二次元分布を測定する方法及び装置
【課題】Ｘ線又は光学測定において迅速に、しかも空間分解能の高い二次元画像取得方法とその装置を提供する。
【解決手段】蛍光Ｘ線による二次元画像測定装置に適用した形態では、二次元Ｘ線検出器と試料の間に２つの独立したコリメータを配置し、試料に近い側のコリメータで蛍光Ｘ線を二次元の平行光束とし、他のコリメータを経て検出器に導いて蛍光Ｘ線による二次元画像を得る。このとき、２つのコリメータのなす角度をＸ線全反射臨界角近傍で調整することにより、検出器に到達する蛍光Ｘ線のエネルギーを選別する。
【解決手段】蛍光Ｘ線による二次元画像測定装置に適用した形態では、二次元Ｘ線検出器と試料の間に２つの独立したコリメータを配置し、試料に近い側のコリメータで蛍光Ｘ線を二次元の平行光束とし、他のコリメータを経て検出器に導いて蛍光Ｘ線による二次元画像を得る。このとき、２つのコリメータのなす角度をＸ線全反射臨界角近傍で調整することにより、検出器に到達する蛍光Ｘ線のエネルギーを選別する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は試料にＸ線又は光を照射して試料中の特定元素、特定成分濃度などの二次元分布を測定する方法及び装置に関する。Ｘ線を用いる場合の一例は、試料にＸ線を照射して蛍光Ｘ線を発生させ、その蛍光Ｘ線を解析することにより試料における元素の位置的な分布を測定する方法と装置である。
【背景技術】
【０００２】
蛍光Ｘ線分析により試料中の元素の定性分析及び定量分析を行うことができる。試料の元素分布を測定するためには、通常、微小Ｘ線ビームを作成し、このＸ線ビームを試料上で走査するか、相対的に試料を走査する方法が用いられる。Ｘ線ビームの照射により発生する蛍光Ｘ線を、分光器を備えたＸ線検出器で検出すれば各位置での元素の定性と定量を行うことができる。しかし、その方法ではＸ線ビームの微細化と分析領域の広範囲化に伴い、測定時間が大変長くなる欠点がある。
【０００３】
一方、ガラスキャピラリコリメータなどにより蛍光Ｘ線の角度発散を制限して二次元の蛍光Ｘ線にして二次元のＸ線検出器であるＸ線ＣＣＤカメラに導いて撮像することにより短時間でＸ線画像を取得することができる。その場合、Ｘ線ＣＣＤカメラの１つ１つの素子にはＸ線からの元素分析に必要なエネルギー分解機能がないため、元素を識別して蛍光Ｘ線像を得るためには更なる手段が必要となる。
【０００４】
元素を識別する１つの手段として、シンクロ放射線源を用いて励起Ｘ線のエネルギーを変化させる方法が提案されている（特許文献１参照。）。しかし、実験室では十分な強度を持ってＸ線のエネルギーを可変とすることは困難なため、放射光施設での実験とならざるをえないので、その利便性に難があり、汎用的な方法として普及するに至っていない。
【０００５】
元素を識別する他の手段として、蛍光Ｘ線の光路に金属フォイル等のフィルタを設置し、フィルタの有無による像の変化を検討することにより、元素の識別判定を行うことも提案されている（特許文献１参照。）。
【０００６】
光学測定では試料に光を照射し、その光の吸収やその光の照射により励起されて発生する蛍光を測定することが行われている。一般に、吸収測定や蛍光測定は試料を測定セルに入れた状態で行われており、定性又は特定成分の定量が主な目的である。試料内の濃度や特定成分の二次元分布を測定する場合は、Ｘ線の場合と同様に光ビームを試料上で走査することにより二次元情報を得ている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３０４９３１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
短時間でＸ線画像を取得する方法として採用しやすい簡便な方法は、コリメータと二次元Ｘ線検出器を組み合せ、コリメータの入射側にフィルタを配置する方法である。しかしながら、フィルタで蛍光Ｘ線が散乱するため蛍光Ｘ線の位置情報が不明確になって空間分解能が悪くなるという問題がある。また、フィルタによるＸ線の吸収が生じ、検出器に到達する蛍光Ｘ線強度も大きく減少する問題もある。
【０００９】
光による二次元分布測定で位置情報を精度よく保持しながら簡便に測定できる方法は知られていない。
【００１０】
本発明は、上記の従来技術の問題点を踏まえ、Ｘ線又は光学測定において迅速に、しかも空間分解能の高い二次元画像取得方法とその装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者はコリメータを２段又はそれ以上に組み合わせることにより、試料の二次元の位置情報を精度よく維持しながら二次元画像を得ることができることを見出した。
【００１２】
また、本発明者はＸ線の全反射を研究する過程で、Ｘ線全反射現象のエネルギー依存性を利用する本発明の方法を考案した。その現象を利用すれば、試料から発生する蛍光Ｘ線の空間分解能を損なうことなく特定のエネルギーのＸ線を選択的に検出器に取り込むことができるとの知見を得てＸ線に関する本発明をなしたものである。
【００１３】
Ｘ線に関する本発明では、Ｘ線ＣＣＤカメラなどの二次元Ｘ線検出器と試料の間に２つの独立したコリメータを配置し、試料に近い側のコリメータで蛍光Ｘ線を二次元の平行光束とし、他のコリメータを経て検出器に導いて蛍光Ｘ線による二次元画像を得る。試料から検出器までの間にフィルタのようにＸ線を散乱させる媒体は介在しないので、蛍光Ｘ線の空間分解能は高い状態に維持される。
【００１４】
そして、２つのコリメータのなす角度をＸ線全反射臨界角近傍で調整することにより、検出器に到達する蛍光Ｘ線のエネルギーを選別することにより識別可能なＸ線像を取得する。
【００１５】
本発明の測定方法は、Ｘ線を用いる場合も紫外線や可視光などの光を用いる場合も含んでおり、以下のステップ（Ａ）から（Ｃ）を備えて測定対象の二次元分布を測定する方法である。
（Ａ）Ｘ線又は光を二次元の平行光束とする第１コリメータを介して測定しようとするＸ線又は光の二次元の平行光束を得るステップ、
（Ｂ）第１コリメータから出射した二次元の平行光束を互いに平行な複数のチャネルからなる第２コリメータを介して二次元の平行光束として出射させるステップ、及び
（Ｃ）第２コリメータから出射したＸ線又は光を二次元検出器で受光して二次元画像として撮像するステップ。
【００１６】
この測定方法を、Ｘ線を用いて元素の二次元分布を測定する方法に適用すると、ステップ（Ａ）の前段のステップとして、試料にＸ線を照射して蛍光Ｘ線を発生させるステップを含む。ステップ（Ａ）は試料から発生する蛍光Ｘ線を受光する位置に第１コリメータを配置して前記蛍光Ｘ線を二次元の平行光束にするステップである。ステップ（Ｂ）は第１コリメータからの二次元の平行光束の蛍光Ｘ線を第２コリメータにより二次元の平行光束の蛍光Ｘ線として出射させるステップであり、このステップでは第２コリメータのチャネルの内壁に対する蛍光Ｘ線の入射角を複数種類に異ならせる。ステップ（Ｃ）は二次元検出器として二次元のＸ線検出器を用い、さらにステップ（Ｃ）において異なる入射角の下で撮像した２つの画像データから試料上の各位置でのＸ線検出信号の差を求めて試料における元素の二次元分布画像を作成するステップを含むものとなる。
【００１７】
また、この測定方法をＸ線又は光を用いて試料におけるＸ線又は光による吸収の二次元分布を測定する方法に適用すると、ステップ（Ａ）から（Ｃ）を光路上に試料を配置しない状態で実行するブランク工程と、第１コリメータと第２コリメータの間に試料を配置した状態で実行する測定工程とを含み、ブランク工程で得た二次元画像データと測定工程で得た二次元画像データとから試料上の各位置での検出信号の差を求めて二次元分布画像を作成するステップを含むものとなる。
【００１８】
さらに、この方法を試料の二次元の光又は蛍光Ｘ線の分光測定を行う方法に適用すると、ステップ（Ａ）の前段のステップとして、試料に光を照射して試料による反射光もしくは透過光を測定しようとする光として発生させるステップ、又は試料にＸ線を照射して蛍光Ｘ線を発生させるステップを含み、第１コリメータと第２コリメータの間に分散素子を配置し、ステップ（Ｂ）では第２コリメータの方向を前記分散素子により分光されたいずれかの光又は蛍光Ｘ線の方向に設定することにより分光された光又は蛍光Ｘ線を選択的に出射させることになる。
【００１９】
本発明の二次元測定装置は、Ｘ線又は光を二次元の平行光束とする第１コリメータと、互いに平行な複数のチャネルからなり、入射面を第１コリメータの出射面に向けて配置された第２コリメータと、第２コリメータから出射したＸ線又は光を二次元画像として撮像する二次元検出器とを備えたものである。
【００２０】
この二次元測定装置をＸ線による元素分布測定を行う測定装置に適用すると、試料設置位置に配置された試料にＸ線を照射するＸ線照射部を備え、第１コリメータはＸ線照射により試料から発生する蛍光Ｘ線を受光するように入射面を試料に向けて配置されており、二次元検出器は第２コリメータから出射した蛍光Ｘ線を二次元画像として撮像する二次元Ｘ線検出器であり、第２コリメータのチャネルの内壁に対する蛍光Ｘ線の入射角を複数種類に異ならせることができるように第２コリメータ及び二次元Ｘ線検出器を支持する支持機構を備え、第２コリメータのチャネルの内壁に対する蛍光Ｘ線の入射角の異なる条件下で撮像した前記二次元Ｘ線検出器による２つの画像データから試料上の各位置でのＸ線検出信号の差を求めて試料での元素の二次元分布画像を作成するデータ処理装置を備えたものとなる。
【００２１】
第２コリメータと二次元Ｘ線検出器の相対的位置関係が変化すると検出器に入射するＸ線光量が変化する。本発明では蛍光Ｘ線の入射角の異なる条件下で撮像した２つの画像データの差を求めるので、２つの画像データの差が元素分布に正しく対応したものとなるようにするために、第２コリメータと二次元Ｘ線検出器は互いの相対的位置関係が変化しないように相互に固定されていることが好ましい。
【００２２】
第１コリメータとしても互いに平行な複数のチャネルからなるものを使用すれば、試料と同倍率の二次元分布画像が作成される。また、第１コリメータとしてポリキャピラリＸ線ハーフレンズを使用し、集光側が試料側になるように配置すれば、試料の像を拡大した二次元分布画像が作成される。
【００２３】
この二次元測定装置を試料におけるＸ線又は光による吸収の二次元分布を測定する測定装置に適用すると、第１コリメータと第２コリメータの間の光路上に試料を着脱可能に配置する試料載置部を備え、試料載置部に試料を配置しない状態で二次元検出器が得た二次元画像データと試料載置部に試料を配置した状態で二次元検出器が得た二次元画像データとから試料上の各位置での検出信号の差を求めて二次元分布画像を作成するデータ処理装置を備えたものとなる。
【００２４】
また、この二次元測定装置を試料の二次元分光測定を行う測定装置に適用すると、試料に光又は蛍光Ｘ線を照射する照射光学系を備え、第１コリメータは試料による反射光もしくは透過光又は蛍光Ｘ線を受光する位置に配置され、第１コリメータと第２コリメータの間に配置された分散素子を備え、第２コリメータの方向を分散素子により分光された光又は蛍光Ｘ線を選択するように向けて支持する第２コリメータ支持機構を備えたものとなる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明では、２段のコリメータを使用してＸ線又は光を二次元検出器に導くので、二次元画像の高い空間分解能を達成することができる。
【００２６】
特に、二次元分布Ｘ線像を得る方法と装置では、試料と二次元Ｘ線検出器の間に配置した２つのコリメータの間の角度を調整することにより検出器に入射する蛍光Ｘ線のエネルギーを選別するようにしたので、実験室で、つまり、放射光を用いなくても、元素識別可能な二次元分布Ｘ線像を短時間で得ることができる。しかもフィルタのような散乱媒体を介在させないことからも、二次元画像の高い空間分解能を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】元素分布測定装置の一実施例を概略的に示す構成図である。
【図２】Ｘ線全反射現象のエネルギー依存性を実証するための実験装置を示す概略構成図である。
【図３】Ｘ線全反射現象のエネルギー依存性を実証する実験方法を示す図である。
【図４】第２コリメータの傾斜角と得られる蛍光Ｘ線スペクトルを示す図である。
【図５】第２コリメータの傾斜角と蛍光Ｘ線強度の比の関係を示すグラフである。
【図６】シート状のＸ線を試料内部に照射して元素の二次元分布を測定する方法を示す概略図である。
【図７】元素分布測定装置の他の実施例を概略的に示す構成図である。
【図８】２つのコリメータを用いたＸ線分光イメージングの実施例を示す上面概略図である。
【図９】同Ｘ線分光イメージングの実施例による測定画像を示す図である。
【図１０】試料におけるＸ線又は光による吸収の二次元分布を測定する測定装置に適用した実施例を示す概略正面断面図である。
【図１１】光又はＸ線による試料の二次元分光測定を行う装置に適用した実施例を示す概略正面図である。
【図１２】図１１の実施例でＸ線を扱う場合の分散素子の一例を示す概略正面断面図であり、ポリキャピラリの各々のキャピラリの内壁にＸ線を回折できるＸ線波長分散用の多層膜を堆積させたものである。
【図１３】図１１の実施例でＸ線を扱う場合の分散素子の他の例を示す概略正面断面図であり、Ｘ線の回折実験に利用する分光結晶を用いたものである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１は本発明を二次元分布Ｘ線像を得る装置に適用した一実施例を概略的に示したものである。表面及びその近傍の元素の二次元分布測定を行おうとする試料４は試料台２の試料設置位置に配置されている。その試料に一次Ｘ線７を照射するＸ線照射部６が試料台２の近傍に配置されている。Ｘ線照射部６はＸ線源を備えている。Ｘ線源としては市販のＸ線管を用い、Ｘ線源のＸ線出射窓にはベリリウム、窒化ホウ素、グラファイトなどのＸ線透過材料が用いられている。Ｘ線源のＸ線出射窓には管球由来のＸ線が蛍光Ｘ線測定に影響を与えるのを防ぐために、ジルコニウム、アルミニウム、真鍮など、測定対象元素に応じて適当なフィルタが設けられることがある。ここでは、Ｘ線源として、モリブデンをターゲットとし、ベリリウムＸ線出射窓をもつＸ線管を使用し、Ｘ線出射窓にはジルコニウムフィルタを配置した。
【００２９】
照射Ｘ線ビームも試料４も走査することなく、所望の面積の二次元分布像を得るために、試料４の表面で一次Ｘ線が照射される部分の大きさは元素の二次元分布を測定しようとする部分よりも大きくなるように、Ｘ線照射部６から照射するＸ線ビームの大きさ及びＸ線照射部６と試料４との距離が設定されている。一次Ｘ線ビームの照射部分の大きさは、後述のＸ線ＣＣＤカメラ１２の検出部の大きさと同等のものとすることができ、たとえば、直径１０ｍｍ程度のものが利用できる。
【００３０】
Ｘ線照射部６からの一次Ｘ線の照射により試料４から発生した蛍光Ｘ線９を受光して二次元の平行光束とするために、試料４の表面の近くで蛍光Ｘ線９を受光できる位置に第１コリメータ８が配置されている。コリメータ８は入射Ｘ線を二次元の平行光束として出射する放射面をもつように、内径が数μｍ〜数１００μｍ、長さが数ｍｍ〜２０ｍｍ程度のガラスキャピラリを口径が１０ｍｍ程度になるように円柱状に束ねられたものである。コリメータ８はＸ線照射により試料４から発生する蛍光Ｘ線を受光するように入射面が試料に向けて配置されている。
【００３１】
コリメータ８の出射面側には第２コリメータ１０がその入射面を第１コリメータ８の出射面に向けて配置されている。コリメータ１０も入射Ｘ線を二次元の平行光束として出射する放射面をもつように、内径が数μｍ〜数１００μｍ、長さが数ｍｍ〜２０ｍｍ程度のガラスキャピラリを口径が１０ｍｍ程度になるように円柱状に束ねられたものである。
【００３２】
コリメータ１０から出射した蛍光Ｘ線を二次元画像として撮像するために、二次元Ｘ線検出器としてＸ線ＣＣＤカメラ１２がコリメータ１０の出射面側に配置され、コリメータ１０とＸ線ＣＣＤカメラ１２の間は互いに相対的な変位をしないように互いに固定されて一体化されている。
【００３３】
コリメータ１０とＸ線ＣＣＤカメラ１２は一体化された状態で支持機構１４に支持されている。支持機構１４はコリメータ１０のチャネルの内壁に対する蛍光Ｘ線の入射角を複数種類に異ならせることができるようにコリメータ１０及びＸ線ＣＣＤカメラ１２を支持している。蛍光Ｘ線はコリメータ８により二次元の平行光束として出射し、コリメータ１０のチャネルの内壁の方向はその平行光束の蛍光Ｘ線の出射方向に対して所望の角度θになるように支持される。角度θは０から全反射条件を満たす所定の範囲の間で任意に設定することができる。支持機構１４は図１の概略図ではコリメータ１０及びＸ線ＣＣＤカメラ１２の紙面内の側方に配置されているが、コリメータ１０及びＸ線ＣＣＤカメラ１２を紙面内で回転させて傾斜させることができるように、実際には紙面垂直方向の手前側又は奥側に配置される。
【００３４】
データ処理装置１６は専用のコンピュータ又はパーソナルコンピュータにより実現されるものであり、コリメータ１０のチャネルの内壁に対する蛍光Ｘ線の入射角θの異なる条件下で撮像したＸ線ＣＣＤカメラ１２による２つの画像データから試料上の各位置でのＸ線検出信号の差を求めて試料での元素の二次元分布画像を作成するようにプログラムが施されている。
【００３５】
次にＸ線全反射現象にエネルギー依存性のあることを実証する。
図２に示すように、ガラスキャピラリを束ねた２つの独立したコリメータ８ａ，１０ａを試料４の直上に配置する。コリメータ８ａが第１コリメータであり、コリメータ１０ａが第２コリメータである。ここでは、いずれのコリメータもガラスキャピラリはストレート管である。コリメータ８ａ，１０ａは同じ構造のもので、内径０.６３ｍｍ、外形０.９ｍｍ、長さが３２ｍｍの複数のガラスキャピラリを開口径が１０ｍｍの銅製の円筒状容器に平行に挿入したものである。
【００３６】
図２の実験装置では、コリメータ１０ａがエネルギー選別器として作用することを確認するために、Ｘ線検出器としてエネルギー分解能を有するＳｉ−ＰＩＮからなるエネルギー分散型Ｘ線検出器２２を配置している。しかし、本発明ではＸ線検出器としてはエネルギー分解能を有するものではなく、Ｘ線ＣＣＤカメラのようにＸ線強度分布のみを検出するものを使用する。
【００３７】
Ｘ線検出器２２に近い側に配置したコリメータ１０ａを試料に近い側に配置したコリメータ８ａに対して相対的に傾斜させることができるようになっている。もし、両コリメータ８ａ，１０ａが完全に平行であれば、試料４から発生した蛍光Ｘ線９は何ら遮られることなく、Ｘ線検出器２２に到達する。しかし、図３に示すように、両コリメータ８ａ，１０ａが平行でなく傾斜して配置されている場合、試料４から発生した蛍光Ｘ線９のうち、コリメータ１０ａの内壁で全反射したもののみがＸ線検出器２２に到達できる。
【００３８】
実際に３種類の角度傾斜の条件下で取得したＸ線スペクトルを図４に示す。Ｘ線源のＸ線管としてはモリブデン（Ｍｏ）をターゲットとした市販のＸ線管を用い、４０ＫｅＶ、４０ｍＡで動作させ、蛍光Ｘ線はエネルギー分散型検出器で３００秒間検出した。試料はステンレス鋼板であり、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉなどの蛍光Ｘ線が観測されている。
【００３９】
次に、これら蛍光Ｘ線強度の比を縦軸に、横軸には傾斜角度をとって図５に示す。この図に示されているように、コリメータ１０ａと８ａのなす角が大きくなるにつれ、低エネルギー領域にある蛍光Ｘ線が相対的に強くなっていることが分かる。例えば、ＣｒＫａ線は５.４ｋｅＶ、ＦｅＫａは６.４ｋｅＶであるが、コリメータ１０ａの傾斜が大きくなるにつれ、Ｃｒ／Ｆｅ強度比が大きくなっていることが示されている。これは、低エネルギー領域のＸ線が選択的に検出されていることを意味し、２つのコリメータの間の傾斜角を異ならせることによって、エネルギー依存性のあるＸ線分析が可能であることがわかる。
【００４０】
このように、Ｘ線全反射現象にはエネルギー依存性があることが証明されたので、両コリメータのなす角度を調整することにより、特定のエネルギーのみを全反射現象により検出器に取り込むことができることがわかる。そこで、検出器１２としてＸ線ＣＣＤカメラのようにＸ線強度分布のみを検出するものを配置すれば、エネルギー依存性のあるＸ線像が得られることになる。そして、適当な２種類の傾斜角度の下で測定したＸ線画像について各位置でＸ線強度の差をとれば、元素ごとの分布像が得られる。
【００４１】
図１の測定装置を用いて、試料での元素の二次元分布を測定する手順を以下にまとめて示すと、次のステップ（Ａ）から（Ｄ）となる。
（Ａ）Ｘ線照射部６から試料４に一次Ｘ線７を照射して蛍光Ｘ線９を発生させる。
（Ｂ）試料４から発生する蛍光Ｘ線９を受光する位置に配置されたコリメータ８により蛍光Ｘ線９を二次元の平行光束にする。
（Ｃ）コリメータ８から出射した蛍光Ｘ線９を、コリメータ１０を介してＸ線検出器１２で二次元画像として撮像する。このとき、コリメータ１０のチャネルの内壁に対する蛍光Ｘ線９の入射角を複数種類に異ならせる。
（Ｄ）データ処理装置１６において、ステップ（Ｃ）において異なる入射角の下で撮像した２つの画像データから試料上の各位置でのＸ線検出信号の差を求めて試料での元素の二次元分布画像を作成する。
【００４２】
図６にはシート状（厚さ０．１ｍｍ程度、横幅１０ｍｍ程度）のＸ線７を試料４の内部に照射し、試料内部から発生した蛍光Ｘ線９を２つのキャピラリコリメータを通してＸ線ＣＣＤカメラ１２で検出する実施例を示す。７ａは一次Ｘ線７による試料４内の照射領域を示している。この蛍光Ｘ線９を図６に示すような配置で２つのコリメータ８，１０とＸ線ＣＣＤカメラ１２とで測定する。コリメータ８，１０のなす角度を適度な角度に調整しながらＸ線像を取得し、解析することにより、試料内部の二次元元素分布像を短時間で得ることができる。
【００４３】
以上の実施例において、コリメータ８，１０はキャピラリを束ねたものだけでなく、金属板からなるスリットを一方向に並行に配列させたものでもよい。
【００４４】
図７は第１コリメータとしてポリキャピラリＸ線ハーフレンズ８ｂを使用し、その集光側が試料側になるように配置した実施例である。ポリキャピラリハーフレンズ８ｂは、その中をＸ線が全反射して伝わる細いガラス管（モノキャピラリ）が多数束ねられたものであり、キャピラリを緩やかに曲げることによりＸ線の軌道を曲げ、１点から発生したＸ線が受光部から入射し、放射側から二次元の平行光束のＸ線となって出射するように形成されたものである。各モノキャピラリはその内径が受光部側の基端から放射側の先端にかけて拡大する形状をもっている。ポリキャピラリハーフレンズ８ｂは全反射によりＸ線の軌道を曲げ、分光を伴わないため、分光結晶を用いた分光素子のようなＸ線強度の減衰はない。
図７の実施例によれば、試料上の微細な像を拡大した二次元分布画像が得られる。さらに、図７の実施例においては、一次Ｘ線としてＸ線マイクロビームを利用することができ、三次元空間における微小空間を拡大した元素識別蛍光Ｘ線像を得ることができる。
【００４５】
以上の実施例では、第２のコリメータ１０は１段であるが、２段以上として選択的に検出器に導かれる蛍光Ｘ線のエネルギー純度を高めてもよい。
【００４６】
さらに、第２のコリメータ１０は第１のコリメータ８，８ｂに対して傾斜しておればよく、傾斜方向には制限はない。
【００４７】
図８は２つのコリメータを用いたＸ線分光イメージングの実施例を示す上面概略図である。Ｘ線発生部６からのＸ線を試料４に照射し、試料４から発生した蛍光Ｘ線を第１コリメータ８で二次元の平行Ｘ線束とし、第２コリメータ１０によりコリメータ内壁での全反射現象を利用してエネルギー選別を行い、そのＸ線強度を二次元検出器１２により検出する。ここで、第２コリメータと二次元検出器１２は回転ステージ３６に取り付けてあり、第１コリメータ８とでなす角度を制御できるようにしている。
【００４８】
図９に図８のＸ線分光イメージングの実施例による測定例を示す。試料は銅と鉄の薄膜から作成した「Ｎ」及び「Ｔ」の形状を有する薄片試料であり、２つのコリメータのなす角度を変化させながらＸ線画像を取得した。角度０度では、２つのコリメータが平行にあるので、銅、鉄ともに明確な画像が得られている。この角度を０．５度にすると、エネルギーの高い銅は全反射せずに第２コリメータを通過しないためＸ線像は見られず、鉄からなるＴの像のみが得られた。
【００４９】
図１０は二次元測定装置を試料におけるＸ線又は光による吸収の二次元分布を測定する測定装置に適用した実施例を示す概略正面断面図である。第１コリメータ８と第２コリメータ１０の間の光路上に試料３０を着脱可能に配置する試料載置部（図示略）を備えている。第１コリメータ８はＸ線又は紫外線もしくは可視光を二次元の平行光束にし、第２コリメータ１０は第１コリメータ８からの平行光束をＣＣＤカメラなどの二次元検出器１２ａに導く。パーソナルコンピュータなどからなるデータ処理装置（図示略）は、試料載置部に試料を配置しない状態で二次元検出器１２ａが得た二次元画像データと試料載置部に試料３０を配置した状態で二次元検出器１２ａが得た二次元画像データとから試料３０上の各位置での検出信号の差を求めて二次元分布画像を作成する。
【００５０】
試料３０として溶液や薄膜試料を測定することができ、そのような試料の二次元情報を保ちながら吸収測定を行うことができる。
【００５１】
図１１は二次元測定装置を光による試料の二次元分光測定を行う装置に適用した実施例を示す概略正面図である。図示されていない試料に光を照射する照射光学系（図示略）を備えている。第１コリメータ８は試料による反射光又は透過光３４を受光する位置に配置され、第１コリメータ８と第２コリメータ１０の間には分散素子３２が配置されている。分散素子３２は微細マイクロレンズもしくは微細プリズムを二次元的に配列したもの、又は透過型の回折格子である。
第１コリメータ８の位置は固定されている。第１コリメータ８から出射した二次元の平行光束は分散素子３２で分光されて波長ごとに異なる方向に分散する。分散素子３２は分散素子支持機構である回転ステージ４０に取りつけられ、第１コリメータ８からの平行光束を選択しようとする光の波長に応じた所定の角度で受けることができるように角度が調節可能になっている。第２コリメータ１０とＣＣＤカメラなどの二次元検出器１２ｂが回転ステージ４０と回転中心を同じくする第２コリメータ支持機構である回転ステージ４２に取りつけられ、分散素子３２により分光された所望の波長の光を選択するように角度が調節可能になっている。第２コリメータ１０により選択された波長の光が二次元検出器１２ｂに取り込まれて、選択された波長での二次元画像が撮像される。
【００５２】
二次元測定装置をＸ線による試料の二次元分光測定を行う装置に適用した実施例を説明する。装置の概略正面図は図１１と同じである。図示されていない試料から発せられたＸ線を照射する照射光学系（図示略）を備えている。第１コリメータ８は試料からのＸ線３４を受光する位置に配置され、第１コリメータ８と第２コリメータ１０の間には分散素子３２が配置されている。分散素子３２は、光を扱う場合とは異なり、図１２に示すように、例えばポリキャピラリの各々のキャピラリ内壁にＸ線を回折できるＸ線波長分散用の多層膜を堆積したものである。
【００５３】
第１コリメータ８から出射した二次元の平行Ｘ線束は分散素子３２で分光されて波長ごとに異なる方向に分散する。第２コリメータ１０の方向は分散素子３２により分光された所望の波長のＸ線を選択するように向けて配置されている。第２コリメータ１０により選択された波長のＸ線がＣＣＤカメラなどの二次元検出器１２ｂに取り込まれて、選択された波長での二次元画像が撮像される。
【００５４】
分散素子３２としては、図１３に示すように、一般的なＸ線回折実験で使用される適当な厚さに形成した分光結晶を透過型の配置で利用することもできる。
【００５５】
Ｘ線３４としてはＸ線発生装置からの白色Ｘ線を利用することもでき、この場合、分散素子３２により分光された２次元での広がりを有する単色Ｘ線が得られる。
【符号の説明】
【００５６】
４ 試料
６ Ｘ線照射部
８，８ｂ 第１コリメータ
１０ 第２コリメータ
１２，１２ａ，１２ｂ 二次元検出器
１４ 支持機構
１６ データ処理装置
３０ 試料
３２ 分散素子
３６，４０，４２ 回転ステージ
【技術分野】
【０００１】
本発明は試料にＸ線又は光を照射して試料中の特定元素、特定成分濃度などの二次元分布を測定する方法及び装置に関する。Ｘ線を用いる場合の一例は、試料にＸ線を照射して蛍光Ｘ線を発生させ、その蛍光Ｘ線を解析することにより試料における元素の位置的な分布を測定する方法と装置である。
【背景技術】
【０００２】
蛍光Ｘ線分析により試料中の元素の定性分析及び定量分析を行うことができる。試料の元素分布を測定するためには、通常、微小Ｘ線ビームを作成し、このＸ線ビームを試料上で走査するか、相対的に試料を走査する方法が用いられる。Ｘ線ビームの照射により発生する蛍光Ｘ線を、分光器を備えたＸ線検出器で検出すれば各位置での元素の定性と定量を行うことができる。しかし、その方法ではＸ線ビームの微細化と分析領域の広範囲化に伴い、測定時間が大変長くなる欠点がある。
【０００３】
一方、ガラスキャピラリコリメータなどにより蛍光Ｘ線の角度発散を制限して二次元の蛍光Ｘ線にして二次元のＸ線検出器であるＸ線ＣＣＤカメラに導いて撮像することにより短時間でＸ線画像を取得することができる。その場合、Ｘ線ＣＣＤカメラの１つ１つの素子にはＸ線からの元素分析に必要なエネルギー分解機能がないため、元素を識別して蛍光Ｘ線像を得るためには更なる手段が必要となる。
【０００４】
元素を識別する１つの手段として、シンクロ放射線源を用いて励起Ｘ線のエネルギーを変化させる方法が提案されている（特許文献１参照。）。しかし、実験室では十分な強度を持ってＸ線のエネルギーを可変とすることは困難なため、放射光施設での実験とならざるをえないので、その利便性に難があり、汎用的な方法として普及するに至っていない。
【０００５】
元素を識別する他の手段として、蛍光Ｘ線の光路に金属フォイル等のフィルタを設置し、フィルタの有無による像の変化を検討することにより、元素の識別判定を行うことも提案されている（特許文献１参照。）。
【０００６】
光学測定では試料に光を照射し、その光の吸収やその光の照射により励起されて発生する蛍光を測定することが行われている。一般に、吸収測定や蛍光測定は試料を測定セルに入れた状態で行われており、定性又は特定成分の定量が主な目的である。試料内の濃度や特定成分の二次元分布を測定する場合は、Ｘ線の場合と同様に光ビームを試料上で走査することにより二次元情報を得ている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３０４９３１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
短時間でＸ線画像を取得する方法として採用しやすい簡便な方法は、コリメータと二次元Ｘ線検出器を組み合せ、コリメータの入射側にフィルタを配置する方法である。しかしながら、フィルタで蛍光Ｘ線が散乱するため蛍光Ｘ線の位置情報が不明確になって空間分解能が悪くなるという問題がある。また、フィルタによるＸ線の吸収が生じ、検出器に到達する蛍光Ｘ線強度も大きく減少する問題もある。
【０００９】
光による二次元分布測定で位置情報を精度よく保持しながら簡便に測定できる方法は知られていない。
【００１０】
本発明は、上記の従来技術の問題点を踏まえ、Ｘ線又は光学測定において迅速に、しかも空間分解能の高い二次元画像取得方法とその装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者はコリメータを２段又はそれ以上に組み合わせることにより、試料の二次元の位置情報を精度よく維持しながら二次元画像を得ることができることを見出した。
【００１２】
また、本発明者はＸ線の全反射を研究する過程で、Ｘ線全反射現象のエネルギー依存性を利用する本発明の方法を考案した。その現象を利用すれば、試料から発生する蛍光Ｘ線の空間分解能を損なうことなく特定のエネルギーのＸ線を選択的に検出器に取り込むことができるとの知見を得てＸ線に関する本発明をなしたものである。
【００１３】
Ｘ線に関する本発明では、Ｘ線ＣＣＤカメラなどの二次元Ｘ線検出器と試料の間に２つの独立したコリメータを配置し、試料に近い側のコリメータで蛍光Ｘ線を二次元の平行光束とし、他のコリメータを経て検出器に導いて蛍光Ｘ線による二次元画像を得る。試料から検出器までの間にフィルタのようにＸ線を散乱させる媒体は介在しないので、蛍光Ｘ線の空間分解能は高い状態に維持される。
【００１４】
そして、２つのコリメータのなす角度をＸ線全反射臨界角近傍で調整することにより、検出器に到達する蛍光Ｘ線のエネルギーを選別することにより識別可能なＸ線像を取得する。
【００１５】
本発明の測定方法は、Ｘ線を用いる場合も紫外線や可視光などの光を用いる場合も含んでおり、以下のステップ（Ａ）から（Ｃ）を備えて測定対象の二次元分布を測定する方法である。
（Ａ）Ｘ線又は光を二次元の平行光束とする第１コリメータを介して測定しようとするＸ線又は光の二次元の平行光束を得るステップ、
（Ｂ）第１コリメータから出射した二次元の平行光束を互いに平行な複数のチャネルからなる第２コリメータを介して二次元の平行光束として出射させるステップ、及び
（Ｃ）第２コリメータから出射したＸ線又は光を二次元検出器で受光して二次元画像として撮像するステップ。
【００１６】
この測定方法を、Ｘ線を用いて元素の二次元分布を測定する方法に適用すると、ステップ（Ａ）の前段のステップとして、試料にＸ線を照射して蛍光Ｘ線を発生させるステップを含む。ステップ（Ａ）は試料から発生する蛍光Ｘ線を受光する位置に第１コリメータを配置して前記蛍光Ｘ線を二次元の平行光束にするステップである。ステップ（Ｂ）は第１コリメータからの二次元の平行光束の蛍光Ｘ線を第２コリメータにより二次元の平行光束の蛍光Ｘ線として出射させるステップであり、このステップでは第２コリメータのチャネルの内壁に対する蛍光Ｘ線の入射角を複数種類に異ならせる。ステップ（Ｃ）は二次元検出器として二次元のＸ線検出器を用い、さらにステップ（Ｃ）において異なる入射角の下で撮像した２つの画像データから試料上の各位置でのＸ線検出信号の差を求めて試料における元素の二次元分布画像を作成するステップを含むものとなる。
【００１７】
また、この測定方法をＸ線又は光を用いて試料におけるＸ線又は光による吸収の二次元分布を測定する方法に適用すると、ステップ（Ａ）から（Ｃ）を光路上に試料を配置しない状態で実行するブランク工程と、第１コリメータと第２コリメータの間に試料を配置した状態で実行する測定工程とを含み、ブランク工程で得た二次元画像データと測定工程で得た二次元画像データとから試料上の各位置での検出信号の差を求めて二次元分布画像を作成するステップを含むものとなる。
【００１８】
さらに、この方法を試料の二次元の光又は蛍光Ｘ線の分光測定を行う方法に適用すると、ステップ（Ａ）の前段のステップとして、試料に光を照射して試料による反射光もしくは透過光を測定しようとする光として発生させるステップ、又は試料にＸ線を照射して蛍光Ｘ線を発生させるステップを含み、第１コリメータと第２コリメータの間に分散素子を配置し、ステップ（Ｂ）では第２コリメータの方向を前記分散素子により分光されたいずれかの光又は蛍光Ｘ線の方向に設定することにより分光された光又は蛍光Ｘ線を選択的に出射させることになる。
【００１９】
本発明の二次元測定装置は、Ｘ線又は光を二次元の平行光束とする第１コリメータと、互いに平行な複数のチャネルからなり、入射面を第１コリメータの出射面に向けて配置された第２コリメータと、第２コリメータから出射したＸ線又は光を二次元画像として撮像する二次元検出器とを備えたものである。
【００２０】
この二次元測定装置をＸ線による元素分布測定を行う測定装置に適用すると、試料設置位置に配置された試料にＸ線を照射するＸ線照射部を備え、第１コリメータはＸ線照射により試料から発生する蛍光Ｘ線を受光するように入射面を試料に向けて配置されており、二次元検出器は第２コリメータから出射した蛍光Ｘ線を二次元画像として撮像する二次元Ｘ線検出器であり、第２コリメータのチャネルの内壁に対する蛍光Ｘ線の入射角を複数種類に異ならせることができるように第２コリメータ及び二次元Ｘ線検出器を支持する支持機構を備え、第２コリメータのチャネルの内壁に対する蛍光Ｘ線の入射角の異なる条件下で撮像した前記二次元Ｘ線検出器による２つの画像データから試料上の各位置でのＸ線検出信号の差を求めて試料での元素の二次元分布画像を作成するデータ処理装置を備えたものとなる。
【００２１】
第２コリメータと二次元Ｘ線検出器の相対的位置関係が変化すると検出器に入射するＸ線光量が変化する。本発明では蛍光Ｘ線の入射角の異なる条件下で撮像した２つの画像データの差を求めるので、２つの画像データの差が元素分布に正しく対応したものとなるようにするために、第２コリメータと二次元Ｘ線検出器は互いの相対的位置関係が変化しないように相互に固定されていることが好ましい。
【００２２】
第１コリメータとしても互いに平行な複数のチャネルからなるものを使用すれば、試料と同倍率の二次元分布画像が作成される。また、第１コリメータとしてポリキャピラリＸ線ハーフレンズを使用し、集光側が試料側になるように配置すれば、試料の像を拡大した二次元分布画像が作成される。
【００２３】
この二次元測定装置を試料におけるＸ線又は光による吸収の二次元分布を測定する測定装置に適用すると、第１コリメータと第２コリメータの間の光路上に試料を着脱可能に配置する試料載置部を備え、試料載置部に試料を配置しない状態で二次元検出器が得た二次元画像データと試料載置部に試料を配置した状態で二次元検出器が得た二次元画像データとから試料上の各位置での検出信号の差を求めて二次元分布画像を作成するデータ処理装置を備えたものとなる。
【００２４】
また、この二次元測定装置を試料の二次元分光測定を行う測定装置に適用すると、試料に光又は蛍光Ｘ線を照射する照射光学系を備え、第１コリメータは試料による反射光もしくは透過光又は蛍光Ｘ線を受光する位置に配置され、第１コリメータと第２コリメータの間に配置された分散素子を備え、第２コリメータの方向を分散素子により分光された光又は蛍光Ｘ線を選択するように向けて支持する第２コリメータ支持機構を備えたものとなる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明では、２段のコリメータを使用してＸ線又は光を二次元検出器に導くので、二次元画像の高い空間分解能を達成することができる。
【００２６】
特に、二次元分布Ｘ線像を得る方法と装置では、試料と二次元Ｘ線検出器の間に配置した２つのコリメータの間の角度を調整することにより検出器に入射する蛍光Ｘ線のエネルギーを選別するようにしたので、実験室で、つまり、放射光を用いなくても、元素識別可能な二次元分布Ｘ線像を短時間で得ることができる。しかもフィルタのような散乱媒体を介在させないことからも、二次元画像の高い空間分解能を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】元素分布測定装置の一実施例を概略的に示す構成図である。
【図２】Ｘ線全反射現象のエネルギー依存性を実証するための実験装置を示す概略構成図である。
【図３】Ｘ線全反射現象のエネルギー依存性を実証する実験方法を示す図である。
【図４】第２コリメータの傾斜角と得られる蛍光Ｘ線スペクトルを示す図である。
【図５】第２コリメータの傾斜角と蛍光Ｘ線強度の比の関係を示すグラフである。
【図６】シート状のＸ線を試料内部に照射して元素の二次元分布を測定する方法を示す概略図である。
【図７】元素分布測定装置の他の実施例を概略的に示す構成図である。
【図８】２つのコリメータを用いたＸ線分光イメージングの実施例を示す上面概略図である。
【図９】同Ｘ線分光イメージングの実施例による測定画像を示す図である。
【図１０】試料におけるＸ線又は光による吸収の二次元分布を測定する測定装置に適用した実施例を示す概略正面断面図である。
【図１１】光又はＸ線による試料の二次元分光測定を行う装置に適用した実施例を示す概略正面図である。
【図１２】図１１の実施例でＸ線を扱う場合の分散素子の一例を示す概略正面断面図であり、ポリキャピラリの各々のキャピラリの内壁にＸ線を回折できるＸ線波長分散用の多層膜を堆積させたものである。
【図１３】図１１の実施例でＸ線を扱う場合の分散素子の他の例を示す概略正面断面図であり、Ｘ線の回折実験に利用する分光結晶を用いたものである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１は本発明を二次元分布Ｘ線像を得る装置に適用した一実施例を概略的に示したものである。表面及びその近傍の元素の二次元分布測定を行おうとする試料４は試料台２の試料設置位置に配置されている。その試料に一次Ｘ線７を照射するＸ線照射部６が試料台２の近傍に配置されている。Ｘ線照射部６はＸ線源を備えている。Ｘ線源としては市販のＸ線管を用い、Ｘ線源のＸ線出射窓にはベリリウム、窒化ホウ素、グラファイトなどのＸ線透過材料が用いられている。Ｘ線源のＸ線出射窓には管球由来のＸ線が蛍光Ｘ線測定に影響を与えるのを防ぐために、ジルコニウム、アルミニウム、真鍮など、測定対象元素に応じて適当なフィルタが設けられることがある。ここでは、Ｘ線源として、モリブデンをターゲットとし、ベリリウムＸ線出射窓をもつＸ線管を使用し、Ｘ線出射窓にはジルコニウムフィルタを配置した。
【００２９】
照射Ｘ線ビームも試料４も走査することなく、所望の面積の二次元分布像を得るために、試料４の表面で一次Ｘ線が照射される部分の大きさは元素の二次元分布を測定しようとする部分よりも大きくなるように、Ｘ線照射部６から照射するＸ線ビームの大きさ及びＸ線照射部６と試料４との距離が設定されている。一次Ｘ線ビームの照射部分の大きさは、後述のＸ線ＣＣＤカメラ１２の検出部の大きさと同等のものとすることができ、たとえば、直径１０ｍｍ程度のものが利用できる。
【００３０】
Ｘ線照射部６からの一次Ｘ線の照射により試料４から発生した蛍光Ｘ線９を受光して二次元の平行光束とするために、試料４の表面の近くで蛍光Ｘ線９を受光できる位置に第１コリメータ８が配置されている。コリメータ８は入射Ｘ線を二次元の平行光束として出射する放射面をもつように、内径が数μｍ〜数１００μｍ、長さが数ｍｍ〜２０ｍｍ程度のガラスキャピラリを口径が１０ｍｍ程度になるように円柱状に束ねられたものである。コリメータ８はＸ線照射により試料４から発生する蛍光Ｘ線を受光するように入射面が試料に向けて配置されている。
【００３１】
コリメータ８の出射面側には第２コリメータ１０がその入射面を第１コリメータ８の出射面に向けて配置されている。コリメータ１０も入射Ｘ線を二次元の平行光束として出射する放射面をもつように、内径が数μｍ〜数１００μｍ、長さが数ｍｍ〜２０ｍｍ程度のガラスキャピラリを口径が１０ｍｍ程度になるように円柱状に束ねられたものである。
【００３２】
コリメータ１０から出射した蛍光Ｘ線を二次元画像として撮像するために、二次元Ｘ線検出器としてＸ線ＣＣＤカメラ１２がコリメータ１０の出射面側に配置され、コリメータ１０とＸ線ＣＣＤカメラ１２の間は互いに相対的な変位をしないように互いに固定されて一体化されている。
【００３３】
コリメータ１０とＸ線ＣＣＤカメラ１２は一体化された状態で支持機構１４に支持されている。支持機構１４はコリメータ１０のチャネルの内壁に対する蛍光Ｘ線の入射角を複数種類に異ならせることができるようにコリメータ１０及びＸ線ＣＣＤカメラ１２を支持している。蛍光Ｘ線はコリメータ８により二次元の平行光束として出射し、コリメータ１０のチャネルの内壁の方向はその平行光束の蛍光Ｘ線の出射方向に対して所望の角度θになるように支持される。角度θは０から全反射条件を満たす所定の範囲の間で任意に設定することができる。支持機構１４は図１の概略図ではコリメータ１０及びＸ線ＣＣＤカメラ１２の紙面内の側方に配置されているが、コリメータ１０及びＸ線ＣＣＤカメラ１２を紙面内で回転させて傾斜させることができるように、実際には紙面垂直方向の手前側又は奥側に配置される。
【００３４】
データ処理装置１６は専用のコンピュータ又はパーソナルコンピュータにより実現されるものであり、コリメータ１０のチャネルの内壁に対する蛍光Ｘ線の入射角θの異なる条件下で撮像したＸ線ＣＣＤカメラ１２による２つの画像データから試料上の各位置でのＸ線検出信号の差を求めて試料での元素の二次元分布画像を作成するようにプログラムが施されている。
【００３５】
次にＸ線全反射現象にエネルギー依存性のあることを実証する。
図２に示すように、ガラスキャピラリを束ねた２つの独立したコリメータ８ａ，１０ａを試料４の直上に配置する。コリメータ８ａが第１コリメータであり、コリメータ１０ａが第２コリメータである。ここでは、いずれのコリメータもガラスキャピラリはストレート管である。コリメータ８ａ，１０ａは同じ構造のもので、内径０.６３ｍｍ、外形０.９ｍｍ、長さが３２ｍｍの複数のガラスキャピラリを開口径が１０ｍｍの銅製の円筒状容器に平行に挿入したものである。
【００３６】
図２の実験装置では、コリメータ１０ａがエネルギー選別器として作用することを確認するために、Ｘ線検出器としてエネルギー分解能を有するＳｉ−ＰＩＮからなるエネルギー分散型Ｘ線検出器２２を配置している。しかし、本発明ではＸ線検出器としてはエネルギー分解能を有するものではなく、Ｘ線ＣＣＤカメラのようにＸ線強度分布のみを検出するものを使用する。
【００３７】
Ｘ線検出器２２に近い側に配置したコリメータ１０ａを試料に近い側に配置したコリメータ８ａに対して相対的に傾斜させることができるようになっている。もし、両コリメータ８ａ，１０ａが完全に平行であれば、試料４から発生した蛍光Ｘ線９は何ら遮られることなく、Ｘ線検出器２２に到達する。しかし、図３に示すように、両コリメータ８ａ，１０ａが平行でなく傾斜して配置されている場合、試料４から発生した蛍光Ｘ線９のうち、コリメータ１０ａの内壁で全反射したもののみがＸ線検出器２２に到達できる。
【００３８】
実際に３種類の角度傾斜の条件下で取得したＸ線スペクトルを図４に示す。Ｘ線源のＸ線管としてはモリブデン（Ｍｏ）をターゲットとした市販のＸ線管を用い、４０ＫｅＶ、４０ｍＡで動作させ、蛍光Ｘ線はエネルギー分散型検出器で３００秒間検出した。試料はステンレス鋼板であり、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉなどの蛍光Ｘ線が観測されている。
【００３９】
次に、これら蛍光Ｘ線強度の比を縦軸に、横軸には傾斜角度をとって図５に示す。この図に示されているように、コリメータ１０ａと８ａのなす角が大きくなるにつれ、低エネルギー領域にある蛍光Ｘ線が相対的に強くなっていることが分かる。例えば、ＣｒＫａ線は５.４ｋｅＶ、ＦｅＫａは６.４ｋｅＶであるが、コリメータ１０ａの傾斜が大きくなるにつれ、Ｃｒ／Ｆｅ強度比が大きくなっていることが示されている。これは、低エネルギー領域のＸ線が選択的に検出されていることを意味し、２つのコリメータの間の傾斜角を異ならせることによって、エネルギー依存性のあるＸ線分析が可能であることがわかる。
【００４０】
このように、Ｘ線全反射現象にはエネルギー依存性があることが証明されたので、両コリメータのなす角度を調整することにより、特定のエネルギーのみを全反射現象により検出器に取り込むことができることがわかる。そこで、検出器１２としてＸ線ＣＣＤカメラのようにＸ線強度分布のみを検出するものを配置すれば、エネルギー依存性のあるＸ線像が得られることになる。そして、適当な２種類の傾斜角度の下で測定したＸ線画像について各位置でＸ線強度の差をとれば、元素ごとの分布像が得られる。
【００４１】
図１の測定装置を用いて、試料での元素の二次元分布を測定する手順を以下にまとめて示すと、次のステップ（Ａ）から（Ｄ）となる。
（Ａ）Ｘ線照射部６から試料４に一次Ｘ線７を照射して蛍光Ｘ線９を発生させる。
（Ｂ）試料４から発生する蛍光Ｘ線９を受光する位置に配置されたコリメータ８により蛍光Ｘ線９を二次元の平行光束にする。
（Ｃ）コリメータ８から出射した蛍光Ｘ線９を、コリメータ１０を介してＸ線検出器１２で二次元画像として撮像する。このとき、コリメータ１０のチャネルの内壁に対する蛍光Ｘ線９の入射角を複数種類に異ならせる。
（Ｄ）データ処理装置１６において、ステップ（Ｃ）において異なる入射角の下で撮像した２つの画像データから試料上の各位置でのＸ線検出信号の差を求めて試料での元素の二次元分布画像を作成する。
【００４２】
図６にはシート状（厚さ０．１ｍｍ程度、横幅１０ｍｍ程度）のＸ線７を試料４の内部に照射し、試料内部から発生した蛍光Ｘ線９を２つのキャピラリコリメータを通してＸ線ＣＣＤカメラ１２で検出する実施例を示す。７ａは一次Ｘ線７による試料４内の照射領域を示している。この蛍光Ｘ線９を図６に示すような配置で２つのコリメータ８，１０とＸ線ＣＣＤカメラ１２とで測定する。コリメータ８，１０のなす角度を適度な角度に調整しながらＸ線像を取得し、解析することにより、試料内部の二次元元素分布像を短時間で得ることができる。
【００４３】
以上の実施例において、コリメータ８，１０はキャピラリを束ねたものだけでなく、金属板からなるスリットを一方向に並行に配列させたものでもよい。
【００４４】
図７は第１コリメータとしてポリキャピラリＸ線ハーフレンズ８ｂを使用し、その集光側が試料側になるように配置した実施例である。ポリキャピラリハーフレンズ８ｂは、その中をＸ線が全反射して伝わる細いガラス管（モノキャピラリ）が多数束ねられたものであり、キャピラリを緩やかに曲げることによりＸ線の軌道を曲げ、１点から発生したＸ線が受光部から入射し、放射側から二次元の平行光束のＸ線となって出射するように形成されたものである。各モノキャピラリはその内径が受光部側の基端から放射側の先端にかけて拡大する形状をもっている。ポリキャピラリハーフレンズ８ｂは全反射によりＸ線の軌道を曲げ、分光を伴わないため、分光結晶を用いた分光素子のようなＸ線強度の減衰はない。
図７の実施例によれば、試料上の微細な像を拡大した二次元分布画像が得られる。さらに、図７の実施例においては、一次Ｘ線としてＸ線マイクロビームを利用することができ、三次元空間における微小空間を拡大した元素識別蛍光Ｘ線像を得ることができる。
【００４５】
以上の実施例では、第２のコリメータ１０は１段であるが、２段以上として選択的に検出器に導かれる蛍光Ｘ線のエネルギー純度を高めてもよい。
【００４６】
さらに、第２のコリメータ１０は第１のコリメータ８，８ｂに対して傾斜しておればよく、傾斜方向には制限はない。
【００４７】
図８は２つのコリメータを用いたＸ線分光イメージングの実施例を示す上面概略図である。Ｘ線発生部６からのＸ線を試料４に照射し、試料４から発生した蛍光Ｘ線を第１コリメータ８で二次元の平行Ｘ線束とし、第２コリメータ１０によりコリメータ内壁での全反射現象を利用してエネルギー選別を行い、そのＸ線強度を二次元検出器１２により検出する。ここで、第２コリメータと二次元検出器１２は回転ステージ３６に取り付けてあり、第１コリメータ８とでなす角度を制御できるようにしている。
【００４８】
図９に図８のＸ線分光イメージングの実施例による測定例を示す。試料は銅と鉄の薄膜から作成した「Ｎ」及び「Ｔ」の形状を有する薄片試料であり、２つのコリメータのなす角度を変化させながらＸ線画像を取得した。角度０度では、２つのコリメータが平行にあるので、銅、鉄ともに明確な画像が得られている。この角度を０．５度にすると、エネルギーの高い銅は全反射せずに第２コリメータを通過しないためＸ線像は見られず、鉄からなるＴの像のみが得られた。
【００４９】
図１０は二次元測定装置を試料におけるＸ線又は光による吸収の二次元分布を測定する測定装置に適用した実施例を示す概略正面断面図である。第１コリメータ８と第２コリメータ１０の間の光路上に試料３０を着脱可能に配置する試料載置部（図示略）を備えている。第１コリメータ８はＸ線又は紫外線もしくは可視光を二次元の平行光束にし、第２コリメータ１０は第１コリメータ８からの平行光束をＣＣＤカメラなどの二次元検出器１２ａに導く。パーソナルコンピュータなどからなるデータ処理装置（図示略）は、試料載置部に試料を配置しない状態で二次元検出器１２ａが得た二次元画像データと試料載置部に試料３０を配置した状態で二次元検出器１２ａが得た二次元画像データとから試料３０上の各位置での検出信号の差を求めて二次元分布画像を作成する。
【００５０】
試料３０として溶液や薄膜試料を測定することができ、そのような試料の二次元情報を保ちながら吸収測定を行うことができる。
【００５１】
図１１は二次元測定装置を光による試料の二次元分光測定を行う装置に適用した実施例を示す概略正面図である。図示されていない試料に光を照射する照射光学系（図示略）を備えている。第１コリメータ８は試料による反射光又は透過光３４を受光する位置に配置され、第１コリメータ８と第２コリメータ１０の間には分散素子３２が配置されている。分散素子３２は微細マイクロレンズもしくは微細プリズムを二次元的に配列したもの、又は透過型の回折格子である。
第１コリメータ８の位置は固定されている。第１コリメータ８から出射した二次元の平行光束は分散素子３２で分光されて波長ごとに異なる方向に分散する。分散素子３２は分散素子支持機構である回転ステージ４０に取りつけられ、第１コリメータ８からの平行光束を選択しようとする光の波長に応じた所定の角度で受けることができるように角度が調節可能になっている。第２コリメータ１０とＣＣＤカメラなどの二次元検出器１２ｂが回転ステージ４０と回転中心を同じくする第２コリメータ支持機構である回転ステージ４２に取りつけられ、分散素子３２により分光された所望の波長の光を選択するように角度が調節可能になっている。第２コリメータ１０により選択された波長の光が二次元検出器１２ｂに取り込まれて、選択された波長での二次元画像が撮像される。
【００５２】
二次元測定装置をＸ線による試料の二次元分光測定を行う装置に適用した実施例を説明する。装置の概略正面図は図１１と同じである。図示されていない試料から発せられたＸ線を照射する照射光学系（図示略）を備えている。第１コリメータ８は試料からのＸ線３４を受光する位置に配置され、第１コリメータ８と第２コリメータ１０の間には分散素子３２が配置されている。分散素子３２は、光を扱う場合とは異なり、図１２に示すように、例えばポリキャピラリの各々のキャピラリ内壁にＸ線を回折できるＸ線波長分散用の多層膜を堆積したものである。
【００５３】
第１コリメータ８から出射した二次元の平行Ｘ線束は分散素子３２で分光されて波長ごとに異なる方向に分散する。第２コリメータ１０の方向は分散素子３２により分光された所望の波長のＸ線を選択するように向けて配置されている。第２コリメータ１０により選択された波長のＸ線がＣＣＤカメラなどの二次元検出器１２ｂに取り込まれて、選択された波長での二次元画像が撮像される。
【００５４】
分散素子３２としては、図１３に示すように、一般的なＸ線回折実験で使用される適当な厚さに形成した分光結晶を透過型の配置で利用することもできる。
【００５５】
Ｘ線３４としてはＸ線発生装置からの白色Ｘ線を利用することもでき、この場合、分散素子３２により分光された２次元での広がりを有する単色Ｘ線が得られる。
【符号の説明】
【００５６】
４ 試料
６ Ｘ線照射部
８，８ｂ 第１コリメータ
１０ 第２コリメータ
１２，１２ａ，１２ｂ 二次元検出器
１４ 支持機構
１６ データ処理装置
３０ 試料
３２ 分散素子
３６，４０，４２ 回転ステージ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下のステップ（Ａ）から（Ｃ）を備えて測定対象の二次元分布を測定する測定方法。
（Ａ）Ｘ線又は光を二次元の平行光束とする第１コリメータを介して測定しようとするＸ線又は光の二次元の平行光束を得るステップ、
（Ｂ）第１コリメータから出射した二次元の平行光束を互いに平行な複数のチャネルからなる第２コリメータを介して二次元の平行光束として出射させるステップ、及び
（Ｃ）第２コリメータから出射したＸ線又は光を二次元検出器で受光して二次元画像として撮像するステップ。
【請求項２】
ステップ（Ａ）の前段のステップとして、試料にＸ線を照射して蛍光Ｘ線を発生させるステップを含み、
ステップ（Ａ）は試料から発生する蛍光Ｘ線を受光する位置に第１コリメータを配置して前記蛍光Ｘ線を二次元の平行光束にするステップであり、
ステップ（Ｂ）は第１コリメータからの二次元の平行光束の蛍光Ｘ線を第２コリメータにより二次元の平行光束の蛍光Ｘ線として出射させるステップであり、該ステップでは第２コリメータのチャネルの内壁に対する蛍光Ｘ線の入射角を複数種類に異ならせ、
ステップ（Ｃ）は二次元検出器として二次元のＸ線検出器を用い、
さらにステップ（Ｃ）において異なる入射角の下で撮像した２つの画像データから試料上の各位置でのＸ線検出信号の差を求めて試料における元素の二次元分布画像を作成するステップを含むことにより、試料での元素の二次元分布を測定する請求項１に記載の測定方法。
【請求項３】
第１コリメータとしても互いに平行な複数のチャネルからなるものを使用して試料と同倍率の二次元分布画像を作成する請求項２に記載の測定方法。
【請求項４】
第１コリメータとしてポリキャピラリＸ線ハーフレンズを使用し、集光側が試料側になるように配置することにより、試料の像を拡大した二次元分布画像を作成する請求項２に記載の測定方法。
【請求項５】
ステップ（Ａ）から（Ｃ）を光路上に試料を配置しない状態で実行するブランク工程と、
第１コリメータと第２コリメータの間に試料を配置した状態で実行する測定工程とを含み、
ブランク工程で得た二次元画像データと測定工程で得た二次元画像データとから試料上の各位置での検出信号の差を求めて二次元分布画像を作成するステップを含むことにより、試料におけるＸ線又は光による吸収の二次元分布を測定する請求項１に記載の測定方法。
【請求項６】
ステップ（Ａ）の前段のステップとして、試料に光を照射して試料による反射光又は透過光を測定しようとする光として発生させるステップを含み、
第１コリメータと第２コリメータの間に分散素子を配置し、
ステップ（Ｂ）では第２コリメータの方向を前記分散素子により分光されたいずれかの光の方向に設定することにより分光された光を選択的に出射させることにより、試料の二次元分光測定を行う請求項１に記載の測定方法。
【請求項７】
Ｘ線又は光を二次元の平行光束とする第１コリメータと、
互いに平行な複数のチャネルからなり、入射面を第１コリメータの出射面に向けて配置された第２コリメータと、
第２コリメータから出射したＸ線又は光を二次元画像として撮像する二次元検出器とを備えた二次元測定装置。
【請求項８】
試料設置位置に配置された試料にＸ線を照射するＸ線照射部を備え、
第１コリメータはＸ線照射により試料から発生する蛍光Ｘ線を受光するように入射面を試料に向けて配置されており、
前記二次元検出器は第２コリメータから出射した蛍光Ｘ線を二次元画像として撮像する二次元Ｘ線検出器であり、
第２コリメータのチャネルの内壁に対する蛍光Ｘ線の入射角を複数種類に異ならせることができるように第２コリメータ及び前記二次元Ｘ線検出器を支持する支持機構を備え、
第２コリメータのチャネルの内壁に対する蛍光Ｘ線の入射角の異なる条件下で撮像した前記二次元Ｘ線検出器による２つの画像データから試料上の各位置でのＸ線検出信号の差を求めて試料での元素の二次元分布画像を作成するデータ処理装置を備えてＸ線による元素分布測定を行う請求項７に記載の二次元測定装置。
【請求項９】
第２コリメータと前記二次元Ｘ線検出器は互いの相対的位置関係が変化しないように相互に固定されている請求項８に記載の二次元測定装置。
【請求項１０】
第１コリメータは互いに平行な複数のチャネルからなるものである請求項８又は９に記載の二次元測定装置。
【請求項１１】
第１コリメータはポリキャピラリＸ線ハーフレンズであり、集光側が試料側になるように配置されている請求項８又は９に記載の二次元測定装置。
【請求項１２】
第１コリメータと第２コリメータの間の光路上に試料を着脱可能に配置する試料載置部を備え、
前記試料載置部に試料を配置しない状態で前記二次元検出器が得た二次元画像データと前記試料載置部に試料を配置した状態で前記二次元検出器が得た二次元画像データとから試料上の各位置での検出信号の差を求めて二次元分布画像を作成するデータ処理装置を備えて、試料におけるＸ線又は光による吸収の二次元分布を測定する請求項７に記載の二次元測定装置。
【請求項１３】
試料に光を照射する照射光学系を備え、
第１コリメータは試料による反射光又は透過光を受光する位置に配置され、
第１コリメータと第２コリメータの間に配置された分散素子を備え、
第１コリメータからの平行光束が前記分散素子に入射する角度を調節できるように分散素子を支持する分散素子支持機構、及び第２コリメータの方向を前記分散素子により分光された光を選択するように向けて支持する第２コリメータ支持機構を備えて試料の二次元分光測定を行う請求項７に記載の二次元測定装置。
【請求項１４】
試料にＸ線を照射するＸ線源を備え、
第１コリメータは試料による蛍光Ｘ線を受光する位置に配置され、
第１コリメータと第２コリメータの間に配置された分散素子を備え、
第１コリメータからの平行光束が前記分散素子に入射する角度を調節できるように分散素子を支持する分散素子支持機構、及び第２コリメータの方向を前記分散素子により分光された蛍光Ｘ線を選択するように向けて支持する第２コリメータ支持機構を備えて試料の二次元分光測定を行う請求項７に記載の二次元測定装置。
【請求項１】
以下のステップ（Ａ）から（Ｃ）を備えて測定対象の二次元分布を測定する測定方法。
（Ａ）Ｘ線又は光を二次元の平行光束とする第１コリメータを介して測定しようとするＸ線又は光の二次元の平行光束を得るステップ、
（Ｂ）第１コリメータから出射した二次元の平行光束を互いに平行な複数のチャネルからなる第２コリメータを介して二次元の平行光束として出射させるステップ、及び
（Ｃ）第２コリメータから出射したＸ線又は光を二次元検出器で受光して二次元画像として撮像するステップ。
【請求項２】
ステップ（Ａ）の前段のステップとして、試料にＸ線を照射して蛍光Ｘ線を発生させるステップを含み、
ステップ（Ａ）は試料から発生する蛍光Ｘ線を受光する位置に第１コリメータを配置して前記蛍光Ｘ線を二次元の平行光束にするステップであり、
ステップ（Ｂ）は第１コリメータからの二次元の平行光束の蛍光Ｘ線を第２コリメータにより二次元の平行光束の蛍光Ｘ線として出射させるステップであり、該ステップでは第２コリメータのチャネルの内壁に対する蛍光Ｘ線の入射角を複数種類に異ならせ、
ステップ（Ｃ）は二次元検出器として二次元のＸ線検出器を用い、
さらにステップ（Ｃ）において異なる入射角の下で撮像した２つの画像データから試料上の各位置でのＸ線検出信号の差を求めて試料における元素の二次元分布画像を作成するステップを含むことにより、試料での元素の二次元分布を測定する請求項１に記載の測定方法。
【請求項３】
第１コリメータとしても互いに平行な複数のチャネルからなるものを使用して試料と同倍率の二次元分布画像を作成する請求項２に記載の測定方法。
【請求項４】
第１コリメータとしてポリキャピラリＸ線ハーフレンズを使用し、集光側が試料側になるように配置することにより、試料の像を拡大した二次元分布画像を作成する請求項２に記載の測定方法。
【請求項５】
ステップ（Ａ）から（Ｃ）を光路上に試料を配置しない状態で実行するブランク工程と、
第１コリメータと第２コリメータの間に試料を配置した状態で実行する測定工程とを含み、
ブランク工程で得た二次元画像データと測定工程で得た二次元画像データとから試料上の各位置での検出信号の差を求めて二次元分布画像を作成するステップを含むことにより、試料におけるＸ線又は光による吸収の二次元分布を測定する請求項１に記載の測定方法。
【請求項６】
ステップ（Ａ）の前段のステップとして、試料に光を照射して試料による反射光又は透過光を測定しようとする光として発生させるステップを含み、
第１コリメータと第２コリメータの間に分散素子を配置し、
ステップ（Ｂ）では第２コリメータの方向を前記分散素子により分光されたいずれかの光の方向に設定することにより分光された光を選択的に出射させることにより、試料の二次元分光測定を行う請求項１に記載の測定方法。
【請求項７】
Ｘ線又は光を二次元の平行光束とする第１コリメータと、
互いに平行な複数のチャネルからなり、入射面を第１コリメータの出射面に向けて配置された第２コリメータと、
第２コリメータから出射したＸ線又は光を二次元画像として撮像する二次元検出器とを備えた二次元測定装置。
【請求項８】
試料設置位置に配置された試料にＸ線を照射するＸ線照射部を備え、
第１コリメータはＸ線照射により試料から発生する蛍光Ｘ線を受光するように入射面を試料に向けて配置されており、
前記二次元検出器は第２コリメータから出射した蛍光Ｘ線を二次元画像として撮像する二次元Ｘ線検出器であり、
第２コリメータのチャネルの内壁に対する蛍光Ｘ線の入射角を複数種類に異ならせることができるように第２コリメータ及び前記二次元Ｘ線検出器を支持する支持機構を備え、
第２コリメータのチャネルの内壁に対する蛍光Ｘ線の入射角の異なる条件下で撮像した前記二次元Ｘ線検出器による２つの画像データから試料上の各位置でのＸ線検出信号の差を求めて試料での元素の二次元分布画像を作成するデータ処理装置を備えてＸ線による元素分布測定を行う請求項７に記載の二次元測定装置。
【請求項９】
第２コリメータと前記二次元Ｘ線検出器は互いの相対的位置関係が変化しないように相互に固定されている請求項８に記載の二次元測定装置。
【請求項１０】
第１コリメータは互いに平行な複数のチャネルからなるものである請求項８又は９に記載の二次元測定装置。
【請求項１１】
第１コリメータはポリキャピラリＸ線ハーフレンズであり、集光側が試料側になるように配置されている請求項８又は９に記載の二次元測定装置。
【請求項１２】
第１コリメータと第２コリメータの間の光路上に試料を着脱可能に配置する試料載置部を備え、
前記試料載置部に試料を配置しない状態で前記二次元検出器が得た二次元画像データと前記試料載置部に試料を配置した状態で前記二次元検出器が得た二次元画像データとから試料上の各位置での検出信号の差を求めて二次元分布画像を作成するデータ処理装置を備えて、試料におけるＸ線又は光による吸収の二次元分布を測定する請求項７に記載の二次元測定装置。
【請求項１３】
試料に光を照射する照射光学系を備え、
第１コリメータは試料による反射光又は透過光を受光する位置に配置され、
第１コリメータと第２コリメータの間に配置された分散素子を備え、
第１コリメータからの平行光束が前記分散素子に入射する角度を調節できるように分散素子を支持する分散素子支持機構、及び第２コリメータの方向を前記分散素子により分光された光を選択するように向けて支持する第２コリメータ支持機構を備えて試料の二次元分光測定を行う請求項７に記載の二次元測定装置。
【請求項１４】
試料にＸ線を照射するＸ線源を備え、
第１コリメータは試料による蛍光Ｘ線を受光する位置に配置され、
第１コリメータと第２コリメータの間に配置された分散素子を備え、
第１コリメータからの平行光束が前記分散素子に入射する角度を調節できるように分散素子を支持する分散素子支持機構、及び第２コリメータの方向を前記分散素子により分光された蛍光Ｘ線を選択するように向けて支持する第２コリメータ支持機構を備えて試料の二次元分光測定を行う請求項７に記載の二次元測定装置。
【図１】
【図２】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図３】
【図４】
【図９】
【図２】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図３】
【図４】
【図９】
【公開番号】特開２００９−２５８１０１（Ｐ２００９−２５８１０１Ａ）
【公開日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−７５７８８（Ｐ２００９−７５７８８）
【出願日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【出願人】（５０６１２２３２７）公立大学法人大阪市立大学 (122)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【出願人】（５０６１２２３２７）公立大学法人大阪市立大学 (122)
【Ｆターム（参考）】
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