低加速電圧Ｘ線顕微装置
【課題】軽元素から成る微小な試料に対しても充分な高分解能、高コントラストを得ることができ、in-situの状態で試料を観察することができるＸ線顕微装置を提供する。
【解決手段】電子銃の電子源からの電子線をＸ線ターゲットに当ててＸ線を発生させるＸ線発生手段と、試料に照射されたＸ線の透過Ｘ線を撮像素子で撮像する撮像手段とを具備したＸ線顕微装置において、Ｘ線発生手段は波長０．１〜１．２ｎｍの長波長の特性Ｘ線を発生し、Ｘ線ターゲットを真空封止するＸ線透過窓基材はベリリウムで成り、Ｘ線透過窓基材の厚さが１０〜６０μｍであると共に、撮像手段の試料室が密封構成であり、試料室にガスを充填して試料の透過画像を撮像手段で得る。
【解決手段】電子銃の電子源からの電子線をＸ線ターゲットに当ててＸ線を発生させるＸ線発生手段と、試料に照射されたＸ線の透過Ｘ線を撮像素子で撮像する撮像手段とを具備したＸ線顕微装置において、Ｘ線発生手段は波長０．１〜１．２ｎｍの長波長の特性Ｘ線を発生し、Ｘ線ターゲットを真空封止するＸ線透過窓基材はベリリウムで成り、Ｘ線透過窓基材の厚さが１０〜６０μｍであると共に、撮像手段の試料室が密封構成であり、試料室にガスを充填して試料の透過画像を撮像手段で得る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線を試料（被検査体）に照射して観察（若しくは検査）を行うＸ線顕微装置に関し、特に真空封止用のＸ線透過窓基材として１０〜６０μｍの薄いベリリウム（Ｂｅ）板材を用いると共に、Ｘ線発生部で０．１ｎｍ〜１．２ｎｍの長波長の特性Ｘ線を発生させ、ヘリウム（Ｈｅ）ガス内で試料を観察するようにした低加速電圧駆動型のＸ線顕微装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図８は従来のＸ線顕微装置１００の構造例を示しており、図９はＸ線発生手段としての開放型Ｘ線管１１０の内部構成例を示している。Ｘ線顕微装置１００の上部には電子線を発生してＸ線ターゲット１１１に照射するＸ線管１１０が配設され、Ｘ線ターゲット１１１から放射されたＸ線がステージ機構１０１に載置若しくは保持された試料１０２を透過し、その透過Ｘ線が下方に配設された撮像手段としての撮像管１０３に取り込まれる。なお、試料１０２周りは外部へのＸ線漏洩を防ぐためのカバー（図示せず）が配置され、試料１０２は大気中に置かれる。また、Ｘ線像の幾何拡大倍率を稼ぐために、試料１０２はＸ線ターゲット１１１の近くに置かれ、適当に離れた位置に撮像管１０３が配置される。
【０００３】
開放型Ｘ線管１１０では図９に示すように、内部を真空ポンプ（図示せず）により真空状態に排気し、電子源として電流加熱により熱電子を放出する熱電子放射陰極１１２を用い、熱電子放射陰極１１２とアノード１１４との間に４０ｋＶ〜１２０ｋＶの高電圧を印加することにより、熱電子放射陰極１１２から放射される電子Ｒｅを加速し、厚さ約２５０μｍのベリリウム（Ｂｅ）板材（Ｘ線透過窓基材）上に載置されたタングステン（Ｗ）で作成されたＸ線ターゲット１１１上に電子レンズ１１５により電子Ｒｅを集束させ、微小な点状Ｘ線源を得るようにしている。そして、Ｘ線ターゲット１１１上のＸ線源から発生する点状Ｘ線Ｒｘを用いて、大気中で試料１０２の内部を拡大投影し、ＩＩ（Image Intensifier）、ＣＣＤ又はＣＭＯＳ撮像素子で成る撮像管１０３で試料１０２内部の微細構造を非破壊で透視観察するようになっている。
【０００４】
電子源としては熱電子放射陰極１１２の他に、電流加熱と強電界により電子を放出する熱電界放射陰極も同様に使用されている。
【０００５】
このようなＸ線顕微装置において、Ｘ線ターゲット１１１に衝突した電子ＲｅはＸ線Ｒｘに変換されるが、その変換効率は１％以下と極めて低く、電子Ｒｅのエネルギーの殆どはＸ線ターゲット１１１で熱に変換される。ところで、Ｘ線は電荷を持たないため、電子のように電子レンズを用いて自由に曲げるということができない。そのため、大きな倍率を得るためには、試料１０２をＸ線ターゲット１１１の点状Ｘ線源にできるだけ近付け、試料１０２を透過して放射状に広がっていくＸ線Ｒｘをできるだけ距離をおいて配置された撮像管１０３で取り込み、画像にする必要がある。理論上は、試料１０２と撮像管１０３との間の距離を大きくとればとるほど倍率は上がるが、実際には単位面積当たりのＸ線量は距離の２乗に逆比例して減衰するため、撮像管１０３の感度と拡大された像のＸ線量との兼ね合いによって倍率の上限が決まってくる。
【０００６】
他方、試料１０２を透過したＸ線像の分解能については、Ｘ線源サイズ（焦点サイズ）が小さい方がボケ量が減って向上する。しかし、同じ熱電子放射陰極１１２を用いる場合、電子レンズ１１５で小さく集束するとＸ線源サイズを小さくできるが、それに含まれる電子線量がスポット径の２乗に逆比例して減少し、Ｘ線量もそれに応じて減少するので、最終的な分解能は撮像管１０３の感度との兼ね合いで決まり、ある限界を持っている。
【０００７】
ところで、Ｘ線顕微装置では水素と酸素から成る水滴や水分の観察は、いずれも軽元素であり、Ｘ線の吸収が少ないために従来不可能と考えられて来た。そのため、従来のＸ線顕微装置では、例えば燃料電池内で生成される水の観察はほとんどできなかった。
【０００８】
燃料電池内で生成される水の観察を説明すると、燃料電池内では発電時に水素（Ｈ２）と酸素（Ｏ２）が結合して水が生成される。この水が水素及び酸素の流れを妨げることによって、発電効率が大きく低下することが分かっている。しかし、どの部分からどのように水滴が発生し、成長していくのか、そのメカニズムは良く分かっていない。燃料電池内の水の生成メカニズムを解析することによって、燃料電池の性能向上に寄与することが期待されている。
【０００９】
燃料電池内の水滴の観察に関する従来技術として、熱中性子線による放射線画像、或いは核磁気共鳴装置（ＭＲＩ）による画像など、水分子中の水素を比較的検出し易いことを特徴とする観察方法によって観察はされているが、水滴発生の初期である１０〜数１０μｍの極く小さなものの観察は不可能であり、現在１００〜数１００μｍとかなり大きく成長したものしか観察されていないのが実情である。
【特許文献１】特開２００５−２２１３６２号公報
【特許文献２】特開２００３−２０７４６６号公報
【特許文献３】特許第４０２９２０９号公報
【非特許文献１】Kenji Oohashi, Keiji Yada, Kohei Shirota, Hiromi Kai, Yasushi Saito 「Low-Voltage Projection X-Ray Microscope for Inspection of Lighter Elements」 IMC 16 (Poster session:P7I_86, 2006.9.3〜9.8)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
現在のＸ線顕微装置では、試料中の軽元素から成る微細構造に対して充分な画像コントラストを得ることができないため、その改善が強く望まれている。また、燃料電池の発電時には水素と酸素が結合して水が生成されるが、この水がどの部分からどのように発生し、成長していくのか、そのメカニズムを解明することが期待されているが、その要請に応え得るＸ線顕微装置は出現していない。
【００１１】
また、従来ベリリウム製のＸ線透過窓基材の厚さは約２５０μｍであり、その厚さでの窓基材部のＸ線の吸収は少なく、問題となることはなかった。一方、軽元素観察のために長波長Ｘ線を使用する場合は、ベリリウム製窓基材の吸収が無視できなくなるため、吸収を少なくするために更に薄くする必要がある。従来、このＸ線透過窓基材を更に薄くすることは、次のような理由で考えられなかった。即ち、ベリリウムは塩素等を含むガスによって腐食し易く、また、内部的な構造からピンホールができ易いため、薄くすると真空漏れを起こし易くなり、Ｘ線透過窓基材を極く薄くする試みはなされていない。
【００１２】
本発明は上述のような事情によりなされたものであり、本発明の目的は、軽元素から成る微小な試料等に対しても充分な高分解能、高コントラストを得ることができ、in-situの状態で試料を観察することができる低加速電圧駆動型のＸ線顕微装置を提供することにある。
【００１３】
また、Ｘ線顕微装置で観察するに適した構造の燃料電池を提供することも本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、電子銃の電子源からの電子線をＸ線ターゲットに当ててＸ線を発生させるＸ線発生手段と、試料に照射された前記Ｘ線の透過Ｘ線を撮像素子で撮像する撮像手段とを具備したＸ線顕微装置に関し、本発明の上記目的は、前記電子線の加速電圧を６〜３０ｋＶとし、前記Ｘ線ターゲットを真空封止するＸ線透過窓基材がベリリウムで成り、前記Ｘ線透過窓基材の厚さが１０〜６０μｍであると共に、前記撮像手段の試料室が密封構成であり、前記試料室にガスを充填して前記試料の透過画像を前記撮像手段で得ることにより、或いは前記Ｘ線発生手段は波長０．１ｎｍ〜１．２ｎｍの長波長の特性Ｘ線を発生し、前記Ｘ線ターゲットを真空封止するＸ線透過窓基材がベリリウムで成り、前記Ｘ線透過窓基材の厚さが１０〜６０μｍであると共に、前記撮像手段の試料室が密封構成であり、前記試料室にガスを充填して前記試料の透過画像を前記撮像手段で得ることにより達成される。
【００１５】
また、本発明の上記目的は、前記ガスがヘリウムガスであることにより、或いは前記Ｘ線ターゲットがゲルマニウム、クロム、バナジウム又は金のいずれかで成っており、前記特性Ｘ線が前記ゲルマニウム、クロム又はバナジウムのＫα線、前記金のＭα線であることにより、或いは前記試料がステージ機構に載置若しくは保持され、前記ステージ機構により前記試料を移動、傾斜することにより立体観察が可能になっていることにより、より効果的に達成される。
【００１６】
また、本発明はＸ線観察用燃料電池であり、燃料電池本体の表裏に複数の穴が開けられている金属カバーを層設され、前記金属カバーの外表面若しくは内表面にそれぞれ高分子膜又はベリリウム板が層設されており、或いは前記高分子膜が機械的強度を有し、長波長Ｘ線を透過し易い特性を有している。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、波長０．１ｎｍ〜１．２ｎｍの長波長の特性Ｘ線をＸ線ターゲット及びＸ線透過窓基材で成るＸ線発生部から発生させ、１０μｍ〜６０μｍ厚のベリリウム板材を真空封止用のＸ線透過窓基材として使用し、ヘリウムガス室内で試料の透過画像を撮像するようにしているので、軽元素物質の試料であっても高分解能、高コントラストで観察することができる。
【００１８】
また、水素と酸素を電気化学反応させて電気を発生させる反応室内に水滴や水分が発生する様子、例えば燃料電池発電時の水滴発生のin-situ観察を、燃料電池本体の表裏に複数の穴が設けられた金属カバーを層設し、さらにその穴部を塞ぐように金属カバーの内表面若しくは外表面にベリリウム板又は高分子膜を層設することによって、高分解能、高コントラストで観察することができる。
【００１９】
更に同様に、ヘリウムガス室内での観察であるため、有機材料や水分を含む生物試料等に対しても、高分解能、高コントラストで観察することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
Ｘ線顕微装置ではＸ線の長波長成分ほど空気中での吸収を受け易い性質があり、波長０．１ｎｍ以上の長波長Ｘ線は、窒素、酸素などから成る空気層を僅かな距離だけ通るだけでも大幅に減衰してしまう。しかしながら、点状Ｘ線源であるＸ線ターゲットから撮像素子までの試料室を真空にするか、若しくは不活性気体であるヘリウムガスで充填することにより、波長０．１ｎｍ以上の長波長Ｘ線の減衰を抑制することができる。
【００２１】
また、試料中で炭素，酸素，窒素等の吸収を受けて生じる各元素成分に応じたコントラスト像は、空気中を進行中に長波長Ｘ線の成分ほど大きな吸収を受けるので、撮像素子に達したときは、長波長成分が失われた短波長成分を多く含んだ低コントラスト画像になってしまう。空気の代わりに真空又はＸ線吸収の少ないガスを用いるとＸ線の吸収が生じないので、試料のコントラスト像が劣化することなく撮像素子に伝達される。ヘリウムガスを充填された試料室内で観察するようにすれば、波長０．１ｎｍ以上の長波長Ｘ線を吸収し難く、真空に近い状態でＸ線を透過させることができる。真空下ではないので、試料の水分や有機物等の蒸発が起き難く、in-situ状態の観察が可能である。ヘリウムガスは軽いので、試料室内への封入操作が簡単であり、波長０．１〜１．２ｎｍ近傍の長波長Ｘ線は大気圧のヘリウムガスに対して殆ど吸収されない。
【００２２】
図１は、Ｘ線ターゲットにクロム（Ｃｒ）を使用して発生する特性Ｘ線Ｃｒ−Ｋα線（波長０．２２９ｎｍ）が、大気を構成する主要ガス（窒素Ｎ２、酸素Ｏ２）及びヘリウムガスの１気圧雰囲気中において進行する距離と強度がどのように減衰するかを示す特性図である。この特性図からも、ヘリウムガスの試料室内への導入が極めて有効であることが分かる。
【００２３】
一方、軽元素成分から構成される生物細胞（Ｃ，Ｏ，Ｎ）、水分（Ｏ）や有機物成分は短波長Ｘ線に対しては透過してしまうので、透明体と同じように振る舞い、像コントラストが付かないという性質を有することになるが、長波長Ｘ線に対しては吸収するので、元素の含有量に応じたコントラストの付いた画像が得られる。なお、炭素，酸素，窒素よりもＸ線吸収が小さいガスはヘリウムのみであり、他の不活性ガス（ネオン、アルゴン、キセノン等）は、炭素，酸素，窒素よりもＸ線吸収が大きく、本発明では使用することができない。
【００２４】
燃料電池の発電時の内部水滴発生の様子を的確に観察したり、軽元素から成る物質（例えば生物試料）のＸ線像のコントラストを増加したり、画質を向上することがＸ線顕微装置に強く求められているが、クロムＫα線（波長０．２２９ｎｍ）などの長波長の特性Ｘ線など、酸素に対して吸収係数の大きいＸ線を用いることによって、数１０μｍの水滴や水分の観察が可能であることが本発明者によって知見された。そのため、本発明に用いるＸ線観察可能な燃料電池では、燃料電池本体の表裏に複数の穴が設けられた金属ケースを層設すると共に、さらにその内側表面若しくは外側表面にそれぞれ薄い高分子膜又はベリリウム板を層設することによって、発電中の燃料電池内をＸ線が効率良く通るような構造にしている。燃料電池内は１気圧より僅かに高いことが望まれるため、燃料電池をＸ線観察のために真空中に置く場合は、燃料電池の内外圧差に高分子膜又はベリリウム板が耐える必要があるので高分子膜又はベリリウム板が厚くなり、そのために高分子膜又はベリリウム板中での長波長成分が大きな吸収を受けてしまう。その結果、長波長の特性Ｘ線を有効利用することができず、良い画像の撮像が望めなくなる。そのため、高分子膜又はベリリウム板は長波長の特性Ｘ線を充分透過し、しかも機械的強度を有する丈夫な薄い膜を用いることが重要である。
【００２５】
一方、Ｘ線顕微装置の金属製筐体内部を真空とせずに、燃料電池内と同程度の圧力でヘリウムガスを封入することにより、燃料電池に層設した高分子膜又はベリリウム板に気圧差が加わらなくなるので、膜厚を薄くでき、長波長の特性Ｘ線の損失を最小にすることができる。
【００２６】
Ｘ線ターゲットの材料の選択条件は下記条件となる。即ち、電子ビームが衝突して局所的に高温になるため融点温度が高いこと、真空中で使用するため蒸気圧が低いこと、Ｘ線ターゲットの熱を放熱する必要があるため熱伝導率が良いこと、電子による帯電を防止する必要があるため電気伝導率が良いこと、試料観察に適した波長λの特性Ｘ線を発生できることといった条件が必要であり、波長λ＝０．１ｎｍ〜１．２ｎｍの長波長に適したターゲット材及び特性Ｘ線の組み合わせは、下記表１の通りである。電子線の加速電圧に応じて、Ｘ線ターゲットで発生する特性Ｘ線と連続Ｘ線の波長スペクトルが変化するが、軽元素成分の観察では、加速電圧を発生させたい特性Ｘ線のエネルギー（ｅＶ）の２〜３倍の値にとると、コントラストの良い画像が得られた。
【００２７】
【表１】
以上の理由により、本発明では低加速電圧（６〜３０ｋＶ程度）によって波長０．１ｎｍ〜１．２ｎｍの長波長の特性Ｘ線を発生して試料に照射すると共に、Ｘ線ターゲット及びＸ線透過窓基材で成るＸ線発生部、試料から撮像管（撮像素子）までの試料室を密封して不活性ガス（ヘリウムガス）で充填させ、試料の透過Ｘ線を撮像管で撮像する。試料室をヘリウムガスで充填することにより、波長０．１ｎｍ以上、１．２ｎｍ以下の長波長の特性Ｘ線を有効に用いることが可能となる。また、Ｘ線ターゲット材にクロム（Ｃｒ）を使用した実施例では、Ｘ線発生部の長波長成分の吸収を少なくするため、厚さが約６０μｍのベリリウム板材で成る真空封止用のＸ線透過窓基材に、クロムを約１．３μｍ厚さに真空蒸着して作成したものを使用する。そして、加速電圧を約１５ｋＶにすることにより、軽元素物質の試料、微小な生物、水であっても、高分解能、高コントラストに観察することができるようにしている。
【００２８】
更に燃料電池の観察に対しては、Ｘ線観察用の穴を複数設けられた金属カバーを電池本体の表裏に層設すると共に、更にその内側表面に機械的な強度があり、長波長Ｘ線を透過する薄い高分子膜又はベリリウム板をそれぞれ層設した燃料電池構造とし、その燃料電池を試料室内のステージ機構に載置若しくは保持し、燃料電池内部に発生する１０μｍ程度の極く初期の水滴や水分も観察できるようにしている。また、ステージ機構は載置若しくは保持した試料（燃料電池）を移動、旋回させることができ、立体的な観察が可能である。なお、高分子膜又はベリリウム板は金属カバーの各内側表面である必要はなく、各外側表面に層設することによっても同様の効果を得ることができる。
【００２９】
以下に、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００３０】
図２は本発明に係るＸ線顕微装置の構成例を示す断面構造図であり、Ｘ線発生手段としての開放型Ｘ線管１０と、Ｘ線管１０から放射されるＸ線をステージ機構２１上の試料（被検査体）２２に照射して撮像するＩＩ、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ撮像素子等で成る撮像管２３を具備した撮像手段２０とで構成されている。開放型Ｘ線管１０は図９で説明した開放型Ｘ線管１１０とほぼ同様な構成であり、印加電圧が６〜３０ｋＶの低電圧である点のみが異なっている。即ち、熱電子放射陰極（図示せず）又は熱電界放射陰極から放射される電子を低電圧印加のアノード（図示せず）で加速し、その電子を電子レンズ（図示せず）によりＸ線発生部１６のＸ線ターゲット１１に集束させ、微小な点状Ｘ線源を得る。発生するＸ線の波長成分は、連続Ｘ線成分と特性Ｘ線成分から成っており、前者は主にアノードへの印加電圧で決まり、後者はＸ線ターゲット板の元素の種類及びアノードへの印加電圧で決まる。
【００３１】
また、撮像部２０は密封性試料室を形成する金属製筐体２４で構成され、金属製筐体２４の上部の開口部には、Ｘ線ターゲット１１及びＸ線透過窓基材１４で成るＸ線発生部１６が位置するようにＸ線管１０に連結されている。試料室上方にはステージ機構２１が設けられており、ステージ機構２１上に試料２２が載置若しくは保持され、Ｘ線ターゲット１１の点状Ｘ線源から放射されるＸ線が、Ｘ線透過窓基材１４を経て試料２２に照射されるようになっている。試料２２に照射されたＸ線は試料２２の内部で吸収を受けて減衰し、吸収によるコントラスト像が拡大投影されて試料室下方の撮像管２３で画像として撮像される。筐体２４には、試料２２をステージ機構２１上に載置若しくは保持したり、交換するための試料交換扉２５が設けられると共に、内部の試料２２を外部から目視観察するための観察窓２６が設けられており、更に内部を真空にするための真空ポンプ及び弁に連結された真空排気管２７が設けられ、内部にヘリウムガスを導入するガス導入管２８が弁を経て連結されている。
【００３２】
図３はＸ線発生部１６の構造例を一部断面構造で示しており、Ｘ線管１０の底部のターゲットホルダ１２に設けられている照射窓１３を塞ぐようにして、ベリリウム製の厚さｄ２＝１０〜６０μｍのＸ線透過窓基材１４及びクロム製のＸ線ターゲット１１で成るＸ線発生部１６が、ろう付け１５（又は接着剤）によりターゲットホルダ１２に装着されている。本例ではＸ線ターゲット１１の径Ｄ２は約３ｍｍ、Ｘ線透過窓基材１４の径Ｄ３は約４ｍｍであり、照射窓１３の径Ｄ１はＸ線透過窓基材１４の厚さｄ２に依存させる構造となっている。
【００３３】
Ｘ線発生部１６の照射窓１３のある面は真空であるのに対して、反対側の面は大気圧を受けるので、Ｘ線発生部１６はこの気圧差によって生じる応力に耐える必要がある。そのために、Ｘ線透過窓基材１４の厚さｄ２が薄いほど、径Ｄ１を小さくする必要がある。Ｘ線透過窓基材１４の厚さが、例えば６０μｍ厚のときに径Ｄ１＝１．５ｍｍφ以下、１０μｍ厚のときに径Ｄ１＝１．０ｍｍφ以下が望ましい。
【００３４】
ここで、本発明で使用するＸ線透過窓基材１４について説明する。必要な特性として長波長Ｘ線の透過性が良く、Ｘ線管１１０内の真空と外気の大気圧差に耐える程度に機械的強度が強く、Ｘ線ターゲット１１で発生する熱をＸ線管容器に伝達し、Ｘ線ターゲット１１の温度を下げるように熱伝導性が高い必要がある。Ｘ線透過窓基材１４の材料は、Ｘ線の透過率が高く、波長０．１ｎｍ〜１．２ｎｍの長波長Ｘ線に対しても吸収が少ないベリリウムを使用する。汎用Ｘ線管では、主に製造コストの点からアルミニウム材、セラミックス材、ガラス材が用いられる場合もあるが、低加速電圧用のＸ線管ではベリリウム材が使われている。また、ベリリウム材の大きさは約２５０μm厚×約１０mmφのものが使用されている。
【００３５】
そして、本発明では、波長０．１ｎｍ〜１．２ｎｍの長波長の特性Ｘ線に対するベリリウム内部（Ｘ線透過窓基材１４）の吸収による減衰を少なくするため、Ｘ線透過窓基材１４を従来よりも薄くする。図４は、波長０．１ｎｍと１．０ｎｍのＸ線のベリリウムの厚さに対する透過度を示す特性図であり、ベリリウム窓厚を１０μｍとすることで、波長１．０ｎｍに対しても５０％以上のＸ線透過が実現できる。また、ベリリウム厚の薄さに合わせてターゲットホルダ１２の照射窓１３の開口径Ｄ１を小さくして、大気圧が加わる面積を減らして、ベリリウム基材への応力を小さくするようにしている。また、ベリリウム材は大気中の腐食性ガス成分、例えば塩素成分による腐食を受けやすく、また内部構造上の欠陥のためにピンホールを生じやすい性質があり、これが顕在化すると、Ｘ線管内の真空度が低下して故障の原因となる。従って、本発明では、Ｘ線吸収による減衰強度とピンホール発生の兼ね合いから、厚さｄ２＝１０〜６０μmのＸ線透過窓基材１４を採用している。
【００３６】
Ｘ線ターゲット１１は、例えば次のように作成する。即ち、ベルジャー（釣鐘状のガラス容器）の中にベリリウム製Ｘ線透過窓基材の鏡面研磨面側と蒸着物を向き合わせて配置し、真空ポンプで空気を抜いて真空状態（10-3〜10-4 Pa）にする。次に、タングステンバスケット中に置いた蒸着物（顆粒状クロム）を抵抗加熱により溶融すると、霧状になって窓基材に付着する。蒸着厚さは蒸着物の質量、窓基材と蒸着物との間の距離、蒸着時間等によってコントロールする。最適な蒸着厚は元素によって異なるが、クロムの場合、厚さｄ１＝１．３μｍの場合、良好なコントラスト像が得られた。蒸着層の厚さは触針式表面形状測定器等を用いて測定できる。銅（Ｃｕ），タングステン（Ｗ），白金（Ｐｔ），チタン（Ｔｉ），バナジウム（Ｖ），タンタル（Ｔａ）等の蒸着には、スパッタリング法も使用することができる。
【００３７】
なお、ステージ機構２１はモータを具備した駆動機構（図示せず）に連結されており、ステージ機構２１上に載置若しくは保持された試料２２を照射Ｘ線に対して移動、傾動させたり、必要に応じて回転させることができ、試料２２を立体的にかつあらゆる方向から観察することができるようになっている。なお、立体観察には回転は必ずしも必要ではないが、回転があれば見やすい方向に調整しての観察が可能である。
【００３８】
図５はステージ機構２１の機構例を概略的に示しており、試料２２をｘｙ方向の水平方向に移動させるｘｙステージ２１Ａと、試料２２を鉛直方向（ｚ軸）に移動させて透視拡大倍率を変更するｚステージ２１Ｂと、試料２２を視野内でＸ線ビーム回りに回転させる回転ステージ２１Ｃと、試料２２をＸ線ビーム軸に対して傾斜（θ）させる傾斜ステージ２１Ｄとで構成された５軸駆動機構になっている。
【００３９】
一方、図６は本発明のＸ線顕微装置で観察するために改造された燃料電池３０の断面構造例を模式的に示しており、縦（厚さ）方向の倍率を横方向の５倍程度に拡大して示している。層状のサブストレート、触媒層、多孔質膜、電解質膜等で成る燃料電池本体３１の表裏面には、それぞれＸ線像観察用の穴３２Ａ及び３３Ａが複数設けられた金属カバー３２及び３３が層設されており、その金属カバー３２及び３３の各内側表面には更に、機械的強度があり、Ｘ線を透過し易いポリイミドフィルム（例えばデュポン社のカプトン（登録商標））やポリエステルフィルムなどで成る高分子膜３４及び３５がそれぞれ層設されている。これにより、波長０．１ｎｍ〜１．２ｎｍの長波長Ｘ線が穴３２Ａ及び３３Ａを通過すると共に、高分子膜３４及び３５を通過するので、燃料電池本体３１から生じる水分を的確に観察することができる。高分子膜３４及び３５に代えて、ベリリウム板を用いるようにしても良い。
【００４０】
また、図７は燃料電池３０を立体的に観察する様子を示しており、ステージ機構２１のｘｙステージ２１Ａで燃料電池３０を水平移動（ｘｙ）させると共に、傾斜ステージ２１Ｄによって燃料電池３０を傾斜（θ）させることによって、任意位置での立体的な観察が可能であることを示している。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】Ｘ線の減衰特性の一例を示す特性図である。
【図２】本発明に係るＸ線顕微装置の構成例を示す断面構造図である。
【図３】本発明に係るＸ線発生部の構造例を示す一部断面図である。
【図４】Ｘ線透過窓基材にベリリウムを用いた場合の長波長Ｘ線の減衰特性を示す図である。
【図５】ステージ機構の構成例を示す機構図である。
【図６】本発明の観察に用いる燃料電池の構造例を示す模式的断面図である。
【図７】燃料電池の観測例を説明するための図である。
【図８】従来の一般的なＸ線顕微装置の一例を示す断面構造図である。
【図９】開放型Ｘ線管の構成例を示す断面構造図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０ 開放型Ｘ線管
１１ Ｘ線ターゲット
１２ ターゲットホルダ
１３ 照射窓
１４ Ｘ線透過窓基材
１５ ろう付け
１６ Ｘ線発生部
２０ 撮像手段
２１ ステージ機構
２２ 試料
２３ 撮像管
２４ 金属製筐体
２５ 試料交換扉
２６ 観察窓
２７ 真空排気管
２８ ガス導入管
３０ 燃料電池
３１ 燃料電池本体
３２、３３ 金属カバー
３４、３５ 高分子膜
１００ Ｘ線顕微装置
１０１ ステージ機構
１０２ 試料
１０３ 撮像管
１１０ 開放型Ｘ線管
１１１ Ｘ線ターゲット
１１２ 熱電子放射陰極
１１３ グリッド
１１４ アノード
１１５ 電子レンズ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線を試料（被検査体）に照射して観察（若しくは検査）を行うＸ線顕微装置に関し、特に真空封止用のＸ線透過窓基材として１０〜６０μｍの薄いベリリウム（Ｂｅ）板材を用いると共に、Ｘ線発生部で０．１ｎｍ〜１．２ｎｍの長波長の特性Ｘ線を発生させ、ヘリウム（Ｈｅ）ガス内で試料を観察するようにした低加速電圧駆動型のＸ線顕微装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図８は従来のＸ線顕微装置１００の構造例を示しており、図９はＸ線発生手段としての開放型Ｘ線管１１０の内部構成例を示している。Ｘ線顕微装置１００の上部には電子線を発生してＸ線ターゲット１１１に照射するＸ線管１１０が配設され、Ｘ線ターゲット１１１から放射されたＸ線がステージ機構１０１に載置若しくは保持された試料１０２を透過し、その透過Ｘ線が下方に配設された撮像手段としての撮像管１０３に取り込まれる。なお、試料１０２周りは外部へのＸ線漏洩を防ぐためのカバー（図示せず）が配置され、試料１０２は大気中に置かれる。また、Ｘ線像の幾何拡大倍率を稼ぐために、試料１０２はＸ線ターゲット１１１の近くに置かれ、適当に離れた位置に撮像管１０３が配置される。
【０００３】
開放型Ｘ線管１１０では図９に示すように、内部を真空ポンプ（図示せず）により真空状態に排気し、電子源として電流加熱により熱電子を放出する熱電子放射陰極１１２を用い、熱電子放射陰極１１２とアノード１１４との間に４０ｋＶ〜１２０ｋＶの高電圧を印加することにより、熱電子放射陰極１１２から放射される電子Ｒｅを加速し、厚さ約２５０μｍのベリリウム（Ｂｅ）板材（Ｘ線透過窓基材）上に載置されたタングステン（Ｗ）で作成されたＸ線ターゲット１１１上に電子レンズ１１５により電子Ｒｅを集束させ、微小な点状Ｘ線源を得るようにしている。そして、Ｘ線ターゲット１１１上のＸ線源から発生する点状Ｘ線Ｒｘを用いて、大気中で試料１０２の内部を拡大投影し、ＩＩ（Image Intensifier）、ＣＣＤ又はＣＭＯＳ撮像素子で成る撮像管１０３で試料１０２内部の微細構造を非破壊で透視観察するようになっている。
【０００４】
電子源としては熱電子放射陰極１１２の他に、電流加熱と強電界により電子を放出する熱電界放射陰極も同様に使用されている。
【０００５】
このようなＸ線顕微装置において、Ｘ線ターゲット１１１に衝突した電子ＲｅはＸ線Ｒｘに変換されるが、その変換効率は１％以下と極めて低く、電子Ｒｅのエネルギーの殆どはＸ線ターゲット１１１で熱に変換される。ところで、Ｘ線は電荷を持たないため、電子のように電子レンズを用いて自由に曲げるということができない。そのため、大きな倍率を得るためには、試料１０２をＸ線ターゲット１１１の点状Ｘ線源にできるだけ近付け、試料１０２を透過して放射状に広がっていくＸ線Ｒｘをできるだけ距離をおいて配置された撮像管１０３で取り込み、画像にする必要がある。理論上は、試料１０２と撮像管１０３との間の距離を大きくとればとるほど倍率は上がるが、実際には単位面積当たりのＸ線量は距離の２乗に逆比例して減衰するため、撮像管１０３の感度と拡大された像のＸ線量との兼ね合いによって倍率の上限が決まってくる。
【０００６】
他方、試料１０２を透過したＸ線像の分解能については、Ｘ線源サイズ（焦点サイズ）が小さい方がボケ量が減って向上する。しかし、同じ熱電子放射陰極１１２を用いる場合、電子レンズ１１５で小さく集束するとＸ線源サイズを小さくできるが、それに含まれる電子線量がスポット径の２乗に逆比例して減少し、Ｘ線量もそれに応じて減少するので、最終的な分解能は撮像管１０３の感度との兼ね合いで決まり、ある限界を持っている。
【０００７】
ところで、Ｘ線顕微装置では水素と酸素から成る水滴や水分の観察は、いずれも軽元素であり、Ｘ線の吸収が少ないために従来不可能と考えられて来た。そのため、従来のＸ線顕微装置では、例えば燃料電池内で生成される水の観察はほとんどできなかった。
【０００８】
燃料電池内で生成される水の観察を説明すると、燃料電池内では発電時に水素（Ｈ２）と酸素（Ｏ２）が結合して水が生成される。この水が水素及び酸素の流れを妨げることによって、発電効率が大きく低下することが分かっている。しかし、どの部分からどのように水滴が発生し、成長していくのか、そのメカニズムは良く分かっていない。燃料電池内の水の生成メカニズムを解析することによって、燃料電池の性能向上に寄与することが期待されている。
【０００９】
燃料電池内の水滴の観察に関する従来技術として、熱中性子線による放射線画像、或いは核磁気共鳴装置（ＭＲＩ）による画像など、水分子中の水素を比較的検出し易いことを特徴とする観察方法によって観察はされているが、水滴発生の初期である１０〜数１０μｍの極く小さなものの観察は不可能であり、現在１００〜数１００μｍとかなり大きく成長したものしか観察されていないのが実情である。
【特許文献１】特開２００５−２２１３６２号公報
【特許文献２】特開２００３−２０７４６６号公報
【特許文献３】特許第４０２９２０９号公報
【非特許文献１】Kenji Oohashi, Keiji Yada, Kohei Shirota, Hiromi Kai, Yasushi Saito 「Low-Voltage Projection X-Ray Microscope for Inspection of Lighter Elements」 IMC 16 (Poster session:P7I_86, 2006.9.3〜9.8)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
現在のＸ線顕微装置では、試料中の軽元素から成る微細構造に対して充分な画像コントラストを得ることができないため、その改善が強く望まれている。また、燃料電池の発電時には水素と酸素が結合して水が生成されるが、この水がどの部分からどのように発生し、成長していくのか、そのメカニズムを解明することが期待されているが、その要請に応え得るＸ線顕微装置は出現していない。
【００１１】
また、従来ベリリウム製のＸ線透過窓基材の厚さは約２５０μｍであり、その厚さでの窓基材部のＸ線の吸収は少なく、問題となることはなかった。一方、軽元素観察のために長波長Ｘ線を使用する場合は、ベリリウム製窓基材の吸収が無視できなくなるため、吸収を少なくするために更に薄くする必要がある。従来、このＸ線透過窓基材を更に薄くすることは、次のような理由で考えられなかった。即ち、ベリリウムは塩素等を含むガスによって腐食し易く、また、内部的な構造からピンホールができ易いため、薄くすると真空漏れを起こし易くなり、Ｘ線透過窓基材を極く薄くする試みはなされていない。
【００１２】
本発明は上述のような事情によりなされたものであり、本発明の目的は、軽元素から成る微小な試料等に対しても充分な高分解能、高コントラストを得ることができ、in-situの状態で試料を観察することができる低加速電圧駆動型のＸ線顕微装置を提供することにある。
【００１３】
また、Ｘ線顕微装置で観察するに適した構造の燃料電池を提供することも本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、電子銃の電子源からの電子線をＸ線ターゲットに当ててＸ線を発生させるＸ線発生手段と、試料に照射された前記Ｘ線の透過Ｘ線を撮像素子で撮像する撮像手段とを具備したＸ線顕微装置に関し、本発明の上記目的は、前記電子線の加速電圧を６〜３０ｋＶとし、前記Ｘ線ターゲットを真空封止するＸ線透過窓基材がベリリウムで成り、前記Ｘ線透過窓基材の厚さが１０〜６０μｍであると共に、前記撮像手段の試料室が密封構成であり、前記試料室にガスを充填して前記試料の透過画像を前記撮像手段で得ることにより、或いは前記Ｘ線発生手段は波長０．１ｎｍ〜１．２ｎｍの長波長の特性Ｘ線を発生し、前記Ｘ線ターゲットを真空封止するＸ線透過窓基材がベリリウムで成り、前記Ｘ線透過窓基材の厚さが１０〜６０μｍであると共に、前記撮像手段の試料室が密封構成であり、前記試料室にガスを充填して前記試料の透過画像を前記撮像手段で得ることにより達成される。
【００１５】
また、本発明の上記目的は、前記ガスがヘリウムガスであることにより、或いは前記Ｘ線ターゲットがゲルマニウム、クロム、バナジウム又は金のいずれかで成っており、前記特性Ｘ線が前記ゲルマニウム、クロム又はバナジウムのＫα線、前記金のＭα線であることにより、或いは前記試料がステージ機構に載置若しくは保持され、前記ステージ機構により前記試料を移動、傾斜することにより立体観察が可能になっていることにより、より効果的に達成される。
【００１６】
また、本発明はＸ線観察用燃料電池であり、燃料電池本体の表裏に複数の穴が開けられている金属カバーを層設され、前記金属カバーの外表面若しくは内表面にそれぞれ高分子膜又はベリリウム板が層設されており、或いは前記高分子膜が機械的強度を有し、長波長Ｘ線を透過し易い特性を有している。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、波長０．１ｎｍ〜１．２ｎｍの長波長の特性Ｘ線をＸ線ターゲット及びＸ線透過窓基材で成るＸ線発生部から発生させ、１０μｍ〜６０μｍ厚のベリリウム板材を真空封止用のＸ線透過窓基材として使用し、ヘリウムガス室内で試料の透過画像を撮像するようにしているので、軽元素物質の試料であっても高分解能、高コントラストで観察することができる。
【００１８】
また、水素と酸素を電気化学反応させて電気を発生させる反応室内に水滴や水分が発生する様子、例えば燃料電池発電時の水滴発生のin-situ観察を、燃料電池本体の表裏に複数の穴が設けられた金属カバーを層設し、さらにその穴部を塞ぐように金属カバーの内表面若しくは外表面にベリリウム板又は高分子膜を層設することによって、高分解能、高コントラストで観察することができる。
【００１９】
更に同様に、ヘリウムガス室内での観察であるため、有機材料や水分を含む生物試料等に対しても、高分解能、高コントラストで観察することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
Ｘ線顕微装置ではＸ線の長波長成分ほど空気中での吸収を受け易い性質があり、波長０．１ｎｍ以上の長波長Ｘ線は、窒素、酸素などから成る空気層を僅かな距離だけ通るだけでも大幅に減衰してしまう。しかしながら、点状Ｘ線源であるＸ線ターゲットから撮像素子までの試料室を真空にするか、若しくは不活性気体であるヘリウムガスで充填することにより、波長０．１ｎｍ以上の長波長Ｘ線の減衰を抑制することができる。
【００２１】
また、試料中で炭素，酸素，窒素等の吸収を受けて生じる各元素成分に応じたコントラスト像は、空気中を進行中に長波長Ｘ線の成分ほど大きな吸収を受けるので、撮像素子に達したときは、長波長成分が失われた短波長成分を多く含んだ低コントラスト画像になってしまう。空気の代わりに真空又はＸ線吸収の少ないガスを用いるとＸ線の吸収が生じないので、試料のコントラスト像が劣化することなく撮像素子に伝達される。ヘリウムガスを充填された試料室内で観察するようにすれば、波長０．１ｎｍ以上の長波長Ｘ線を吸収し難く、真空に近い状態でＸ線を透過させることができる。真空下ではないので、試料の水分や有機物等の蒸発が起き難く、in-situ状態の観察が可能である。ヘリウムガスは軽いので、試料室内への封入操作が簡単であり、波長０．１〜１．２ｎｍ近傍の長波長Ｘ線は大気圧のヘリウムガスに対して殆ど吸収されない。
【００２２】
図１は、Ｘ線ターゲットにクロム（Ｃｒ）を使用して発生する特性Ｘ線Ｃｒ−Ｋα線（波長０．２２９ｎｍ）が、大気を構成する主要ガス（窒素Ｎ２、酸素Ｏ２）及びヘリウムガスの１気圧雰囲気中において進行する距離と強度がどのように減衰するかを示す特性図である。この特性図からも、ヘリウムガスの試料室内への導入が極めて有効であることが分かる。
【００２３】
一方、軽元素成分から構成される生物細胞（Ｃ，Ｏ，Ｎ）、水分（Ｏ）や有機物成分は短波長Ｘ線に対しては透過してしまうので、透明体と同じように振る舞い、像コントラストが付かないという性質を有することになるが、長波長Ｘ線に対しては吸収するので、元素の含有量に応じたコントラストの付いた画像が得られる。なお、炭素，酸素，窒素よりもＸ線吸収が小さいガスはヘリウムのみであり、他の不活性ガス（ネオン、アルゴン、キセノン等）は、炭素，酸素，窒素よりもＸ線吸収が大きく、本発明では使用することができない。
【００２４】
燃料電池の発電時の内部水滴発生の様子を的確に観察したり、軽元素から成る物質（例えば生物試料）のＸ線像のコントラストを増加したり、画質を向上することがＸ線顕微装置に強く求められているが、クロムＫα線（波長０．２２９ｎｍ）などの長波長の特性Ｘ線など、酸素に対して吸収係数の大きいＸ線を用いることによって、数１０μｍの水滴や水分の観察が可能であることが本発明者によって知見された。そのため、本発明に用いるＸ線観察可能な燃料電池では、燃料電池本体の表裏に複数の穴が設けられた金属ケースを層設すると共に、さらにその内側表面若しくは外側表面にそれぞれ薄い高分子膜又はベリリウム板を層設することによって、発電中の燃料電池内をＸ線が効率良く通るような構造にしている。燃料電池内は１気圧より僅かに高いことが望まれるため、燃料電池をＸ線観察のために真空中に置く場合は、燃料電池の内外圧差に高分子膜又はベリリウム板が耐える必要があるので高分子膜又はベリリウム板が厚くなり、そのために高分子膜又はベリリウム板中での長波長成分が大きな吸収を受けてしまう。その結果、長波長の特性Ｘ線を有効利用することができず、良い画像の撮像が望めなくなる。そのため、高分子膜又はベリリウム板は長波長の特性Ｘ線を充分透過し、しかも機械的強度を有する丈夫な薄い膜を用いることが重要である。
【００２５】
一方、Ｘ線顕微装置の金属製筐体内部を真空とせずに、燃料電池内と同程度の圧力でヘリウムガスを封入することにより、燃料電池に層設した高分子膜又はベリリウム板に気圧差が加わらなくなるので、膜厚を薄くでき、長波長の特性Ｘ線の損失を最小にすることができる。
【００２６】
Ｘ線ターゲットの材料の選択条件は下記条件となる。即ち、電子ビームが衝突して局所的に高温になるため融点温度が高いこと、真空中で使用するため蒸気圧が低いこと、Ｘ線ターゲットの熱を放熱する必要があるため熱伝導率が良いこと、電子による帯電を防止する必要があるため電気伝導率が良いこと、試料観察に適した波長λの特性Ｘ線を発生できることといった条件が必要であり、波長λ＝０．１ｎｍ〜１．２ｎｍの長波長に適したターゲット材及び特性Ｘ線の組み合わせは、下記表１の通りである。電子線の加速電圧に応じて、Ｘ線ターゲットで発生する特性Ｘ線と連続Ｘ線の波長スペクトルが変化するが、軽元素成分の観察では、加速電圧を発生させたい特性Ｘ線のエネルギー（ｅＶ）の２〜３倍の値にとると、コントラストの良い画像が得られた。
【００２７】
【表１】
以上の理由により、本発明では低加速電圧（６〜３０ｋＶ程度）によって波長０．１ｎｍ〜１．２ｎｍの長波長の特性Ｘ線を発生して試料に照射すると共に、Ｘ線ターゲット及びＸ線透過窓基材で成るＸ線発生部、試料から撮像管（撮像素子）までの試料室を密封して不活性ガス（ヘリウムガス）で充填させ、試料の透過Ｘ線を撮像管で撮像する。試料室をヘリウムガスで充填することにより、波長０．１ｎｍ以上、１．２ｎｍ以下の長波長の特性Ｘ線を有効に用いることが可能となる。また、Ｘ線ターゲット材にクロム（Ｃｒ）を使用した実施例では、Ｘ線発生部の長波長成分の吸収を少なくするため、厚さが約６０μｍのベリリウム板材で成る真空封止用のＸ線透過窓基材に、クロムを約１．３μｍ厚さに真空蒸着して作成したものを使用する。そして、加速電圧を約１５ｋＶにすることにより、軽元素物質の試料、微小な生物、水であっても、高分解能、高コントラストに観察することができるようにしている。
【００２８】
更に燃料電池の観察に対しては、Ｘ線観察用の穴を複数設けられた金属カバーを電池本体の表裏に層設すると共に、更にその内側表面に機械的な強度があり、長波長Ｘ線を透過する薄い高分子膜又はベリリウム板をそれぞれ層設した燃料電池構造とし、その燃料電池を試料室内のステージ機構に載置若しくは保持し、燃料電池内部に発生する１０μｍ程度の極く初期の水滴や水分も観察できるようにしている。また、ステージ機構は載置若しくは保持した試料（燃料電池）を移動、旋回させることができ、立体的な観察が可能である。なお、高分子膜又はベリリウム板は金属カバーの各内側表面である必要はなく、各外側表面に層設することによっても同様の効果を得ることができる。
【００２９】
以下に、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００３０】
図２は本発明に係るＸ線顕微装置の構成例を示す断面構造図であり、Ｘ線発生手段としての開放型Ｘ線管１０と、Ｘ線管１０から放射されるＸ線をステージ機構２１上の試料（被検査体）２２に照射して撮像するＩＩ、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ撮像素子等で成る撮像管２３を具備した撮像手段２０とで構成されている。開放型Ｘ線管１０は図９で説明した開放型Ｘ線管１１０とほぼ同様な構成であり、印加電圧が６〜３０ｋＶの低電圧である点のみが異なっている。即ち、熱電子放射陰極（図示せず）又は熱電界放射陰極から放射される電子を低電圧印加のアノード（図示せず）で加速し、その電子を電子レンズ（図示せず）によりＸ線発生部１６のＸ線ターゲット１１に集束させ、微小な点状Ｘ線源を得る。発生するＸ線の波長成分は、連続Ｘ線成分と特性Ｘ線成分から成っており、前者は主にアノードへの印加電圧で決まり、後者はＸ線ターゲット板の元素の種類及びアノードへの印加電圧で決まる。
【００３１】
また、撮像部２０は密封性試料室を形成する金属製筐体２４で構成され、金属製筐体２４の上部の開口部には、Ｘ線ターゲット１１及びＸ線透過窓基材１４で成るＸ線発生部１６が位置するようにＸ線管１０に連結されている。試料室上方にはステージ機構２１が設けられており、ステージ機構２１上に試料２２が載置若しくは保持され、Ｘ線ターゲット１１の点状Ｘ線源から放射されるＸ線が、Ｘ線透過窓基材１４を経て試料２２に照射されるようになっている。試料２２に照射されたＸ線は試料２２の内部で吸収を受けて減衰し、吸収によるコントラスト像が拡大投影されて試料室下方の撮像管２３で画像として撮像される。筐体２４には、試料２２をステージ機構２１上に載置若しくは保持したり、交換するための試料交換扉２５が設けられると共に、内部の試料２２を外部から目視観察するための観察窓２６が設けられており、更に内部を真空にするための真空ポンプ及び弁に連結された真空排気管２７が設けられ、内部にヘリウムガスを導入するガス導入管２８が弁を経て連結されている。
【００３２】
図３はＸ線発生部１６の構造例を一部断面構造で示しており、Ｘ線管１０の底部のターゲットホルダ１２に設けられている照射窓１３を塞ぐようにして、ベリリウム製の厚さｄ２＝１０〜６０μｍのＸ線透過窓基材１４及びクロム製のＸ線ターゲット１１で成るＸ線発生部１６が、ろう付け１５（又は接着剤）によりターゲットホルダ１２に装着されている。本例ではＸ線ターゲット１１の径Ｄ２は約３ｍｍ、Ｘ線透過窓基材１４の径Ｄ３は約４ｍｍであり、照射窓１３の径Ｄ１はＸ線透過窓基材１４の厚さｄ２に依存させる構造となっている。
【００３３】
Ｘ線発生部１６の照射窓１３のある面は真空であるのに対して、反対側の面は大気圧を受けるので、Ｘ線発生部１６はこの気圧差によって生じる応力に耐える必要がある。そのために、Ｘ線透過窓基材１４の厚さｄ２が薄いほど、径Ｄ１を小さくする必要がある。Ｘ線透過窓基材１４の厚さが、例えば６０μｍ厚のときに径Ｄ１＝１．５ｍｍφ以下、１０μｍ厚のときに径Ｄ１＝１．０ｍｍφ以下が望ましい。
【００３４】
ここで、本発明で使用するＸ線透過窓基材１４について説明する。必要な特性として長波長Ｘ線の透過性が良く、Ｘ線管１１０内の真空と外気の大気圧差に耐える程度に機械的強度が強く、Ｘ線ターゲット１１で発生する熱をＸ線管容器に伝達し、Ｘ線ターゲット１１の温度を下げるように熱伝導性が高い必要がある。Ｘ線透過窓基材１４の材料は、Ｘ線の透過率が高く、波長０．１ｎｍ〜１．２ｎｍの長波長Ｘ線に対しても吸収が少ないベリリウムを使用する。汎用Ｘ線管では、主に製造コストの点からアルミニウム材、セラミックス材、ガラス材が用いられる場合もあるが、低加速電圧用のＸ線管ではベリリウム材が使われている。また、ベリリウム材の大きさは約２５０μm厚×約１０mmφのものが使用されている。
【００３５】
そして、本発明では、波長０．１ｎｍ〜１．２ｎｍの長波長の特性Ｘ線に対するベリリウム内部（Ｘ線透過窓基材１４）の吸収による減衰を少なくするため、Ｘ線透過窓基材１４を従来よりも薄くする。図４は、波長０．１ｎｍと１．０ｎｍのＸ線のベリリウムの厚さに対する透過度を示す特性図であり、ベリリウム窓厚を１０μｍとすることで、波長１．０ｎｍに対しても５０％以上のＸ線透過が実現できる。また、ベリリウム厚の薄さに合わせてターゲットホルダ１２の照射窓１３の開口径Ｄ１を小さくして、大気圧が加わる面積を減らして、ベリリウム基材への応力を小さくするようにしている。また、ベリリウム材は大気中の腐食性ガス成分、例えば塩素成分による腐食を受けやすく、また内部構造上の欠陥のためにピンホールを生じやすい性質があり、これが顕在化すると、Ｘ線管内の真空度が低下して故障の原因となる。従って、本発明では、Ｘ線吸収による減衰強度とピンホール発生の兼ね合いから、厚さｄ２＝１０〜６０μmのＸ線透過窓基材１４を採用している。
【００３６】
Ｘ線ターゲット１１は、例えば次のように作成する。即ち、ベルジャー（釣鐘状のガラス容器）の中にベリリウム製Ｘ線透過窓基材の鏡面研磨面側と蒸着物を向き合わせて配置し、真空ポンプで空気を抜いて真空状態（10-3〜10-4 Pa）にする。次に、タングステンバスケット中に置いた蒸着物（顆粒状クロム）を抵抗加熱により溶融すると、霧状になって窓基材に付着する。蒸着厚さは蒸着物の質量、窓基材と蒸着物との間の距離、蒸着時間等によってコントロールする。最適な蒸着厚は元素によって異なるが、クロムの場合、厚さｄ１＝１．３μｍの場合、良好なコントラスト像が得られた。蒸着層の厚さは触針式表面形状測定器等を用いて測定できる。銅（Ｃｕ），タングステン（Ｗ），白金（Ｐｔ），チタン（Ｔｉ），バナジウム（Ｖ），タンタル（Ｔａ）等の蒸着には、スパッタリング法も使用することができる。
【００３７】
なお、ステージ機構２１はモータを具備した駆動機構（図示せず）に連結されており、ステージ機構２１上に載置若しくは保持された試料２２を照射Ｘ線に対して移動、傾動させたり、必要に応じて回転させることができ、試料２２を立体的にかつあらゆる方向から観察することができるようになっている。なお、立体観察には回転は必ずしも必要ではないが、回転があれば見やすい方向に調整しての観察が可能である。
【００３８】
図５はステージ機構２１の機構例を概略的に示しており、試料２２をｘｙ方向の水平方向に移動させるｘｙステージ２１Ａと、試料２２を鉛直方向（ｚ軸）に移動させて透視拡大倍率を変更するｚステージ２１Ｂと、試料２２を視野内でＸ線ビーム回りに回転させる回転ステージ２１Ｃと、試料２２をＸ線ビーム軸に対して傾斜（θ）させる傾斜ステージ２１Ｄとで構成された５軸駆動機構になっている。
【００３９】
一方、図６は本発明のＸ線顕微装置で観察するために改造された燃料電池３０の断面構造例を模式的に示しており、縦（厚さ）方向の倍率を横方向の５倍程度に拡大して示している。層状のサブストレート、触媒層、多孔質膜、電解質膜等で成る燃料電池本体３１の表裏面には、それぞれＸ線像観察用の穴３２Ａ及び３３Ａが複数設けられた金属カバー３２及び３３が層設されており、その金属カバー３２及び３３の各内側表面には更に、機械的強度があり、Ｘ線を透過し易いポリイミドフィルム（例えばデュポン社のカプトン（登録商標））やポリエステルフィルムなどで成る高分子膜３４及び３５がそれぞれ層設されている。これにより、波長０．１ｎｍ〜１．２ｎｍの長波長Ｘ線が穴３２Ａ及び３３Ａを通過すると共に、高分子膜３４及び３５を通過するので、燃料電池本体３１から生じる水分を的確に観察することができる。高分子膜３４及び３５に代えて、ベリリウム板を用いるようにしても良い。
【００４０】
また、図７は燃料電池３０を立体的に観察する様子を示しており、ステージ機構２１のｘｙステージ２１Ａで燃料電池３０を水平移動（ｘｙ）させると共に、傾斜ステージ２１Ｄによって燃料電池３０を傾斜（θ）させることによって、任意位置での立体的な観察が可能であることを示している。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】Ｘ線の減衰特性の一例を示す特性図である。
【図２】本発明に係るＸ線顕微装置の構成例を示す断面構造図である。
【図３】本発明に係るＸ線発生部の構造例を示す一部断面図である。
【図４】Ｘ線透過窓基材にベリリウムを用いた場合の長波長Ｘ線の減衰特性を示す図である。
【図５】ステージ機構の構成例を示す機構図である。
【図６】本発明の観察に用いる燃料電池の構造例を示す模式的断面図である。
【図７】燃料電池の観測例を説明するための図である。
【図８】従来の一般的なＸ線顕微装置の一例を示す断面構造図である。
【図９】開放型Ｘ線管の構成例を示す断面構造図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０ 開放型Ｘ線管
１１ Ｘ線ターゲット
１２ ターゲットホルダ
１３ 照射窓
１４ Ｘ線透過窓基材
１５ ろう付け
１６ Ｘ線発生部
２０ 撮像手段
２１ ステージ機構
２２ 試料
２３ 撮像管
２４ 金属製筐体
２５ 試料交換扉
２６ 観察窓
２７ 真空排気管
２８ ガス導入管
３０ 燃料電池
３１ 燃料電池本体
３２、３３ 金属カバー
３４、３５ 高分子膜
１００ Ｘ線顕微装置
１０１ ステージ機構
１０２ 試料
１０３ 撮像管
１１０ 開放型Ｘ線管
１１１ Ｘ線ターゲット
１１２ 熱電子放射陰極
１１３ グリッド
１１４ アノード
１１５ 電子レンズ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子銃の電子源からの電子線をＸ線ターゲットに当ててＸ線を発生させるＸ線発生手段と、試料に照射された前記Ｘ線の透過Ｘ線を撮像素子で撮像する撮像手段とを具備したＸ線顕微装置において、前記電子線の加速電圧を６〜３０ｋＶとし、前記Ｘ線ターゲットを真空封止するＸ線透過窓基材がベリリウムで成り、前記Ｘ線透過窓基材の厚さが１０〜６０μｍであると共に、前記撮像手段の試料室が密封構成であり、前記試料室にガスを充填して前記試料の透過画像を前記撮像手段で得ることを特徴とする低加速電圧Ｘ線顕微装置。
【請求項２】
電子銃の電子源からの電子線をＸ線ターゲットに当ててＸ線を発生させるＸ線発生手段と、試料に照射された前記Ｘ線の透過Ｘ線を撮像素子で撮像する撮像手段とを具備したＸ線顕微装置において、前記Ｘ線発生手段は波長０．１ｎｍ〜１．２ｎｍの長波長の特性Ｘ線を発生し、前記Ｘ線ターゲットを真空封止するＸ線透過窓基材がベリリウムで成り、前記Ｘ線透過窓基材の厚さが１０〜６０μｍであると共に、前記撮像手段の試料室が密封構成であり、前記試料室にガスを充填して前記試料の透過画像を前記撮像手段で得ることを特徴とする低加速電圧Ｘ線顕微装置。
【請求項３】
前記ガスがヘリウムガスである請求項１又は２に記載の低加速電圧Ｘ線顕微装置。
【請求項４】
前記Ｘ線ターゲットがゲルマニウム、クロム、バナジウム又は金のいずれかで成っており、前記特性Ｘ線が前記ゲルマニウム、クロム又はバナジウムのＫα線、前記金のＭα線である請求項１乃至３のいずれかに記載の低加速電圧Ｘ線顕微装置。
【請求項５】
前記試料がステージ機構に載置若しくは保持され、前記ステージ機構により前記試料を移動、傾斜することにより立体観察が可能になっている請求項１乃至４のいずれかに記載の低加速電圧Ｘ線顕微装置。
【請求項６】
燃料電池本体の表裏に複数の穴が開けられている金属カバーを層設され、前記金属カバーの外表面若しくは内表面にそれぞれベリリウム板又は高分子膜が層設されているＸ線観察用燃料電池。
【請求項７】
前記高分子膜が機械的強度を有し、長波長Ｘ線を透過し易い特性を有している請求項６に記載のＸ線観察用燃料電池。
【請求項１】
電子銃の電子源からの電子線をＸ線ターゲットに当ててＸ線を発生させるＸ線発生手段と、試料に照射された前記Ｘ線の透過Ｘ線を撮像素子で撮像する撮像手段とを具備したＸ線顕微装置において、前記電子線の加速電圧を６〜３０ｋＶとし、前記Ｘ線ターゲットを真空封止するＸ線透過窓基材がベリリウムで成り、前記Ｘ線透過窓基材の厚さが１０〜６０μｍであると共に、前記撮像手段の試料室が密封構成であり、前記試料室にガスを充填して前記試料の透過画像を前記撮像手段で得ることを特徴とする低加速電圧Ｘ線顕微装置。
【請求項２】
電子銃の電子源からの電子線をＸ線ターゲットに当ててＸ線を発生させるＸ線発生手段と、試料に照射された前記Ｘ線の透過Ｘ線を撮像素子で撮像する撮像手段とを具備したＸ線顕微装置において、前記Ｘ線発生手段は波長０．１ｎｍ〜１．２ｎｍの長波長の特性Ｘ線を発生し、前記Ｘ線ターゲットを真空封止するＸ線透過窓基材がベリリウムで成り、前記Ｘ線透過窓基材の厚さが１０〜６０μｍであると共に、前記撮像手段の試料室が密封構成であり、前記試料室にガスを充填して前記試料の透過画像を前記撮像手段で得ることを特徴とする低加速電圧Ｘ線顕微装置。
【請求項３】
前記ガスがヘリウムガスである請求項１又は２に記載の低加速電圧Ｘ線顕微装置。
【請求項４】
前記Ｘ線ターゲットがゲルマニウム、クロム、バナジウム又は金のいずれかで成っており、前記特性Ｘ線が前記ゲルマニウム、クロム又はバナジウムのＫα線、前記金のＭα線である請求項１乃至３のいずれかに記載の低加速電圧Ｘ線顕微装置。
【請求項５】
前記試料がステージ機構に載置若しくは保持され、前記ステージ機構により前記試料を移動、傾斜することにより立体観察が可能になっている請求項１乃至４のいずれかに記載の低加速電圧Ｘ線顕微装置。
【請求項６】
燃料電池本体の表裏に複数の穴が開けられている金属カバーを層設され、前記金属カバーの外表面若しくは内表面にそれぞれベリリウム板又は高分子膜が層設されているＸ線観察用燃料電池。
【請求項７】
前記高分子膜が機械的強度を有し、長波長Ｘ線を透過し易い特性を有している請求項６に記載のＸ線観察用燃料電池。
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図３】
【図６】
【図２】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図３】
【図６】
【公開番号】特開２００９−２１０３７１（Ｐ２００９−２１０３７１Ａ）
【公開日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５２８７４（Ｐ２００８−５２８７４）
【出願日】平成２０年３月４日（２００８．３．４）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 発行所：社団法人 応用物理学会 発行日：平成１９年９月４日 刊行物名：２００７年（平成１９年）秋季 第６８回応用物理学会学術講演会講演予稿集 第２分冊
【出願人】（０００１５１６０１）株式会社東研 (18)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月４日（２００８．３．４）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 発行所：社団法人 応用物理学会 発行日：平成１９年９月４日 刊行物名：２００７年（平成１９年）秋季 第６８回応用物理学会学術講演会講演予稿集 第２分冊
【出願人】（０００１５１６０１）株式会社東研 (18)
【Ｆターム（参考）】
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