선 발생 장치」는, 선상의 전자 빔을 방출하는 전자원 (電子源) 과, 상기 전자원의 중심 위치를 고정하면서 그 전자원의 연장 방향을 제 1 방향 및 그 제 1 방향에 직교하는 제 2 방향 중 어느 일방으로 전환하는 전환 기구를 갖는 전자 발생기와, 상기 전자원으로부터의 상기 전자 빔을 충돌시킴으로써 X 선 빔을 출사하는 둘레면부를 갖고, 또한, 회전축을 중심으로 회전 가능하게 구성되는 원판상 또는 원주상의 회전 대음극을 구비하는 장치로서, 상기 전자 발생기 및 상기 회전 대음극은, 상기 전자원 및 상기 둘레면부가 서로 대향함과 함께, 상기 회전축이 상기 제 1 방향 및 상기 제 2 방향에 대해 경사지는 위치 관계하에 고정 배치된다.

이와 같이, 전자원의 중심 위치를 고정하면서 그 전자원의 연장 방향을 제 1 방향 및 그 제 1 방향에 직교하는 제 2 방향 중 어느 일방으로 전환하는 전환 기구를 형성함과 함께, 전자원 및 둘레면부가 서로 대향하는 위치 관계하에 전자 발생기 및 회전 대음극이 고정 배치되기 때문에, 전자 발생기 및 회전 대음극의 위치·자세를 일절 변경하지 않고 전자원의 연장 방향을 단순히 전환함으로써, 선상 또는 점상의 X 선 빔을 선택적으로 발생시킬 수 있다.

또, 회전 대음극은, 그 회전축이 제 1 방향 및 제 2 방향에 대해 경사지는 위치 관계하에 있기 때문에, 제 1 방향 및 제 2 방향으로부터의 전자 빔의 방출에 의해 형성되는 2 개의 초점에 관해서, 둘레 방향으로 횡단하는 초점 길이의 괴리량이, 회전축을 경사시키지 않는 경우와 비교하여 작아진다. 요컨대, 가장 높은 측의 출력 효율을 낮추는 대신에 가장 낮은 측의 출력 효율을 높임으로써, 양방의 X 선 빔으로 공통적으로 출력할 수 있는 최대량 (요컨대, X 선의 한계 출력량) 이 끌어 올려진다.

이로써, 매우 간단한 장치 구성이면서 선상 또는 점상의 X 선 빔을 선택적으로 발생시킴과 함께, 장치 전체로서의 출력 성능을 향상시킬 수 있다.

또, 상기 회전축이 상기 제 1 방향에 대해 30 ∼ 60 도의 범위 내에서 경사지는 것이 바람직하다. 이로써, 둘레 방향으로 횡단하는 초점 길이의 괴리량, 보다 상세하게는 초점 길이의 비를 대체로 2 배 미만으로 억제 가능해져, 양자의 출력 성능의 격차가 더욱 작아진다.

또, 상기 회전축이 상기 제 1 방향에 대해 45 도 경사지는 것이 바람직하다. 둘레 방향으로 횡단하는 초점 길이가 동일해지기 때문에, 양방의 X 선 빔에 공통되는 한계 출력량이 최대가 된다.

본 발명의 제 1 양태에 관련된 「X 선 발생 방법」은, 선상의 전자 빔을 방출하는 전자원을 갖는 전자 발생기와, 상기 전자원으로부터의 상기 전자 빔을 충돌시킴으로써 X 선 빔을 출사하는 둘레면부를 갖고, 또한, 회전축을 중심으로 회전 가능하게 구성되는 원판상 또는 원주상의 회전 대음극을 구비하는 X 선 발생 장치를 사용한 방법으로서, 상기 전자원 및 상기 둘레면부가 서로 대향함과 함께, 상기 회전축이 제 1 방향 및 그 제 1 방향에 직교하는 제 2 방향에 대해 경사지는 위치 관계하에, 상기 전자 발생기 및 상기 회전 대음극을 고정 배치하는 스텝과, 상기 전자원의 중심 위치를 고정하면서 그 전자원의 연장 방향을 상기 제 1 방향 및 상기 제 2 방향 중 어느 일방으로 전환하는 스텝을 구비한다.

본 발명의 제 1 양태에 관련된 「시료 측정 시스템」은, 상기한 어느 X 선 발생 장치와, 상기 X 선 발생 장치로부터 발생하고, 또한, 시료를 투과 또는 반사한 X 선 빔을 검출하는 X 선 검출 장치와, 상기 X 선 검출 장치에 의해 검출된 상기 X 선 빔의 검출량에 기초하여 상기 시료에 관한 물리량을 측정하는 측정 수단을 구비한다.

또, 본 발명의 제 2 양태에 관련된 「X 선 발생 장치」는, 선상의 전자 빔을 방출하는 전자원을 포함하여 구성되는 전자 발생기와, 상기 전자원으로부터의 상기 전자 빔을 충돌시킴으로써 X 선 빔을 출사하는 둘레면부를 포함하여 구성되는 회전 대음극과, 상기 전자원 및 상기 회전 대음극을 수용하는 챔버를 구비하고, 상기 전자 발생기 및 상기 회전 대음극은, 상기 전자원 및 상기 둘레면부가 서로 대향하는 위치 관계하에서 상기 챔버에 고정 배치되고, 상기 전자 발생기는, 상기 전자원을 지지하는 지지대와, 상기 챔버 내에 기밀 (氣密) 하게 삽입 통과되고, 또한, 상기 챔버의 외측으로부터의 조작에 따라 상기 지지대를 회동 (回動) 시키는 회동 도입 기구를 추가로 갖는다.

이와 같이, 챔버의 외측으로부터의 조작에 따라 전자원을 지지하는 지지대를 회동시키는 회동 도입 기구를 형성했기 때문에, 전자 발생기 또는 회전 대음극의 교체 작업이 불필요해져, 챔버 내의 진공 상태를 유지한 채로 전자원의 연장 방향을 변경 가능해진다. 이로써, 매우 간단한 장치 구성이면서 선상 또는 점상의 X 선 빔을 선택적으로 발생시킴과 함께, 이 선택에 수반하는 작업 효율의 저하를 억제할 수 있다.

또, 상기 회동 도입 기구는, 상기 챔버의 외측에서 회동 가능하게 배치된 핸들부를 가짐과 함께, 상기 핸들부의 회동 조작에 따라 상기 지지대를 회동시키는 것이 바람직하다. 작업자는, 핸들부를 회동시키는 조작을 실시함으로써, 전자원의 연장 방향을 용이하게 변경할 수 있다.

또, 상기 회동 도입 기구는, 상기 핸들부의 회동 상태를 상기 챔버의 외측으로부터 시인 가능하게 지시하는 지시 수단을 추가로 갖는 것이 바람직하다. 작업자는, 챔버의 외측으로부터 지시 수단에 의한 지시 위치를 시인함으로써, 핸들부의 회동 상태 및 전자원의 연장 방향을 언뜻 보고 파악할 수 있다.

또, 상기 회동 도입 기구는, 상기 핸들부의 회동 범위를 규제하는 회동 규제 수단을 추가로 갖는 것이 바람직하다. 이로써, 전자원의 구동 부품이 과도하게 비틀어져서 파손되는 것을 방지할 수 있다.

또, 상기 회동 도입 기구는, 상기 지지대의 회동 동작에 의해, 상기 전자원의 연장 위치를 제 1 방향 및 그 제 1 방향에 직교하는 제 2 방향으로 변경 가능하고, 상기 회전 대음극의 회전축은, 상기 제 1 방향 및 상기 제 2 방향에 대해 경사지는 것이 바람직하다. 제 1 방향 및 제 2 방향으로부터의 전자 빔의 방출에 의해 형성되는 2 개의 초점에 관해서, 둘레 방향으로 횡단하는 초점 길이의 괴리량이, 회전축을 경사시키지 않는 경우와 비교하여 작아진다. 요컨대, 가장 높은 측의 출력 효율을 낮추는 대신에 가장 낮은 측의 출력 효율을 높임으로써, 양방의 X 선 빔으로 공통적으로 출력할 수 있는 최대량 (요컨대, X 선의 한계 출력량) 이 끌어 올려진다.

본 발명의 제 2 양태에 관련된 「시료 측정 시스템」은, 상기한 어느 X 선 발생 장치와, 상기 X 선 발생 장치로부터 발생하고, 또한, 시료를 투과 또는 반사한 X 선 빔을 검출하는 X 선 검출 장치와, 상기 X 선 검출 장치에 의해 검출된 상기 X 선 빔의 검출량에 기초하여 상기 시료에 관한 물리량을 측정하는 측정 수단을 구비한다.

본 발명에 관련된 X 선 발생 장치 및 방법, 그리고 시료 측정 시스템에 의하면, 매우 간단한 장치 구성이면서 선상 또는 점상의 X 선 빔을 선택적으로 발생시킴과 함께, 장치 전체로서의 출력 성능 또는 작업 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1 은 본 실시형태에 관련된 X 선 발생 장치의 사시도이다.
도 2 는 도 1 의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따른 단면도이다.
도 3 은 도 1 의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따른 단면도이다.
도 4 는 제 1 방향 및 제 2 방향의 전환 동작에 따른 X 선 빔의 형상을 나타내는 모식도이다.
도 5 는 경사각이 0 도에 있어서의 초점의 형성 위치를 나타내는 모식도이다.
도 6 은 경사각이 45 도에 있어서의 초점의 형성 위치를 나타내는 모식도이다.
도 7 은 경사각과 둘레 방향 초점 길이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8 은 도 1 의 X 선 발생 장치를 장착한 시료 측정 시스템의 전체 구성도이다.
도 9 는 제 2 실시형태에 관련된 X 선 발생 장치의 사시도이다.
도 10 은 도 9 의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따른 단면도이다.
도 11 은 도 9 에 나타내는 X 선 발생 장치의 측면도이다.
도 12 는 도 9 의 Ⅳ-Ⅳ 선을 따른 단면도이다.
도 13 은 제 1 방향 및 제 2 방향의 전환 동작에 따른 X 선 빔의 형상을 나타내는 모식도이다.
도 14 는 경사각과 둘레 방향 초점 길이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 15 는 도 9 의 X 선 발생 장치를 장착한 시료 측정 시스템의 전체 구성도이다.

이하, 본 발명에 관련된 X 선 발생 장치에 대해, X 선 발생 방법 및 시료 측정 시스템과의 관계에 있어서 바람직한 실시형태를 들어, 첨부한 도면을 참조하면서 설명한다.

＜제 1 실시형태＞

[X 선 발생 장치 (10) 의 구성]

도 1 은 제 1 실시형태에 관련된 X 선 발생 장치 (10) 의 사시도이고, 도 2 는 도 1 의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따른 단면도이고, 도 3 은 도 1 의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따른 단면도이다. 설명의 편의상, 이들 도 1 ∼ 도 3 에서는, 3 차원 직교 좌표계를 나타내는 3 축 방향 (X 방향·Y 방향·Z 방향) 을 정의한다.

도 1 에 나타내는 바와 같이, X 선 발생 장치 (10) 는, 이른바 회전 대음극 방식을 사용하여 X 선 (엑스선) 을 발생시키는 장치이다. X 선 발생 장치 (10) 는, 외형상, X 선 투과율이 낮은 금속 재료로 이루어지는 대략 직방체상의 챔버 (12) 를 갖는다. 챔버 (12) 의 일면 (14) 측에 있는 1 개의 모서리부에는, 삼각주상으로 움푹 패인 오목부 (16) 가 형성된다.

오목부 (16) 를 이루는 경사면 (17) 에는 원형상의 개구부 (18) 가 형성됨과 함께, 일면 (14) 의 대향면 (20) 에는 X 선 투과율이 높은 베릴륨 박막을 개재 삽입한 창부 (22) 가 형성되어 있다. 개구부 (18) 를 덮는 위치에 덮개부 (46) 를 장착함으로써, 챔버 (12) 의 내부에서 기밀 상태가 유지된다.

도 2 및 도 3 에 나타내는 바와 같이, X 선 발생 장치 (10) 는, 선상의 전자 빔 (B1) 을 발생시키는 전자 발생기 (24) 와, 원판상 또는 원주상인 회전 대음극 (26) 과, 회전 대음극 (26) 을 냉각시키기 위한 냉각 기구 (도시 생략) 를 추가로 갖는다. 전자 발생기 (24) 및 회전 대음극 (26) 은 각각, 챔버 (12) 의 실 (室) (28) 내에 고정된 상태로 수용된다.

전자 발생기 (24) 는, 열전자형, 전계 방출형, 또는 쇼트키형의 전자총이며, 여기서는 열전자형을 예로 설명한다. 구체적으로는, 전자 발생기 (24) 는, 대략 직방체상의 본체부 (30) 와, 텅스텐·필라멘트 등으로 이루어지는 전자원 (32) 과, 전자원 (32) 의 연장 방향을 복수의 방향으로 전환하는 전환 기구 (34) 를 포함하여 구성된다. 예를 들어, 본체부 (30) 는 도시되지 않은 플로팅 구조를 갖고 있으며, 전자원 (32) 은 챔버 (12) 와 전기적으로 절연되어 있는 점에 유의한다.

전환 기구 (34) 는, Y 방향을 따른 회동축을 중심으로 회동 가능하고, 또한, 전자원 (32) 이 고정된 원반부를 갖는다. 요컨대, 전환 기구 (34) 는, 전자원 (32) 과 일체적으로 원반부를 회동시킴으로써, 전자원 (32) 의 중심 위치 (O) (도 2) 를 고정하면서 전자원 (32) 의 연장 방향을 X 방향 또는 Z 방향으로 전환 가능하다.

회전 대음극 (26) 은, 회전축 (36) 을 중심으로 하여 A 방향으로, 예를 들어 5000 ∼ 12000 [rpm] 의 속도로 회전 가능하게 구성된다. 회전 대음극 (26) 은, 몰리브덴 (Mo), 구리 (Cu) 등의 금속층이 피복된 둘레면부 (38) 와, 회전 대음극 (26) 의 회전 기구 (42) 가 장착된 측면부 (40) 를 갖는다.

회전 기구 (42) 는, 회전 대음극 (26) 을 축지지하는 원통상의 축부 (44) 와, 축부 (44) 의 일단측에 형성되는 원판상의 덮개부 (46) 를 포함하여 구성된다. 덮개부 (46) 는, 개구부 (18) 와 비교하여 대직경의 주면을 가짐과 함께, 챔버 (12) 의 외측으로부터 개구부 (18) 를 덮는 위치에서 착탈 가능하다.

도 2 로부터 이해되는 바와 같이, 회전 대음극 (26) 은, 회전축 (36) 이 X 방향 및 Z 방향에 대해 경사지는 위치 관계하에 고정 배치된다. 요컨대, 회전 대음극 (26) 의 직경 방향과 Z 방향이 이루는 각을 「경사각 (φ)」(0 ≤ φ ≤ 90, 단위 : 도) 이라고 정의하는 경우, 0 ＜ φ ＜ 90 의 관계를 만족한다. 본 실시형태에서는, 특히 φ ＝ 45 [도] 를 만족한다.

도 3 으로부터 이해되는 바와 같이, 전자원 (32) 및 둘레면부 (38) 는 서로 대향하는 위치 관계하에 있기 때문에, 전자원 (32) 으로부터의 전자 빔 (B1) 에 의한 선상 초점 (제 1 초점 (51)) 이 둘레면부 (38) 상에 형성된다. 둘레면부 (38) 는, 전자 빔 (B1) 의 충돌시에서 특정한 발생 조건을 만족하는 경우, 제 1 초점 (51) 의 위치 또는 근방 위치로부터 X 선 빔 (B2) 을 출사한다. 후술하는 바와 같이, 챔버 (12) 의 외부에 출사되는 X 선 빔 (B2) 의 형상은, 선상 초점과 창부 (22) 사이의 기하학적 관계에 따라 변화된다.

[X 선 발생 장치 (10) 의 동작]

계속해서, 제 1 실시형태에 관련된 X 선 발생 장치 (10) 의 동작에 대해, 도 1 ∼ 도 3 의 각 도면, 및 도 4 의 모식도를 참조하면서 설명한다.

(1) 고정 배치 스텝

먼저, 사용자는, 전자 발생기 (24) 및 회전 대음극 (26) 을 챔버 (12) 의 실 (28) 내에 수용한 후, 개구부 (18) 를 덮는 위치에 덮개부 (46) 를 장착한다. 이로써, 전자원 (32) 및 둘레면부 (38) 가 서로 대향함과 함께, 회전축 (36) 이 제 1 방향 및 제 2 방향에 대해 경사지는 위치 관계하에, 전자 발생기 (24) 및 회전 대음극 (26) 이 고정 배치된다.

이 제 1 방향 및 제 2 방향은, 서로 직교함과 함께, 전자원 (32) 및 둘레면부 (38) 의 이간 방향 (즉, Y 방향) 에 각각 교차한다. 여기서는, 제 1 방향은 「Z 방향」에 대응함과 함께, 제 2 방향은 「X 방향」에 대응한다.

(2) 전환 스텝

전환 기구 (34) 는, 사용자의 선택 조작에 따라 전자원 (32) 의 연장 방향을 전환한다. 구체적으로는, 선상의 X 선 빔 (B2) (도 4 참조) 을 사용하고자 하는 경우에는 「제 1 방향」으로 전환하고, 점상의 X 선 빔 (B3) (동 도면) 을 사용하고자 하는 경우에는 「제 2 방향」으로 전환한다.

(3) 발생 스텝

도시되지 않은 진공 펌프를 사용하여 실 (28) 내를 진공 상태로 만듦과 함께, 회전 대음극 (26) 을 소정의 속도로 A 방향으로 회전시킨다. 그리고, X 선의 발생 조건을 만족하기 위한 각종 준비가 완료된 후, 전자 발생기 (24) 는, 사용자의 동작 지시에 따라, 선상의 전자 빔 (B1) 을 발생시킨다. 이로써, X 선 빔 (B2, B3) 은, 창부 (22) 를 통해 X 선 발생 장치 (10) 의 외측에 발해진다.

도 4 는, 제 1 방향 및 제 2 방향의 전환 동작에 따른 X 선 빔 (B2, B3) 의 형상을 나타내는 모식도이다. 전자원 (32) (도 2 및 도 3) 의 연장 방향에 따라, 제 1 방향을 따라 만곡되는 제 1 초점 (51), 혹은 제 2 방향을 따라 만곡되는 제 2 초점 (52) 이 선택적으로 형성된다.

전자의 경우, 둘레면부 (38) 는, 전자 빔 (B1) 이 입사된 선상의 제 1 초점 (51) 의 위치로부터 X 선 빔 (B2) 을 출사한다. 이 때, 제 1 초점 (51) 은 창부 (22) 가 이루는 평면과 대략 평행한 관계에 있기 때문에, 선상의 X 선 빔 (B2) 이 출사된다.

후자의 경우, 둘레면부 (38) 는, 전자 빔 (B1) 이 입사된 선상의 제 2 초점 (52) 의 위치로부터 X 선 빔 (B3) 을 출사한다. 이 때, 제 2 초점 (52) 은 창부 (22) 가 이루는 평면과 대략 직교하는 관계에 있기 때문에, 점상의 X 선 빔 (B3) 이 출사된다.

이상과 같이, 전자 발생기 (24) 에는 전자원 (32) 의 연장 방향을 전환하는 전환 기구 (34) 가 형성됨과 함께, 전자원 (32) 및 둘레면부 (38) 가 서로 대향하는 위치 관계하에 전자 발생기 (24) 및 회전 대음극 (26) 이 고정 배치된다. 이로써, 전자 발생기 (24) 및 회전 대음극 (26) 의 위치·자세를 일절 변경하지 않고 전자원 (32) 의 연장 방향을 단순히 전환함으로써, 선상 또는 점상의 X 선 빔 (B2, B3) 을 선택적으로 발생시킬 수 있다.

[X 선 발생 장치 (10) 에 의한 효과]

계속해서, X 선 발생 장치 (10) 에 의한 효과에 대해, 도 5 ∼ 도 7 을 참조하면서 상세하게 설명한다.

도 5 는, 경사각 (φ) 이 0 도 (φ ＝ 0) 에 있어서의 초점의 형성 위치를 나타내는 모식도이다. 보다 상세하게는, 도 5(a) 는 둘레면부 (38) 상에 형성된 제 1 초점 (51) 을 Y 방향으로부터 시인한 투영도이고, 도 5(b) 는 둘레면부 (38) 상에 형성된 제 2 초점 (52) 을 Y 방향으로부터 시인한 투영도이다.

도 5(a) 에 나타내는 바와 같이, 제 1 초점 (51) 은, Y 방향으로부터의 평면에서 보아, 폭이 W [㎜], 높이가 H [㎜] (H ＞ W) 인 사각형상을 갖는다. 파선으로 도시하는 선분 (53) 은, 둘레 방향으로 횡단하는 초점 길이에 상당한다. 이하, 제 1 초점 (51) 에 있어서의 선분 (53) 의 길이를 「둘레 방향 초점 길이 (L1)」라고 한다. 본 도면예에서는, 제 1 초점 (51) 의 높이 방향이 둘레면부 (38) 의 둘레 방향에 일치하기 때문에, L1 ＝ H [㎜] 이다.

도 5(b) 에 나타내는 바와 같이, 제 2 초점 (52) 은, Y 방향으로부터의 평면에서 보아, 도 5(a) 에 나타내는 제 1 초점 (51) 과 대략 동일한 형상을 갖는다. 이하, 제 2 초점 (52) 에 있어서의 선분 (53) 의 길이를 「둘레 방향 초점 길이 (L2)」라고 한다. 본 도면예에서는, 제 2 초점 (52) 의 폭 방향이 둘레면부 (38) 의 둘레 방향에 일치하기 때문에, L1 ＝ W [㎜] 이다.

이 X 선 발생 방식에 관해서, 둘레 방향 초점 길이 (L1, L2) 가 클수록 회전 대음극 (26) 이 받는 열 부하가 증가하는 경향이 있다. 그리고, 열 부하가 증가할수록 둘레면부 (38) 에 형성된 금속이 냉각되기 어려워지기 때문에, X 선의 출력 효율이 저하되는 현상이 보여진다. 요컨대, 도 5(a) 에서는 L1 이 크기 때문에 출력 효율이 상대적으로 낮아지고, 도 5(b) 에서는 L2 가 작기 때문에 출력 효율이 상대적으로 높아진다. 계측시의 사용 편리함의 관점에서 말하면, X 선 빔 (B2, B3) 의 선택에 의해 출력 효율의 차이가 발생하는 것은 바람직하지 않다.

도 6 은, 경사각 (φ) 이 45 도 (φ ＝ 45) 에 있어서의 초점의 형성 위치를 나타내는 모식도이다. 보다 상세하게는, 도 6(a) 는 둘레면부 (38) 상에 형성된 제 1 초점 (51) 을 Y 방향으로부터 시인한 투영도이고, 도 6(b) 는 둘레면부 (38) 상에 형성된 제 2 초점 (52) 을 Y 방향으로부터 시인한 투영도이다.

도 6(a) 에 나타내는 바와 같이, 제 1 초점 (51) 은, Y 방향으로부터의 평면에서 보아, 도 5(a) 에 나타내는 제 1 초점 (51) 과 대략 동일한 형상을 갖는다. 본 도면예에서는, 제 1 초점 (51) 의 높이 방향이 둘레면부 (38) 의 둘레 방향에 대해 45 도 경사지기 때문에, L1 ＝ √2·W [㎜] 이다.

도 6(b) 에 나타내는 바와 같이, 제 2 초점 (52) 은, Y 방향으로부터의 평면에서 보아, 도 5(a) 에 나타내는 제 1 초점 (51) 과 대략 동일한 형상을 갖는다. 본 도면예에서는, 제 2 초점 (52) 의 폭 방향이 둘레면부 (38) 의 둘레 방향에 대해 45 도 경사지기 때문에, L2 ＝ √2·W [㎜] 이다.

도 7 은, 경사각 (φ) 과 둘레 방향 초점 길이 (L1, L2) 의 관계를 나타내는 그래프이다. 그래프의 가로축은 경사각 (φ) (단위 : 도) 이고, 그래프의 세로축은 둘레 방향 초점 길이 (L1, L2) (단위 : ㎜) 이다. 또, 실선은 L1 의 함수를 나타냄과 함께, 일점쇄선은 L2 의 함수를 나타낸다.

본 도면으로부터 이해되는 바와 같이, 둘레 방향 초점 길이 (L1) 는, φ ＝ 0 [도] 일 때 L1 ＝ H [㎜], φ ＝ 90 [도] 일 때 L1 ＝ W [㎜] 를 만족함과 함께, 경사각 (φ) 의 증가에 따라 단조롭게 감소한다. 한편, 둘레 방향 초점 길이 (L2) 는, φ ＝ 0 [도] 일 때 L2 ＝ W [㎜], φ ＝ 90 [도] 일 때 L2 ＝ H [㎜] 를 만족함과 함께, 경사각 (φ) 의 증가에 따라 단조롭게 증가한다.

즉, 경사각 (φ) 이 φ ＝ 0 [도] 또는 φ ＝ 90 [도] 를 만족하는 경우에 ｜L1 － L2｜ 의 값이 최대가 되고, 경사각 (φ) 을 0 ＜ φ ＜ 90 의 범위로 설정함으로써, ｜L1 － L2｜ 의 값이 상대적으로 작아진다. 또한, φ ＝ 45 [도] 의 근방에서는, L1 ＝ W/sinφ, L2 ＝ W/cosφ 의 관계가 성립되는 점에 유의한다.

제 1 실시형태에 있어서, 회전 대음극 (26) 은, 회전축 (36) 이 제 1 방향 및 제 2 방향에 대해 경사지는 위치 관계하 (0 ＜ φ ＜ 90) 에 있기 때문에, 제 1 방향 및 제 2 방향으로부터의 전자 빔 (B1) 의 방출에 의해 형성되는 제 1 초점 (51), 제 2 초점 (52) 에 관해서, 둘레 방향 초점 길이 (L1, L2) 의 괴리량 ｜L1 － L2｜ 이, 회전축 (36) 을 경사시키지 않는 경우 (φ ＝ 0, 90) 와 비교하여 작아진다. 요컨대, 가장 높은 측의 출력 효율을 낮추는 대신에 가장 낮은 측의 출력 효율을 높임으로써, 양방의 X 선 빔 (B2, B3) 으로 공통적으로 출력할 수 있는 최대량 (요컨대, X 선의 한계 출력량) 이 끌어 올려진다.

또, 회전축 (36) 이 제 1 방향에 대해 30 ∼ 60 도의 범위 내에서 경사지는 위치 관계하 (30 ≤ φ ≤ 60) 에 있어도 된다. 이로써, 둘레 방향 초점 길이 (L1, L2) 의 비 (L1/L2 혹은 L2/L1) 를 대체로 2 배 미만으로 억제 가능해져, 양자의 출력 성능의 격차가 더욱 작아진다.

또, 회전축 (36) 이 제 1 방향에 대해 45 도 경사지는 위치 관계하 (φ ＝ 45) 에 있어도 된다. 이 경우, 둘레 방향 초점 길이 L1 ＝ L2 ＝ √2·W [㎜] 가 동일해지기 때문에, 양방의 X 선 빔 (B2, B3) 에 공통되는 한계 출력량이 최대가 된다.

이상과 같이, X 선 발생 장치 (10) 는, [1] 선상의 전자 빔 (B1) 을 방출하는 전자원 (32) 과, 전자원 (32) 의 중심 위치 (O) 를 고정시키면서 전자원 (32) 의 연장 방향을 제 1 방향 (Z 방향) 및 제 2 방향 (X 방향) 중 어느 일방으로 전환하는 전환 기구 (34) 를 갖는 전자 발생기 (24) 와, [2] 전자 빔 (B1) 을 충돌시킴으로써 X 선 빔 (B2, B3) 을 출사하는 둘레면부 (38) 를 갖고, 또한, 회전축 (36) 을 중심으로 회전 가능하게 구성되는 원판상 또는 원주상의 회전 대음극 (26) 을 구비한다. 그리고, 전자 발생기 (24) 및 회전 대음극 (26) 은, 전자원 (32) 및 둘레면부 (38) 가 서로 대향함과 함께, 회전축 (36) 이 제 1 방향 및 제 2 방향에 대해 경사지는 위치 관계하에 고정 배치된다.

또, X 선 발생 장치 (10) 를 사용한 X 선 발생 방법은, 전자 발생기 (24) 및 회전 대음극 (26) 을 고정 배치하는 배치 스텝과, 전자원 (32) 의 연장 방향을 제 1 방향 및 제 2 방향 중 어느 일방으로 전환하는 전환 스텝을 구비한다.

이로써, 매우 간단한 장치 구성이면서 선상 또는 점상의 X 선 빔 (B2, B3) 을 선택적으로 발생시킴과 함께, 장치 전체로서의 출력 성능을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 전자원 (32) 의 애스펙트비가 H/W ＝ 10 인 경우, 도 5(a) 에 있어서의 열 부하를 기준 (100 ％) 으로 하면, 도 5(b), 도 6(a) 및 도 6(b) 에 있어서의 열 부하는 각각 32 ％, 84 ％, 84 ％ 로 시산된다. 요컨대, 도 6 의 구성을 채용함으로써, 최대값과 비교하여 16 ％ 의 손실이 있기는 하지만, 동일한 정도의 높은 이득을 얻을 수 있다.

[시료 측정 시스템 (100) 의 구성예]

계속해서, 상기 X 선 발생 장치 (10) 를 장착한 시료 측정 시스템 (100) 에 대해, 도 8 을 참조하면서 설명한다. 여기서는 「X 선 회절 장치」를 예로 설명하지만, 이 구성 및 측정 방식에 한정되지 않는다.

시료 측정 시스템 (100) 은, X 선 빔 (B2, B3) 을 발생시키는 X 선 발생 장치 (10) 와, 시료 (S) 를 반사한 X 선 빔 (B2, B3) 을 검출하는 X 선 검출 장치 (102) 와, θ1 및 θ2 방향의 각도를 설정하기 위한 고니오미터 (104) 와, 각 부를 제어하는 제어 장치 (106) (측정 수단) 를 구비한다.

고니오미터 (104) 는, X 선 발생 장치 (10) 를 파지하는 제 1 아암 (110) 과, 제 1 아암 (110) 을 θ1 방향으로 회전 구동시키는 θ1 회전 기구 (112) 와, X 선 검출 장치 (102) 의 검출기 (126) 를 파지하는 제 2 아암 (114) 과, 제 2 아암 (114) 을 θ2 방향으로 회전 구동시키는 회전 기구 (116) 를 포함하여 구성된다.

제 1 아암 (110) 및 제 2 아암 (114) 의 회전 중심에는, 측정 대상인 시료 (S) 를 재치 (載置) 하기 위한 시료대 (118) 가 고정 배치된다. 제 1 아암 (110) 에는, 회전 중심으로부터 외방을 향해 순서대로, 발산 슬릿 (120) 및 X 선 발생 장치 (10) 가 고정된다. 제 2 아암 (114) 에는, 회전 중심으로부터 외방을 향해 순서대로, 산란 슬릿 (122), 수광 슬릿 (124) 및 검출기 (126) 가 고정된다. 집중법을 사용하는 경우, 본 도면에 나타내는 바와 같이, 제 1 초점 (51) 및 수광 슬릿 (124) 의 위치는, 단일의 원 궤도 (C) 상에 존재하도록 조정된다.

X 선 검출 장치 (102) 는, X 선 빔 (B2, B3) 의 강도에 따른 검출 신호를 출력하는 검출기 (126) 와, 검출기 (126) 로부터의 검출 신호에 기초하여 X 선 빔 (B2, B3) 의 검출량을 구하는 검출 회로 (128) 를 갖는다. 검출기 (126) 는, 단일의 X 선 검출 소자, 혹은 선상 또는 면상으로 배치된 X 선 검출 소자 어레이를 포함하여 구성된다.

제어 장치 (106) 는, θ1 회전 기구 (112) 및 θ2 회전 기구 (116) 를 제어함으로써, X 선 발생 장치 (10), 시료 (S) 및 검출기 (126) 를 적절한 위치 관계하에 배치시킨다. 이 측정예에서는, 제 1 아암 (110) 과 제 2 아암 (114) 이 동일한 각도 (θ1 ＝ θ2) 로 설정된다.

제어 장치 (106) 는, X 선 발생 장치 (10) 를 제어함으로써 전자 빔 (B1) (도 3) 을 방출시킴과 함께, X 선 빔 (B2, B3) 을 발생시킨다. 제어 장치 (106) 는, 고니오미터 (104) 의 설정 각도 및 시료 (S) 를 반사한 X 선 빔 (B2, B3) 의 검출량에 기초하여, 시료 (S) 에 관한 물리량을 측정한다. 출력 장치 (130) 는, 제어 장치 (106) 로부터의 출력 지시에 따라, 격자면 간격, 회절 강도, 밀러 계수, 적층 주기, 응력, 동정된 물질명을 포함하는, 시료 (S) 의 측정 결과를 출력한다.

시료 (S) 의 종류, 성상, 또는 측정하고자 하는 물리량의 조합에 따라, 선상 또는 점상의 X 선 빔 (B2, B3) 중 어느 것을 선택한다. 사용자는, 빔 형상에 적합한 X 선 광학계의 조정, 구체적으로는, 발산 슬릿 (120), 산란 슬릿 (122) 또는 수광 슬릿 (124) 의 교환 작업을 실시한다. 그 후, 제어 장치 (106) 는, 사용자에 의한 조작에 따라, 전자원 (32) 을 회동시키는 취지의 지시 신호를 전환 기구 (34) 를 향해 송신한다. 이로써, 전자원 (32) 의 연장 방향이 자동적으로 전환되어, 원하는 X 선 측정을 실행할 수 있다. 또한, 상기 구성 대신에, 사용자의 수작업에 의해 전자원 (32) 의 연장 방향을 전환하는 구성이어도 된다.

이상과 같이, 시료 측정 시스템 (100) 은, 상기한 X 선 발생 장치 (10) 와, X 선 발생 장치 (10) 로부터 발생하고, 또한, 시료 (S) 를 투과 또는 반사한 X 선 빔 (B2, B3) 을 검출하는 X 선 검출 장치 (102) 와, 검출된 X 선 빔 (B2, B3) 의 검출량에 기초하여 시료 (S) 에 관한 물리량을 측정하는 제어 장치 (106) (측정 수단) 를 구비한다. 이로써, X 선 발생 장치 (10) 측의 조정 작업을 실시하지 않고, X 선 빔 (B2, B3) 의 형상을 적시에 전환한 X 선 측정을 실행할 수 있다.

＜제 2 실시형태＞

[X 선 발생 장치 (1010) 의 구성]

도 9 는 제 2 실시형태에 관련된 X 선 발생 장치 (1010) 의 사시도이고, 도 10 은 도 9 의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따른 단면도이고, 도 11 은 도 9 에 나타내는 X 선 발생 장치 (1010) 의 측면도이고, 도 12 는 도 9 의 Ⅳ-Ⅳ 선을 따른 단면도이다. 설명의 편의상, 이들 도 9 ∼ 도 12 에서는, 3 차원 직교 좌표계를 나타내는 3 축 방향 (X 방향·Y 방향·Z 방향) 을 정의한다.

도 9 에 나타내는 바와 같이, X 선 발생 장치 (1010) 는, 이른바 회전 대음극 방식을 사용하여 X 선 (엑스선) 을 발생시키는 장치이다. X 선 발생 장치 (1010) 는, X 선 투과율이 낮은 금속 재료로 이루어지는 대략 직방체상의 챔버 (1012) 를 갖는다.

챔버 (1012) 의 제 1 면 (1014) 측에는, 원형상의 제 1 개구부 (1016) 가 형성되어 있다. 챔버 (1012) 의 제 2 면 (1018) 측에 있는 1 개의 모서리부에는, 삼각주상으로 움푹 패인 오목부 (1020) 가 형성되어 있다. 오목부 (1020) 를 이루는 경사면 (1022) 에는 원형상의 제 2 개구부 (1024) 가 형성됨과 함께, 제 2 면 (1018) 에 대향하는 제 3 면 (1026) 에는 X 선 투과율이 높은 베릴륨 박막을 개재 삽입한 창부 (1028) 가 형성되어 있다.

제 1 개구부 (1016) 로부터 전자 발생기 (1030) 를 삽입 통과함과 함께, 제 2 개구부 (1024) 를 덮는 위치에 덮개부 (1032) 를 장착함으로써, 챔버 (1012) 의 실 (1034) (도 10 및 도 12) 내가 기밀하게 유지된다. 전자 발생기 (1030) 는, 열전자형, 전계 방출형, 또는 쇼트키형의 전자총이며, 여기서는 열전자형을 예로 설명한다.

도 10 에 나타내는 바와 같이, 전자 발생기 (1030) 는, 선상의 전자 빔 (B1) 을 방출하는 전자원 (1036) 과, 전자원 (1036) 을 지지하는 원주상의 지지대 (1038) 와, 지지대 (1038) 를 유지하는 유지부 (1040) 와, 챔버 (1012) 의 외부로부터 회동 운동을 도입하는 회동 도입 기구 (1042) 와, 전자 발생기 (1030) 의 각종 동작에 필요한 구성 부품을 수용하는 수용 케이스 (1044) 를 포함하여 구성된다. 필요한 구성 부품에는, 예를 들어, 전자원 (1036) 을 가열하는 히터의 전원부, 챔버 (1012) 내에 고전압을 도입하기 위한 고압 도입부가 포함된다.

전자원 (1036) 은, 예를 들어 텅스텐·필라멘트로 이루어지고, 일방향으로 연장되는 코일 형상을 갖는다. 대략 원통상의 유지부 (1040) 는, 세라믹스를 포함하는 절연성 재료로 이루어진다. 이로써, 전자원 (1036) 은, 챔버 (1012) 와 전기적으로 절연된 상태에서, 실 (1034) 내에 배치된다.

회동 도입 기구 (1042) 는, 캐소드측의 1 축 (이하, 캐소드축 (Ac)) 을 중심으로 하는, T 방향을 따른 회동 동작을 도입하는 기구이며, 유지부 (1040) 의 기단 (基端) 측에 접속되어 있다. 이로써, 회동 도입 기구 (1042) 는, 유지부 (1040) 및 지지대 (1038) 를 일체적으로 회동시켜, 전자원 (1036) 의 중심 위치 (O) (도 4) 를 고정시키면서 전자원 (1036) 의 연장 방향을 변경 가능하다.

여기서는, 회동 도입 기구 (1042) 는, 지지대 (1038) 의 회동 동작에 의해 전자원 (1036) 의 연장 방향을 제 1 방향 및 제 2 방향 중 어느 일방으로 변경 가능하다. 제 1 방향은 「Z 방향」에 대응함과 함께, 제 2 방향은 「X 방향」에 대응한다. 이 경우, 제 1 방향 및 제 2 방향은, 서로 직교함과 함께, 캐소드축 (Ac) (Y 방향) 에 각각 직교한다.

구체적으로는, 회동 도입 기구 (1042) 는, 그 일단측이 유지부 (1040) 에 접속된 회동축부 (1046) 와, 제 1 개구부 (1016) 를 봉지하는 원주상의 봉지부 (1047) 와, 챔버 (1012) 에 접속하기 위한 접속 플랜지 (1048) 와, 회동축부 (1046) 의 타단측에 걸어맞춰진 핸들부 (1050) 를 구비한다.

봉지부 (1047) 의 외주벽에는 도시되지 않은 O 링이 형성되며, 이 O 링에 의해 실 (1034) 내의 저압 공기가 외부로 유출되는 것을 방지한다. 접속 플랜지 (1048) 는, 제 1 개구부 (1016) 와 비교하여 대직경의 주면을 가짐과 함께, 챔버 (1012) 의 외측으로부터 제 1 개구부 (1016) 를 덮는 위치에서 착탈 가능하다. 핸들부 (1050) 는, T 방향을 따른 회동 동작에 수반하여, 벨로우즈 방식 또는 자기 결합 방식에 의해 회동축부 (1046) 에 대해 회동력을 부여한다.

도 11 에 나타내는 바와 같이, 제 1 면 (1014) 측에서부터 보아, 직경이 작은 쪽에서 순서대로, 수용 케이스 (1044), 핸들부 (1050) 및 접속 플랜지 (1048) 가 동축적 (同軸的) 으로 배치되어 있다. 환상인 핸들부 (1050) 의 측면 상에는, 직경 방향으로 연장되어 돌출되는 선상의 제 1 돌출부 (1052) (지시 수단) 가 형성되어 있다. 환상인 접속 플랜지 (1048) 의 측면 상에는, 2 개의 마크 (1054, 1055) 가 각각 형성되어 있다.

마크 (1054) 는, 알파벳 문자의 「L」, 및 「L」의 하측에 배치된 1 개의 단선 (短線) 으로 이루어진다. 마크 (1055) 는, 알파벳 문자의 「P」, 및 「P」의 좌측에 배치된 1 개의 단선으로 이루어진다. 또한, 수용 케이스 (1044) 의 외주면 상에는, 마크 (1054) 의 근방에서 제 2 돌출부 (1056) (회동 규제 수단) 가, 마크 (1055) 의 근방에서 제 2 돌출부 (1057) (회동 규제 수단) 가 각각 형성되어 있다.

도 10 및 도 12 에 나타내는 바와 같이, X 선 발생 장치 (1010) 는, 챔버 (1012) 및 전자 발생기 (1030) 외에, 원판상 또는 원주상인 회전 대음극 (1060) 과, 회전 대음극 (1060) 을 냉각시키기 위한 냉각 기구 (도시 생략) 를 추가로 갖는다.

회전 대음극 (1060) 은, 애노드측의 1 축 (이하, 애노드축 (Aa)) 을 중심으로 하여, 예를 들어 5000 ∼ 12000 [rpm] 의 속도로 R 방향으로 회전 가능하게 구성된다. 회전 대음극 (1060) 은, 몰리브덴 (Mo), 구리 (Cu) 등의 금속층이 피복된 둘레면부 (1062) 와, 회전 대음극 (1060) 의 회전 기구 (1066) 가 장착된 측면부 (1064) 를 갖는다.

회전 기구 (1066) 는, 회전 대음극 (1060) 을 축지지하는 원통상의 회전축부 (1068) 와, 회전축부 (1068) 의 일단측에 형성되는 원판상의 덮개부 (1032) (도 9) 를 포함하여 구성된다. 덮개부 (1032) 는, 제 2 개구부 (1024) 와 비교하여 대직경의 주면을 가짐과 함께, 챔버 (1012) 의 외측으로부터 제 2 개구부 (1024) 를 덮는 위치에서 착탈 가능하다.

도 12 로부터 이해되는 바와 같이, 회전 대음극 (1060) 은, 애노드축 (Aa) 이 X 방향 및 Z 방향에 대해 경사지는 위치 관계하에 고정 배치된다. 요컨대, 회전 대음극 (1060) 의 직경 방향과 Z 방향이 이루는 각을 「경사각 (φ)」(0 ≤ φ ≤ 90, 단위 : 도) 이라고 정의하는 경우, 0 ＜ φ ＜ 90 의 관계를 만족한다. 본 실시형태에서는, 특히 φ ＝ 45 [도] 를 만족한다.

도 10 및 도 12 로부터 이해되는 바와 같이, 전자원 (1036) 및 둘레면부 (1062) 는 서로 대향하는 위치 관계하에 있기 때문에, 전자원 (1036) 으로부터의 전자 빔 (B1) 에 의한 선상 초점 (제 1 초점 (1071)) 이 둘레면부 (1062) 상에 형성된다. 둘레면부 (1062) 는, 전자 빔 (B1) 의 충돌시에서 특정한 발생 조건을 만족하는 경우, 제 1 초점 (1071) 의 위치 또는 근방 위치로부터 X 선 빔 (B2) 을 출사한다. 후술하는 바와 같이, 챔버 (1012) 의 외부에 출사되는 X 선 빔 (B2) 의 형상은, 선상 초점과 창부 (1028) 사이의 기하학적 관계에 따라 변화한다.

[X 선 발생 장치 (1010) 의 동작]

계속해서, 제 2 실시형태에 관련된 X 선 발생 장치 (1010) 의 동작에 대해, 도 9 ∼ 도 12 의 각 도면, 및 도 13 의 모식도를 참조하면서 설명한다.

(1) 고정·배치 스텝

사용자는, 전자 발생기 (1030) 의 접속 플랜지 (1048) 를 파지하면서, 제 1 개구부 (1016) 를 통해 전자원 (1036) 을 챔버 (1012) 내에 삽입한다. 그리고, 제 1 면 (1014) 상의 소정 위치 (요컨대, 제 1 개구부 (1016) 를 덮는 위치) 에 접속 플랜지 (1048) 를 장착함으로써, 전자원 (1036) 은 챔버 (1012) 에 고정적으로 배치된다.

이와 함께, 사용자는, 덮개부 (1032) 를 파지하면서, 제 2 개구부 (1024) 를 통해 회전 대음극 (1060) 을 챔버 (1012) 내에 삽입한다. 그리고, 경사면 (1022) 상의 소정 위치 (요컨대, 제 2 개구부 (1024) 를 덮는 위치) 에 덮개부 (1032) 를 장착함으로써, 회전 대음극 (1060) 은 챔버 (1012) 에 고정적으로 배치된다.

이로써, 챔버 (1012) 의 실 (1034) 내에서 기밀 상태가 유지된다. 또, 전자원 (1036) 및 둘레면부 (1062) 가 서로 대향함과 함께, 애노드축 (Aa) 이 제 1 방향 (Z 방향) 및 제 2 방향 (X 방향) 에 대해 경사지는 위치 관계하에 있는 점에 유의한다.

(2) 설정 스텝

사용자는, 핸들부 (1050) 를 T 방향을 따라 회동시킴으로써, X 선 빔 (B2, B3) 의 형상을 설정한다. 구체적으로는, 제 1 돌출부 (1052) 를 마크 (1054) (「L ＝ Line」의 의미) 의 위치에 맞춤으로써, 지지대 (1038) 가 핸들부 (1050) 와 연동하여, 전자원 (1036) 의 연장 방향이 「제 1 방향」으로 설정된다. 이에 대해, 제 1 돌출부 (1052) 를 마크 (1055) (「P ＝ Point」의 의미) 의 위치에 맞춤으로써, 지지대 (1038) 가 핸들부 (1050) 와 연동하여, 전자원 (36) 의 연장 방향이 「제 2 방향」으로 설정된다.

이와 같이, 회동 도입 기구 (1042) 는, 챔버 (1012) 의 외측에서 회동 가능하게 배치된 핸들부 (1050) 를 가짐과 함께, 핸들부 (1050) 의 회동 조작에 따라 지지대 (1038) 를 회동시키는 구성을 채용해도 된다. 작업자는, 핸들부 (1050) 를 회동시키는 조작을 실시함으로써, 전자원 (1036) 의 연장 방향을 용이하게 변경할 수 있다.

또, 핸들부 (1050) 의 회동 상태를 챔버 (1012) 의 외측으로부터 시인 가능하게 지시하는 지시 수단 (구체적으로는, 제 1 돌출부 (1052)) 을 회동 도입 기구 (1042) 에 형성해도 된다. 작업자는, 챔버 (1012) 의 외측으로부터 제 1 돌출부 (1052) 에 의한 지시 위치를 시인함으로써, 핸들부 (1050) 의 회동 상태 및 전자원 (1036) 의 연장 방향을 언뜻 보고 파악할 수 있다.

또, 핸들부 (1050) 의 회동 위치와, X 선 빔 (B2, B3) 의 형상의 대응 관계를 나타내는 마크 (1054, 1055) 를, 핸들부 (1050) 와는 상이한 부재 (접속 플랜지 (1048) 또는 수용 케이스 (1044)) 에 형성해도 된다. 이로써, 회동 조작의 목표 위치가 명확해져, 작업자에게 있어서 편리하다.

(3) 발생 스텝

도시되지 않은 진공 펌프에 의한 퍼지 작업을 실시하여 실 (1034) 내를 진공 상태로 만듦과 함께, 회전 대음극 (1060) 을 소정의 속도로 R 방향으로 회전시킨다. 그리고, X 선의 발생 조건을 만족하기 위한 각종 준비가 완료된 후, 전자 발생기 (1030) 는, 사용자에 의한 지시 조작에 따라 선상의 전자 빔 (B1) 을 발생시킨다.

도 13 은, 제 1 방향 및 제 2 방향의 전환 동작에 따른 X 선 빔 (B2, B3) 의 형상을 나타내는 모식도이다. 전자원 (1036) (도 10 및 도 12) 의 연장 방향에 따라, 제 1 방향을 따라 만곡되는 제 1 초점 (1071), 혹은 제 2 방향을 따라 만곡되는 제 2 초점 (1072) 이 선택적으로 형성된다.

전자의 경우, 둘레면부 (1062) 는, 전자 빔 (B1) 이 입사된 선상의 제 1 초점 (1071) 의 위치로부터 X 선 빔 (B2) 을 출사한다. 이 때, 제 1 초점 (1071) 은 창부 (1028) 가 이루는 평면과 대략 평행한 관계에 있기 때문에, 선상의 X 선 빔 (B2) 이 출사된다.

후자의 경우, 둘레면부 (1062) 는, 전자 빔 (B1) 이 입사된 선상의 제 2 초점 (1072) 의 위치로부터 X 선 빔 (B3) 을 출사한다. 이 때, 제 2 초점 (1072) 은 창부 (1028) 가 이루는 평면과 대략 직교하는 관계에 있기 때문에, 점상의 X 선 빔 (B3) 이 출사된다.

(4) 변경 스텝

사용자는, 상기한 「설정 스텝」과 동일한 조작 순서에 따라, X 선 빔 (B2, B3) 의 형상을 「점상에서 선상」혹은 「선상에서 점상」으로 변경한다. 챔버 (1012) 의 외측으로부터의 조작 (구체적으로는, 핸들부 (1050) 의 조작) 에 따라 지지대 (1038) 를 회동 가능한 구성을 채용함으로써, 전자 발생기 (1030) 또는 회전 대음극 (1060) 의 교체 작업을 실시하지 않고 전자원 (1036) 의 연장 방향을 변경할 수 있다.

여기서, 제 1 돌출부 (1052) 의 궤도 상에는 제 2 돌출부 (1056, 1057) 가 배치되어 있기 때문에, 제 1 돌출부 (1052) 는, 제 2 돌출부 (1056, 1057) 의 구간 내 (여기서는, 90 도의 회동 범위 내) 에 한해서 회동 동작이 허용된다. 이와 같이, 핸들부 (1050) 의 회동 범위를 규제하는 회동 규제 수단 (구체적으로는, 제 2 돌출부 (1056, 1057)) 을, 회동 도입 기구 (1042) 에 형성해도 된다. 이로써, 전자원 (1036) 의 구동 부품이 과도하게 비틀어져서 파손되는 것을 방지할 수 있다.

[X 선 발생 장치 (1010) 에 의한 효과]

이상과 같이, X 선 발생 장치 (1010) 는, [1] 선상의 전자 빔 (B1) 을 방출하는 전자원 (1036) 을 포함하여 구성되는 전자 발생기 (1030) 와, [2] 전자원 (1036) 으로부터의 전자 빔 (B1) 을 충돌시킴으로써 X 선 빔 (B2, B3) 을 출사하는 둘레면부 (1062) 를 포함하여 구성되는 회전 대음극 (1060) 과, [3] 전자원 (1036) 및 회전 대음극 (1060) 을 수용하는 챔버 (1012) 를 구비한다.

그리고, 전자 발생기 (1030) 및 회전 대음극 (1060) 은, 전자원 (1036) 및 둘레면부 (1062) 가 서로 대향하는 위치 관계하에서 챔버 (1012) 에 고정 배치되고, 전자 발생기 (1030) 는, 전자원 (1036) 을 지지하는 지지대 (1038) 와, 챔버 (1012) 내에 기밀하게 삽입 통과되고, 또한, 챔버 (1012) 의 외측으로부터의 조작에 따라 지지대 (1038) 를 회동시키는 회동 도입 기구 (1042) 를 추가로 갖는다.

이와 같이, 챔버 (1012) 의 외측으로부터의 조작에 따라 전자원 (1036) 을 지지하는 지지대 (1038) 를 회동시키는 회동 도입 기구 (1042) 를 형성했기 때문에, 전자 발생기 (1030) 또는 회전 대음극 (1060) 의 교체 작업을 실시하지 않고 챔버 (1012) 내의 진공 상태를 유지한 채로, 전자원 (1036) 의 연장 방향 (제 1 방향/제 2 방향) 을 변경 가능해진다. 이로써, 매우 간단한 장치 구성이면서 선상 또는 점상의 X 선 빔 (B2, B3) 을 선택적으로 발생시킴과 함께, 이 선택에 수반하는 작업 효율의 저하를 억제할 수 있다.

또, 회동 도입 기구 (1042) 는, 지지대 (1038) 의 회동 동작에 의해 전자원 (1036) 의 연장 방향을 제 1 방향 및 제 2 방향으로 변경 가능하며, 회전 대음극 (1060) 의 애노드축 (Aa) 은, 제 1 방향 및 제 2 방향에 대해 경사져도 된다. 이 구성에 의해 얻어지는 효과에 대해 설명한다. 이하, 제 1 초점 (1071) 및 제 2 초점 (1072) (도 13) 은, 평면에서 보아, 폭이 W [㎜], 높이가 H [㎜] (H ＞ W) 인 사각형상인 것을 상정한다. 또, 둘레면부 (1062) 의 둘레 방향으로 횡단하는 초점 길이를 「둘레 방향 초점 길이」라고 정의하는 경우, 제 1 초점 (1071) 및 제 2 초점 (1072) 의 둘레 방향 초점 길이를 각각 L1, L2 로 한다.

도 14 는, 경사각 (φ) 과 둘레 방향 초점 길이 (L1, L2) 의 관계를 나타내는 그래프이다. 그래프의 가로축은 경사각 (φ) (단위 : 도) 이고, 그래프의 세로축은 둘레 방향 초점 길이 (L1, L2) (단위 : ㎜) 이다. 또, 실선은 L1 의 함수를 나타냄과 함께, 일점쇄선은 L2 의 함수를 나타낸다.

본 도면으로부터 이해되는 바와 같이, 둘레 방향 초점 길이 (L1) 는, φ ＝ 0 [도] 일 때 L1 ＝ H [㎜], φ ＝ 90 [도] 일 때 L1 ＝ W [㎜] 를 만족함과 함께, 경사각 (φ) 의 증가에 따라 단조롭게 감소한다. 한편, 둘레 방향 초점 길이 (L2) 는, φ ＝ 0 [도] 일 때 L2 ＝ W [㎜], φ ＝ 90 [도] 일 때 L2 ＝ H [㎜] 를 만족함과 함께, 경사각 (φ) 의 증가에 따라 단조롭게 증가한다.

즉, 경사각 (φ) 이 φ ＝ 0 [도] 또는 φ ＝ 90 [도] 를 만족하는 경우에 ｜L1 － L2｜ 의 값이 최대가 되고, 경사각 (φ) 을 0 ＜ φ ＜ 90 의 범위로 설정함으로써, ｜L1 － L2｜ 의 값이 상대적으로 작아진다. 또한, φ ＝ 45 [도] 의 근방에서는, L1 ＝ W/sinφ, L2 ＝ W/cosφ 의 관계가 성립되는 점에 유의한다.

제 2 실시형태에 있어서, 회전 대음극 (1060) 은, 애노드축 (Aa) 이 제 1 방향 및 제 2 방향에 대해 경사지는 위치 관계하 (0 ＜ φ ＜ 90) 에 있기 때문에, 제 1 방향 및 제 2 방향으로부터의 전자 빔 (B1) 의 방출에 의해 형성되는 제 1 초점 (1071), 제 2 초점 (1072) 에 관해서, 둘레 방향 초점 길이 (L1, L2) 의 괴리량 ｜L1 － L2｜ 이, 애노드축 (Aa) 을 경사시키지 않는 경우 (φ ＝ 0, 90) 와 비교하여 작아진다.

요컨대, 가장 높은 측의 출력 효율을 낮추는 대신에 가장 낮은 측의 출력 효율을 높임으로써, 양방의 X 선 빔 (B2, B3) 에 공통적으로 출력할 수 있는 최대량 (요컨대, X 선의 한계 출력량) 이 끌어 올려진다. 특히, 애노드축 (Aa) 이 제 1 방향에 대해 45 도 경사지는 경우 (φ ＝ 45), 둘레 방향 초점 길이 L1 ＝ L2 ＝ √2·W [㎜] 가 동일해지기 때문에, 양방의 X 선 빔 (B2, B3) 에 공통되는 한계 출력량이 최대가 된다.

[시료 측정 시스템 (1100) 의 구성예]

계속해서, 상기 X 선 발생 장치 (1010) 를 장착한 시료 측정 시스템 (1100) 에 대해, 도 15 를 참조하면서 설명한다. 여기서는 「X 선 회절 장치」를 예로 설명하지만, 이 구성 및 측정 방식에 한정되지 않는다.

시료 측정 시스템 (1100) 은, X 선 빔 (B2, B3) 을 발생시키는 X 선 발생 장치 (1010) 와, 시료 (S) 를 반사한 X 선 빔 (B2, B3) 을 검출하는 X 선 검출 장치 (1102) 와, θ1 및 θ2 방향의 각도를 설정하기 위한 고니오미터 (1104) 와, 각 부를 제어하는 제어 장치 (1106) (측정 수단) 를 구비한다.

고니오미터 (1104) 는, X 선 발생 장치 (1010) 를 파지하는 제 1 아암 (1110) 과, 제 1 아암 (1110) 을 θ1 방향으로 회전 구동시키는 θ1 회전 기구 (1112) 와, X 선 검출 장치 (1102) 의 검출기 (1126) 를 파지하는 제 2 아암 (1114) 과, 제 2 아암 (1114) 을 θ2 방향으로 회전 구동시키는 회전 기구 (1116) 를 포함하여 구성된다.

제 1 아암 (1110) 및 제 2 아암 (1114) 의 회전 중심에는, 측정 대상인 시료 (S) 를 재치하기 위한 시료대 (1118) 가 고정 배치된다. 제 1 아암 (1110) 에는, 회전 중심으로부터 외방을 향해 순서대로, 발산 슬릿 (1120) 및 X 선 발생 장치 (1010) 가 고정된다. 제 2 아암 (1114) 에는, 회전 중심으로부터 외방을 향해 순서대로, 산란 슬릿 (1122), 수광 슬릿 (1124) 및 검출기 (1126) 가 고정된다. 집중법을 사용하는 경우, 본 도면에 나타내는 바와 같이, 제 1 초점 (1051) 및 수광 슬릿 (1124) 의 위치는, 단일의 원 궤도 (C) 상에 존재하도록 조정된다.

X 선 검출 장치 (1102) 는, X 선 빔 (B2, B3) 의 강도에 따른 검출 신호를 출력하는 검출기 (1126) 와, 검출기 (1126) 로부터의 검출 신호에 기초하여 X 선 빔 (B2, B3) 의 검출량을 구하는 검출 회로 (1128) 를 갖는다. 검출기 (1126) 는, 단일의 X 선 검출 소자, 혹은 선상 또는 면상으로 배치된 X 선 검출 소자 어레이를 포함하여 구성된다.

제어 장치 (1106) 는, θ1 회전 기구 (1112) 및 θ2 회전 기구 (1116) 를 제어함으로써, X 선 발생 장치 (1010), 시료 (S) 및 검출기 (1126) 를 적절한 위치 관계하에 배치시킨다. 이 측정예에서는, 제 1 아암 (1110) 과 제 2 아암 (1114) 이 동일한 각도 (θ1 ＝ θ2) 로 설정된다.

제어 장치 (1106) 는, X 선 발생 장치 (1010) 를 제어함으로써 전자 빔 (B1) (도 2) 을 방출시킴과 함께, X 선 빔 (B2, B3) 을 발생시킨다. 제어 장치 (1106) 는, 고니오미터 (1104) 의 설정 각도 및 시료 (S) 를 반사한 X 선 빔 (B2, B3) 의 검출량에 기초하여, 시료 (S) 에 관한 물리량을 측정한다. 출력 장치 (1130) 는, 제어 장치 (1106) 로부터의 출력 지시에 따라, 격자면 간격, 회절 강도, 밀러 계수, 적층 주기, 응력, 동정된 물질명을 포함하는, 시료 (S) 의 측정 결과를 출력한다.

시료 (S) 의 종류, 성상, 또는 측정하고자 하는 물리량의 조합에 따라, 선상 또는 점상의 X 선 빔 (B2, B3) 중 어느 것을 선택한다. 사용자는, 빔 형상에 적합한 X 선 광학계의 조정, 구체적으로는, 발산 슬릿 (1120), 산란 슬릿 (1122) 또는 수광 슬릿 (1124) 의 교환 작업을 실시한다. 사용자는, 추가로, 핸들부 (1050) 를 T 방향을 따라 회동시키는 조작을 실시한다. 이로써, 전자원 (1036) 의 연장 방향이 수동으로 전환되어, 원하는 X 선 측정을 실행할 수 있다. 또한, 상기 구성 대신에, 제어 장치 (1106) 가 X 선 발생 장치 (1010) 를 향해 지시 신호를 송신하고, 도시되지 않은 액추에이터를 사용하여 핸들부 (1050) 를 구동함으로써, 전자원 (1036) 의 연장 방향을 자동으로 전환하는 구성이어도 된다.

이상과 같이, 시료 측정 시스템 (1100) 은, 상기한 X 선 발생 장치 (1010) 와, X 선 발생 장치 (1010) 로부터 발생하고, 또한, 시료 (S) 를 투과 또는 반사한 X 선 빔 (B2, B3) 을 검출하는 X 선 검출 장치 (1102) 와, 검출된 X 선 빔 (B2, B3) 의 검출량에 기초하여 시료 (S) 에 관한 물리량을 측정하는 제어 장치 (1106) (측정 수단) 를 구비한다. 이로써, 챔버 (1012) 내의 진공 상태를 유지한 채로, X 선 빔 (B2, B3) 의 형상을 적시에 전환한 X 선 측정을 실행할 수 있다.

또한, 제 2 실시형태에서는, 핸들부 (1050) (도 11) 는 회전 핸들로 구성되어 있지만, 이것 대신에 챔버 (1012) 의 외측에서 회동 가능하게 배치된 크랭크 핸들이어도 된다.

제 2 실시형태에서는, 지시 수단은 1 개의 제 1 돌출부 (1052) (도 11) 로 구성되어 있지만, 시인 불가인 전자원 (1036) 의 연장 방향을 챔버 (1012) 의 외측으로부터 파악할 수 있는 구성이면, 당해 지시 수단의 형태 여하는 묻지 않는다. 예를 들어, 핸들부 (1050) 의 측면 상에 지시선을 인쇄해도 되고, 핸들부 (1050) 와는 별개의 구성 요소에 형성해도 된다.

제 2 실시형태에서는, 회동 규제 수단은 2 개의 제 2 돌출부 (1056, 1057) (도 11) 로 구성되어 있지만, 360 도 미만의 회동 범위를 임의로 설정할 수 있는 구성이면, 당해 회동 규제 수단의 형태 여하는 묻지 않는다. 예를 들어, 부재의 개수는 1 개여도 되고, 수용 케이스 (1044) 와는 별개의 구성 요소에 형성해도 된다.

[비고]

또한, 본 발명은, 상기 서술한 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 이 발명의 주지를 일탈하지 않는 범위에서 자유롭게 변경할 수 있는 것은 물론이다.

10, 1010 : X 선 발생 장치
12, 1012 : 챔버
22, 1028 : 창부
24, 1030 : 전자 발생기
26, 1060 : 회전 대음극
28, 1034 : 실
32, 1036 : 전자원
34 : 전환 기구
36 : 회전축
38, 1062 : 둘레면부
42 : 회전 기구
51, 1071 : 제 1 초점
52, 1072 : 제 2 초점
53 : 선분
100, 1100 : 시료 측정 시스템
102, 1102 : X 선 검출 장치
104, 1104 : 고니오미터
106, 1106 : 제어 장치 (측정 수단)
1016 : 제 1 개구부
1024 : 제 2 개구부
1038 : 지지대
1040 : 유지부
1042 : 회동 도입 기구
1044 : 수용 케이스
1046 : 회동축부
1047 : 봉지부
1048 : 접속 플랜지
1050 : 핸들부
1052 : 제 1 돌출부 (지시 수단)
1054, 1055 : 마크
1056, 1057 : 제 2 돌출부 (회동 규제 수단)
1064 : 측면부
Aa : 애노드축 (회전축)
Ac : 캐소드축 (회동축)
B1 : 전자 빔
B2, B3 : X 선 빔
L1, L2 : 둘레 방향 초점 길이
S : 시료

Claims (11)

1. 선상의 전자 빔을 방출하는 전자원과, 상기 전자원의 중심 위치를 고정하면서 그 전자원의 연장 방향을 제 1 방향 및 그 제 1 방향에 직교하는 제 2 방향 중 어느 일방으로 전환하는 전환 기구를 갖는 전자 발생기와,
   상기 전자원으로부터의 상기 전자 빔을 충돌시킴으로써 X 선 빔을 출사하는 둘레면부를 갖고, 또한, 회전축을 중심으로 회전 가능하게 구성되는 원판상 또는 원주상의 회전 대음극을 구비하고,
   상기 전자 발생기 및 상기 회전 대음극은, 상기 전자원 및 상기 둘레면부가 서로 대향함과 함께, 상기 회전축이 상기 제 1 방향 및 상기 제 2 방향에 대해 경사지는 위치 관계하에 고정 배치되는 것을 특징으로 하는 X 선 발생 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 회전축이 상기 제 1 방향에 대해 30 ∼ 60 도의 범위 내에서 경사지는 것을 특징으로 하는 X 선 발생 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 회전축이 상기 제 1 방향에 대해 45 도 경사지는 것을 특징으로 하는 X 선 발생 장치.
4. 선상의 전자 빔을 방출하는 전자원을 갖는 전자 발생기와, 상기 전자원으로부터의 상기 전자 빔을 충돌시킴으로써 X 선 빔을 출사하는 둘레면부를 갖고, 또한, 회전축을 중심으로 회전 가능하게 구성되는 원판상 또는 원주상의 회전 대음극을 구비하는 장치를 사용한 X 선 발생 방법으로서,
   상기 전자원 및 상기 둘레면부가 서로 대향함과 함께, 상기 회전축이 제 1 방향 및 그 제 1 방향에 직교하는 제 2 방향에 대해 경사지는 위치 관계하에, 상기 전자 발생기 및 상기 회전 대음극을 고정 배치하는 스텝과,
   상기 전자원의 중심 위치를 고정하면서 그 전자원의 연장 방향을 상기 제 1 방향 및 상기 제 2 방향 중 어느 일방으로 전환하는 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는 X 선 발생 방법.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 X 선 발생 장치와,
   상기 X 선 발생 장치로부터 발생하고, 또한, 시료를 투과 또는 반사한 X 선 빔을 검출하는 X 선 검출 장치와,
   상기 X 선 검출 장치에 의해 검출된 상기 X 선 빔의 검출량에 기초하여 상기 시료에 관한 물리량을 측정하는 측정 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 시료 측정 시스템.
6. 선상의 전자 빔을 방출하는 전자원을 포함하여 구성되는 전자 발생기와,
   상기 전자원으로부터의 상기 전자 빔을 충돌시킴으로써 X 선 빔을 출사하는 둘레면부를 포함하여 구성되는 회전 대음극과,
   상기 전자원 및 상기 회전 대음극을 수용하는 챔버를 구비하고,
   상기 전자 발생기 및 상기 회전 대음극은, 상기 전자원 및 상기 둘레면부가 서로 대향하는 위치 관계하에서 상기 챔버에 고정 배치되고,
   상기 전자 발생기는,
   상기 전자원을 지지하는 지지대와,
   상기 챔버 내에 기밀하게 삽입 통과되고, 또한, 상기 챔버의 외측으로부터의 조작에 따라 상기 지지대를 회동시키는 회동 도입 기구를 추가로 갖는 것을 특징으로 하는 X 선 발생 장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 회동 도입 기구는, 상기 챔버의 외측에서 회동 가능하게 배치된 핸들부를 가짐과 함께, 상기 핸들부의 회동 조작에 따라 상기 지지대를 회동시키는 것을 특징으로 하는 X 선 발생 장치.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 회동 도입 기구는, 상기 핸들부의 회동 상태를 상기 챔버의 외측으로부터 시인 가능하게 지시하는 지시 수단을 추가로 갖는 것을 특징으로 하는 X 선 발생 장치.
9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
   상기 회동 도입 기구는, 상기 핸들부의 회동 범위를 규제하는 회동 규제 수단을 추가로 갖는 것을 특징으로 하는 X 선 발생 장치.
10. 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회동 도입 기구는, 상기 지지대의 회동 동작에 의해, 상기 전자원의 연장 방향을 제 1 방향 및 그 제 1 방향에 직교하는 제 2 방향으로 변경 가능하고,
    상기 회전 대음극의 회전축은, 상기 제 1 방향 및 상기 제 2 방향에 대해 경사지는 것을 특징으로 하는 X 선 발생 장치.
11. 제 6 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 X 선 발생 장치와,
    상기 X 선 발생 장치로부터 발생하고, 또한, 시료를 투과 또는 반사한 X 선 빔을 검출하는 X 선 검출 장치와,
    상기 X 선 검출 장치에 의해 검출된 상기 X 선 빔의 검출량에 기초하여 상기 시료에 관한 물리량을 측정하는 측정 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 시료 측정 시스템.

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