２段Ｘ線集中装置
標準型Ｘ線管又は他の多色放出光源から集中単色Ｘ線ビームを得るための方法。Ｘ線管のアノードからのＸ線は、隣接の独立標的に蛍光を投与し、この標的は、単色スペクトルを発生させ、その一部は、Ｘ線光学系によって焦点合わせされる。この２段法は、信号の過度の損失を生じさせないでシステムに相当高い汎用性を与える。２段式集中装置は、手持ち型及び携帯型機器の焦点合わせ光学素子の使用を実用的にする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広帯域源からのＸ線を集中させ、それと同時にスペクトル濾波する方法及び装置に関する。
【０００２】
〔関連出願の説明〕
本発明は、２００６年１０月２４日に出願された米国特許仮出願第６０／８５３，８７５号の優先権主張出願であり、この米国特許仮出願を参照により引用し、その記載内容を本明細書の一部とする。
【背景技術】
【０００３】
厳格な幾何学的形状と関連してＸ線の単純な視準によりＸ線蛍光分析法（ＸＲＦ）を利用する手持ち型アナライザは、センチメートル級の標的に対して高い性能レベルを達成することができる。図１は、サーモ・ニトン・アナライザーズ・エルエルシー（Thermo NITON Analyzers LLC）によって製造されたニトンＸＲＦアナライザによって代表され、全体が符号１０で示されたＸＲＦアナライザのコンポーネントの概略配置図である。Ｘ線管１００が、電子（又は他の荷電粒子）１１４の加速により、本明細書ではアノード１１６と称する（しかしながら、これに限定するわけではない）標的に向かってＸ線放出光１１２の広域スペクトルを放出する。Ｘ線ビーム１１２のエネルギースペクトルは、１つ又は２つ以上のＸ線フィルタ１１８によって調節され、コリメータ１２６によって視準されて視準されたビーム１２８が形成され、そしてサンプル１２０の方へ差し向けられる（機器１０を向けることによって）。サンプルにより放出された蛍光性Ｘ線１２２は、検出器１２４によって検出される。
【０００４】
Ｘ線ビーム１１２によって問い合わされる典型的なサンプル領域は、５ｍｍ2を超え、他方、典型的なサンプルとアノードとの間の距離及びサンプルと検出器との間の距離は、１５ｍｍ未満である。他方、ニトンＸＬモデルＸＲＦアナライザでは、Ｘ線管の長さは、５ｃｍ未満である。
【０００５】
図２の上側の曲線は、５０ｋｅＶで動作する先行技術の金アノード型Ｘ線管源からの出力強度とエネルギースペクトルの関係を示している。制動放射連続スペクトルは、低い集中レベルを測定するうえでは最適ではない。原子が所与の場合の信号対雑音（ＳＮ）を実質的に増大させるには、ビームをフィルタで整形するのが良い。図２の下側の曲線２０２は、Ｋ電子が２６．７ｋｅＶのエネルギーで結合された毒性元素のカドミウムの２３．２ｋｅＶ特性Ｘ線を測定するのに特に有用な濾波状態のスペクトルの一例である。非濾波スペクトルで得られる信号対雑音の利得と比較した場合の信号対雑音の利得は、１０倍を超える。
【０００６】
Ｘ線焦点合わせ光学素子は、Ｘ線管から標的への有効束（フラックス）を桁違いに増大させることができる。本明細書及び特許請求の範囲で用いられる「焦点合わせ光学素子」という用語は、光学素子が用いられない場合に得られる強度と比較して標的へのＸ線の強度を増大させる多種多様な装置を意味している。本明細書で用いられる「Ｘ線レンズ」及び「Ｘ線集中装置」という用語は、特に断らなければ「焦点合わせ光学素子」（これには限定されない）と等価なものとして用いられている。Ｘ線を焦点合わせする例示の先行技術の方法の基本要素につき図３を参照して説明する。Ｘ線管１００のアノード１１６上のＸ線生成領域３０１は、典型的には０．１ｍｍ2未満の照明領域でＸ線スペクトルの一部分を標的１２０上に集中させる焦点合わせ要素３０３の「物体」（光学的な意味で）である。Ｘ線生成領域３０１は、Ｘ線生成「点」と呼ばれる場合がある。この集中を達成するため、アノード１１６上の電子ビームスポット３０５のサイズは、典型的には、標的上での分解能と見合っている。理解されるべきこととして、Ｘ線の他の多色源、例えばリニアック等は、本発明の範囲内でＸ線源としての役目を果たすことができる。吸収体３０９が、焦点合わせ要素３０３に当たらなかったＸ線を吸収するが、吸収線は、もしそのように構成されていなければ、標的１２０に当たる場合がある。
【０００７】
実用的な光集中装置は、一般に、かかる集中装置が全反射又はブラッグ散乱を利用するかどうかに基づいて分類される。全反射法は、物質の屈折率がＸ線エネルギー領域では電磁波について１未満であるという事実を利用する。滑らかなガラス表面からの全反射のための条件は、十分な近似としてＥθ≦３０であり、ＥはｋｅＶで表されたＸ線エネルギーであり、θは、媒質表面に対するミリラジアンで表された入射角である。例えば、３０ｋｅＶのＸ線は、約１ミリラジアン以下のあらゆる入射角について全反射され、又は、１ミリラジアンの一定の入射角では、約３０ｋｅＶ以下の全てのＸ線は、全反射される。
【０００８】
結晶散乱と呼ばれることがあるブラッグ散乱は、Ｘ線を配向結晶からコヒーレントに散乱させることができるという事実を利用している。ブラッグ散乱のための条件は、２ｄｓｉｎθ＝１２．４ｎ／Ｅであり、この式において、θ及びＥは、上述したように、それぞれ、結晶の平面に対する入射角及びｋｅＶで表されたＸ線エネルギーであり、ｄは、オングストロームで表された結晶の平面相互間の距離（格子間隔）であり、ｎ（次数）は、典型的には１又は２以下のいずれかの整数である。例と挙げると、ｄ間隔が２オングストロームの結晶を用いると、３０ｋｅＶの場合の１次ブラッグ散乱は、角度θ＝５．９°で生じる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
全反射法とブラッグ散乱法の両方は、エネルギー分散型及び角度分散型実験室用Ｘ線分光計で用いられる。これら分光計の大きさ、重量及び電力に関する要件は、従来、重量が数ポンド（１ポンドは、約０．４５３６ｋｇである）を超えてはならず、長時間のバッテリ寿命を備えなければならない手持ち型又は携帯型ＸＲＦ分光計には不適合であった。本明細書で説明する方法は、Ｘ線光学系を手持ち型ＸＲＦシステム用の集中装置として有用なものにする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の好ましい実施形態によれば、集中度の高いＸ線で標的を照明する２段集中装置が提供される。この集中装置は、多色Ｘ線源を有し、Ｘ線は、Ｘ線生成領域から出ていき、この集中装置は、Ｘ線生成領域に実質的に当接した状態で配置されていて、Ｘ線の実質的に単色ビームを生じさせるコンバータと、Ｘ線の実質的に単色ビームを標的上に集束させる焦点合わせ要素とを更に有する。
【００１１】
本発明の他の実施形態によれば、Ｘ線生成領域は、粒子の高エネルギービームが当てられるアノードであるのが良く、Ｘ線生成領域は、Ｘ線管であるのが良い。コンバータは、アノードに当接しているのが良く、また、アノードの一部分に被着された被膜を有するか、アノードに隣接し又は同一の広がりをもつのが良い。
【００１２】
別の実施形態では、コンバータは、鉄、亜鉛、モリブデン、銀、テルル、ビスマス、又はトリムのうちの１つであり、一般に、所与の材料で構成可能であり、コンバータは、材料内のＸ線の単色ビームの平均自由経路の１／１０倍を超えるが１０倍未満の厚さを備えることを特徴とする。焦点合わせ要素は、例えば、切頭楕円面、切頭対数螺線、又は放物面の形状に一致するよう形作られたブラッグレフレクタであるのが良い。かかる形状のレフレクタを被覆する反射材料は、配向度の高い合成黒鉛又は関心のあるＸ線を効果的にブラッグ散乱する任意他の頑丈な結晶材料であるのが良い。
【００１３】
本発明の別の観点によれば、各々が上述の構成のものである複数個の２段集中装置を有するＸ線照明器が提供される。２段集中装置の各々は、実質的に別個の元素物質で構成されるのが良い。複数個の２段集中装置は、シーケンス機構体内に配置されるのが良く、シーケンス機構体は、回転シリンダ若しくは平行移動シャトル又は２段集中装置を次々に挿入できる別の形態のものであるのが良い。
【００１４】
本発明の更に別の観点によれば、集中度の高いＸ線で標的を照明する方法が提供される。この方法は、
ａ．多色Ｘ線の初段ビームを生じさせるステップと、
ｂ．多色Ｘ線を実質的に単色のＸ線ビームに変換するステップと、
ｃ．実質的に単色のＸ線ビームを標的上に焦点合わせするステップとを有する。
【００１５】
本発明の特定の実施形態では、多色Ｘ線を実質的に単色のＸ線のビームに変換するステップは、多色Ｘ線をＫα放射線が６ｋｅＶ〜２８ｋｅＶであることを特徴とする材料に通すステップを含む。
【００１６】
本発明の上述の特徴は、添付の図面を参照して行われる以下の詳細な説明を参照することにより容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】先行技術のＸ線蛍光機器の主なコンポーネントの略図である。
【図２】濾波前後の先行技術のＸ線源の出力強度とエネルギースペクトルの関係を表すグラフ図である。
【図３】Ｘ線を集中させるために用いられる先行技術の光学系の基本要素を示す図である。
【図４】本発明の実施形態としてのＸ線のスペクトル及び空間集中の２段プロセスを示す図である。
【図５】コンバータとアノードの直径の比が種々の場合において本発明の実施形態に従ってコンバータにより遮られた主要Ｘ線のギャップ距離Ｇの関数としての計算フラクションのプロットを示すグラフ図である。
【図６】図５のクロスポイント仕様の特定の例を用いて図５の遮りの確率を詳細に示す図である。
【図７】２μｍ金アノードに入射した５０ｋｅＶ電子ビームについて計算されたモンテ・カルロ（Monte Carlo）スペクトル及び金アノードから７５μｍのところに配置された１５０μｍテルルコンバータに続くスペクトルの対数グラフ図である。
【図８】連続スペクトルと比較したテルルの単色特性Ｘ線の強度を明確に示すための図７の下側の曲線の線形グラフ図である。
【図９】本発明の実施形態に従ってＨＯＰＧ楕円レンズの焦点のところに設けられたテルルコンバータの２段集中装置を用いたＨＲＦシステムの要素の略図である。
【図１０】各々がＨＯＰＧ楕円レンズの焦点のところにコンバータを有する複数の２段集中装置を用いたＨＲＦシステムの略図であり、集中装置を本発明の実施形態に従って源とサンプルとの間に連続的に挿入できるようになっている状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
例えば図３に示すと共に背景技術の項において説明した、単一段集中装置を利用するものであると呼ぶことができる先行技術のＸ線焦点合わせシステムでは、Ｘ線管１００のアノード３０５は、焦点合わせ要素３０３によって形成される物体としてのＸ線光学レンズである。
【００１９】
今図４を参照して説明する本発明の好ましい実施形態によれば、コンバータ４００は、Ｘ線管１００のアノード３０５の直ぐ隣りに又はこれに隣接して（境を接して）設けられていて、「初段（又は第１段）」Ｘ線と呼ばれる放出されたＸ線４０２を「第２段Ｘ線スペクトル」と呼ばれるほぼ単色のＸ線スペクトルを有することを特徴とするＸ線４０４に変換するようになっている。コンバータ４００は、今や、Ｘ線光学レンズの新たな物体である。図示の方法は、本明細書では、「２段集中装置」（ＴＳＣ）と呼ばれる場合がある。コンバータの最適組成、大きさ及び厚さは、特定の用途のパラメータに従って、説明する原理に基づいて選択される。
【００２０】
開示する方法は、ブランク集中装置に特に適しているが、全反射を利用した集中装置にとっても有利な場合がある。
【００２１】
Ｇで示されたアノード３０５とコンバータ４００のところの焦点合わせ光学素子の新たな物体との間の間隔は、２段プロセスを明確に示すために図４では大幅に誇張されている。実際には、本発明の好ましい実施形態では、コンバータ４００は、有利には、変換効率を最大にするためにアノード３０５に接している。コンバータをアノードに当接させることは、本発明の好ましい実施形態としての２段集中装置の重要な特徴である。
【００２２】
幾何学的効率は、ギャップＧ及びコンバータの直径で決まる。電子スポットサイズが無視できる場合（即ち、現に点源である場合）、関係は、ちょうど立体角に関する方程式であり、即ち、Ω＝０．５（１−ｃｏｓθ）である。この理想化された場合では、ギャップがコンバータの半径の２倍である場合、幾何学的変換効率は、１／１０になる。図５及び図６のグラフ図に反映された計算は、電子ビームスポットの有限サイズを考慮に入れており、幾何学的効率の一段の減少を反映している。倍率が１：１であり、標的スポットサイズが２００μｍの集中装置の場合、コンバータ半径は、１００μｍであり、ギャップＧは、２００μｍを超えてはならない。
【００２３】
制限的場合、コンバータ４００をアノード３０５に直接当てることにより又はアノード３０５の一部分をコンバータ４００を構成する材料で被覆することにより、スパッタリングにより、或いは別の蒸着方法によりギャップＧを最小限に抑えることができる。確かに、アノード３０５とコンバータ４００は、隣接して（境を接して）又は同一の広がりを持つように位置するのが良く、これらは、同一の構造的要素を構成しても良いが、以下に説明するように、コンバータの厚さに適応可能な設計上の検討事項と一致するのが良い。
【００２４】
図５及び図６は、ギャップＧの重要な性質を定量的な仕方で実証している。図５は、ギャップ長さの関数として且つ０．１刻みの０．９（最も下側の曲線で表されている）から２（最も上の曲線で表されている）までの範囲にわたるコンバータとアノードの直径の種々の比（ｄ／Ｄ）に関してコンバータにより遮られた主要Ｘ線のフラクションを示している。ｘ軸は、コンバータの直径の単位で表したギャップ幅Ｇである。コンバータ直径ｄは、アノードのところのビーム直径の単位で表されている。
【００２５】
遮ることができる最大フラクションは、０．５である。というのは、アノード３０５からの初段Ｘ線スペクトルの半分が後側半球内で放出されるからである。図５に示されているクロスポイントは、１つの実用的な組をなすパラメータを表しており、即ち、直径が２００μｍの電子ビームは、厚さが７５μｍのベリリウム窓に被着された２μｍの金で構成されたアノードに当たり、直径が４００μｍのコンバータは、ベリリウムに当接している。これらパラメータの結果として、制動Ｘ線の３０％がコンバータによって遮られることになる。
【００２６】
図６は、図５のクロスポイント仕様の特定の例を用いて遮りの確率を詳細に示している。単位面積当たりの遮り確率は、最大値がコンバータの中心に位置するガウス分布のような形をしている。アノードにより放出されたＸ線の全ての累積フラクションは、コンバータの半径が２００μｍのところでは３０％に達する。
【００２７】
コンバータの厚さ
【００２８】
コンバータ材料は、特定の用途について所望の単色特性Ｘ線を生じさせるよう選択されており、例えば、鉄、モリブデン及びテルルは、それぞれ、６．４ｋｅＶ、１７．５ｋｅＶ及び２７．５ｋｅＶの単色放射線を生じさせる。注目されるべきこととして、一般に、ほぼ同じ単色Ｘ線エネルギーを生じさせる２つ以上のコンバータ要素が設けられる。例えば、ＩｎのＫβ線は、ＴｅのＫα1線の１％以内の２３．３ｋｅＶである。Ｉｎコンバータがより適切なコンバータである用途が存在する場合がある。
【００２９】
コンバータ材料の厚さは、求められている信号の信号対雑音を最大にするよう選択されている。一般に、コンバータの厚さは、コンバータ材料中のコンバータＸ線の平均自由経路のオーダの範囲内にあり、即ち、コンバータ材料中のコンバータＸ線の平均自由経路の１／１０〜１０倍である。例えば、テルルの２７．５ｋｅＶＫαＸ線のテルル中の平均自由経路は、１７５μｍである。１００μｍ〜１７５μｍのコンバータ厚さは、高い変換効率を有する。図７は、一例を示しており、図７は、以下の好ましい実施形態の例について計算されたモンテカルロスペクトルの対数グラフ図である。上側の曲線７０は、２μｍＡｕアノード上の電子の５０ｋｅＶビームからの特徴的な線及び連続制動放射線のスペクトルである。下側の曲線７２は、Ａｕアノードから７５μｍのところに位置した厚さが１５０μｍのテルルコンバータから前方に出たスペクトルを示している。図８は、前方に向けられたビームの高い単色度を示すコンバータからのスペクトルの線形グラフ図である。
【００３０】
本発明の実施形態として本明細書に説明している２段コンバータは、有利には、専用Ｘ線管又はＸ線管と集中装置の特定の位置合わせを不要にする。その結果、伝統的な手持ち型機器よりも使用する電力が低い軽量且つ小型のＸＲＦシステムが得られる。同様に、２段集中装置を有利には、他のＸ線システム、例えば運搬可能なシステム、ベンチトップ及び実験室システム並びに波長分散型分光計に利用することができる。
【００３１】
２段焦点合わせビーム法の利点及び欠点を理解するために、これを視準ビーム法及び伝統的な単一段焦点合わせビーム法と比較すると、有用である。２段法は、単一段法と同じほど多くの全電力を標的上にもたらすわけではないが、視準ビーム法よりも効率が２桁以上高い。比較は、プラスチック、土壌及び他のマトリクス中の毒性元素としてのカドミウムを測定する好ましい用途について行われる。
【００３２】
例示の実施形態
【００３３】
図９を参照して説明する例示の実施形態によれば、２７．５ｋｅＶ単色Ｘ線の集中ビームが、物質濃度が調整された毒性元素であるカドミウムの低いレベルのＸＲＦ測定のために提供される。この用途について選択された特定の値が記載されているが、理解されるべきこととして、本発明の範囲内において、パラメータの全ての値は、種々の用途に合うように広い範囲にわたって様々であって良い。
【００３４】
コヒーレントな反射のためのブラッグ条件を広い範囲の幾何学的形状によって満足させることができる。図９に示すコンポーネントの１つの幾何学的構成は、２７．５ｋｅＶＸ線の１次散乱のために配向度の高い合成黒鉛（ＨＯＰＧ）の切頭楕円面９０を用いている。切頭楕円面９０は、長さが３ｃｍであり、中心の内径は、４．２ｍｍである。テルルコンバータ９２が、楕円面の中心から４．５ｃｍのところに位置する左側の焦点のところに位置し、標的１２０は、右側に４．５ｃｍのところに位置している。別の具体化例では、楕円面焦点合わせ要素を放物面又は切頭対数螺線形状に形成しても良い。
【００３５】
Ｔｅコンバータ９２に楕円面焦点合わせ光学素子９０を加えたものは、本発明者が便宜上集中装置９５と呼ぶ単一の剛性独立ユニットを構成する。伝送用Ｘ線管は、厚さ７５μｍＢｅ端部窓に施された金アノードを有する。テルルコンバータは、Ｂｅに当接し、図４〜図６に概略的に示されているギャップＧは、７５μｍである。Ｘ線管に対する集中装置９５の位置合わせは、単一段法の場合のように重要であるということはない。
【００３６】
直径が０．４ｍｍのテルルコンバータ９２は、Ａｕアノード３０５内で生じたＸ線の３０％を遮り、遮ったＸ線のうちで３１．７ｋｅＶよりも高い約３３％を２７．５ｋｅＶのＴｅＫａＸ線に変換する。楕円面９０の幾何学的効率は、約１０-3である。ＨＯＰＧで被覆された楕円面９０の反射効率は、約３５％である。これらの値は、上述の３つの方法相互の１次比較を可能にする。
【００３７】
表１は、コンバータと同一の直径である０．４ｍｍ標的に関するモデル計算の結果を示しており、楕円面は、１：１の倍率を有している。本発明者は、厚さ２μｍのＡｕの層で被覆された厚さ７５μｍのＢｅアノードに対する５０ｋｅＶ電子の２０μＡビーム（１ワット）を前提とした。
【００３８】
表１ ２段光学素子、１段光学素子及び視準の相対的効率
【００３９】
*：ＰＥコンバータは、３１．８ｋｅＶよりも高いＸ線の相当多くの部分を２７ｋｅＶＸ線に変換する。励起エネルギーが低いと、３１．８ｋｅＶから５０ｋｅＶまでのＸ線よりも蛍光をカドミウムに投与する確率が著しく高くなる。
【００４０】
**：幾何学的立体角は、テルル焦点からＨＯＰＧ法ではレンズまで、視準法では標的までであり、これは、管アノードから２０ｍｍのところに位置すると仮定されている。
【００４１】
***：１５ｍｍのところでの０．３ｍｍの視準を前提としている。
【００４２】
表１の特定の例に関する比較結果は、小さな標的スポットにおいて最も高い強度を得るためには、焦点合わせ光学素子を備えた２段コンバータが、変換が行われない焦点合わせ光学素子の場合よりも効率において著しく低いが、焦点合わせ光学素子を使用しない単純な視準よりも効率において著しく高いという一般的な結論を示している。
【００４３】
２段法は、重量及び電力が低いことが重要である状況についてこの２段法を魅力的にする二次的な利点を有している。
【００４４】
Ｘ線管とは独立の集中装置を同一のＸ線管に用いると、Ｘ線管の高い電圧及びコンバータ元素の適正な選択によって数ｋｅＶから１００ｋｅＶの範囲にわたるエネルギーの集中ビームを生じさせることができる。大まかな経験則では、高い電圧は、コンバータ元素のＫ結合エネルギーの１．５〜２倍であるべきである。コンバータ元素の選択では、その蛍光収率を考慮に入れることが必要であり、この蛍光収率は、放出されたＸ線の数と励起回数の比であり、原子数が３０を下回ると、急減する量である。テルル（Ｚ＝５２）、亜鉛（Ｚ＝３０）、鉄（Ｚ＝２６）、Ｃａ（Ｚ＝２０）及びＡｌ（Ｚ＝１３）は、それぞれ８７％、５０％、３３％、１７％及び４％の蛍光収率を有している。
【００４５】
特定の用途向きのコンバータの選択は、以下の検討事項の非排他的な一覧表示によって説明できる。
【００４６】
ａ．サンプル中において蛍光を発するようになった１種類又は複数種類の元素：ＴｅＫα（又はＩｎＫβ）は、Ｃｄを検出するうえで優れた選択肢であり、Ｐｂを検出するのにも利用でき、そのＬ電子エッジは約１５ｋｅＶである。
【００４７】
ｂ．蛍光が回避されるべき元素。Ｃｄ（Ｚ＝４８）に蛍光を投与すべき場合、Ｃｄ領域中に望ましくない背景を与えるＳｂ（５１）又はＳｎ（５０）の蛍光を回避することが望ましい場合が多い。３１ｋｅＶではＴｅのＫβは、両方を励起する。２７．３ｋｅＶでのインジウムのＫβ線は、Ｃｄを励起し、ＴｅＫａへの有効性は２０％に過ぎないが、かかるインジウムのＫβ線は、ＳｎとＳｂのいずれをも励起することができない。ＨＯＰＧの有限の、場合によっては相当大きな需要帯域幅に鑑みて、Ｉｎが好ましい場合がある。
【００４８】
ｃ．主要制動放射線を発生させる電子のエネルギー。
【００４９】
ｄ．安定した形態のコンバータ材料の利用性。コンバータ元素は空中に位置した状態の２段集中装置により、図３の単一段バージョンで一般に可能な場合よりも遥かに広い範囲の元素の使用が可能になっても何にもならない。このバージョンでは、ベリリウム基板上のアノード元素は、真空中に位置し、電子によって溜まった電力を消散しなければならない。
【００５０】
本発明の種々の変形実施形態によれば、集中装置は、これらがＸ線管とは独立である限り、例えばガンバレル構造内に多重化でき、その結果、標的に蛍光を投与するために種々の単一エネルギーを順次選択することができる。次に、図１０を参照して例示の実施形態について説明する。多数の集中装置９０２，９９２が、シーケンス機構体９５０に結合されており、このシーケンス機構体は、源１００とサンプル１２０との間のこれらの順次挿入を可能にする。シーケンス機構体９５０は、Ｘ線ビーム４０４に実質的に垂直な方向９１０に平行移動可能なシャトル又はキャリッジであるのが良く、その結果、集中装置９９２を源とサンプルとの間の経路内の集中装置９０２に取って代わるように位置決めできるようになっている。変形例として、機械的構造体９５０は、軸線９００回りに回転するよう構成されたシリンダであっても良く、この場合も又、多数の集中装置を順次位置決めする。各集中装置は、別個独立の元素組成のコンバータ９２，９９２を有するのが良く、その結果、互いに異なるエネルギーの単色Ｘ線が、シーケンス機構体９５０の各位置に提供されるようになっている。
【００５１】
以下の２つの応用例は、例示である。
【００５２】
ａ．減算により、ＣｄＸ線の強度を分離するための２７．２ｋｅＶ及び２７．５ｋｅＶのＴｅＫａＸ線の集中装置及び２５．０ｋｅＶ及び２５．３ｋｅＶでのＳｎＫａＸ線の集中装置。Ｘ線管の高い電圧は、不変である。
【００５３】
ｂ．毒性元素Ｃｄ，Ｐｂを測定するための５０ｋｅＶという高い電圧を用いた２７．２ｋｅＶ及び２７．５ｋｅＶのＴｅＫａＸ線の集中装置及び毒性元素Ｃｒを測定するための１５ｋｅＶという高い電圧を用いた６．４ｋｅＶのＦｅＸ線の集中装置。
【００５４】
注目されるべきこととして、２段法によれば、位置合わせは、一段焦点合わせ法の位置合わせ上の問題よりも重要性が遥かに低い。後者の場合、アノード上に電子スポットを有する焦点合わせ要素の位置合わせは、上首尾の用途にとって最も困難な課題である場合が多い。２段法では、レンズ物体、即ち、好ましい実施形態ではＴｅの位置合わせは、機械的構成によって固定される。レンズ物体とアノード上の電子ビームの位置合わせは、特に重要であるわけではない。
【００５５】
モノキャピラリ及びポリキャピラリ光学素子は、Ｘ線を全反射のための臨界角によって定められた最大エネルギーまで集中させる。多くの用途に関し、標的に当たる連続スペクトルは、単色ビームと同じほど有効ではない。２つのポリキャピラリ集中装置と１つのブラッグモノクロメータを組み合わせることによって単色ビームを生じさせる少なくとも１つの市販のポリキャピラリ焦点合わせシステムが利用可能である。本明細書において説明した２段集中装置は、モノキャピラリ又はポリキャピラリ光学素子のためのほぼ単色の源を生じさせる非常に安価且つ非常に簡単でより効果的な方法である。
【００５６】
２段法をＸ線蛍光用途のためのその使用と関連して説明したが、この方法は、有利には、Ｘ線の小径の単色ビームが必要な角度分散型及びエネルギー分散型分光法にも利用できる。
【００５７】
本明細書において説明した本発明の実施形態は、単に例示であり、多くの変形例及び改造例が当業者には明らかであろう。かかる変形例及び改造例の全ては、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲に含まれるものである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広帯域源からのＸ線を集中させ、それと同時にスペクトル濾波する方法及び装置に関する。
【０００２】
〔関連出願の説明〕
本発明は、２００６年１０月２４日に出願された米国特許仮出願第６０／８５３，８７５号の優先権主張出願であり、この米国特許仮出願を参照により引用し、その記載内容を本明細書の一部とする。
【背景技術】
【０００３】
厳格な幾何学的形状と関連してＸ線の単純な視準によりＸ線蛍光分析法（ＸＲＦ）を利用する手持ち型アナライザは、センチメートル級の標的に対して高い性能レベルを達成することができる。図１は、サーモ・ニトン・アナライザーズ・エルエルシー（Thermo NITON Analyzers LLC）によって製造されたニトンＸＲＦアナライザによって代表され、全体が符号１０で示されたＸＲＦアナライザのコンポーネントの概略配置図である。Ｘ線管１００が、電子（又は他の荷電粒子）１１４の加速により、本明細書ではアノード１１６と称する（しかしながら、これに限定するわけではない）標的に向かってＸ線放出光１１２の広域スペクトルを放出する。Ｘ線ビーム１１２のエネルギースペクトルは、１つ又は２つ以上のＸ線フィルタ１１８によって調節され、コリメータ１２６によって視準されて視準されたビーム１２８が形成され、そしてサンプル１２０の方へ差し向けられる（機器１０を向けることによって）。サンプルにより放出された蛍光性Ｘ線１２２は、検出器１２４によって検出される。
【０００４】
Ｘ線ビーム１１２によって問い合わされる典型的なサンプル領域は、５ｍｍ2を超え、他方、典型的なサンプルとアノードとの間の距離及びサンプルと検出器との間の距離は、１５ｍｍ未満である。他方、ニトンＸＬモデルＸＲＦアナライザでは、Ｘ線管の長さは、５ｃｍ未満である。
【０００５】
図２の上側の曲線は、５０ｋｅＶで動作する先行技術の金アノード型Ｘ線管源からの出力強度とエネルギースペクトルの関係を示している。制動放射連続スペクトルは、低い集中レベルを測定するうえでは最適ではない。原子が所与の場合の信号対雑音（ＳＮ）を実質的に増大させるには、ビームをフィルタで整形するのが良い。図２の下側の曲線２０２は、Ｋ電子が２６．７ｋｅＶのエネルギーで結合された毒性元素のカドミウムの２３．２ｋｅＶ特性Ｘ線を測定するのに特に有用な濾波状態のスペクトルの一例である。非濾波スペクトルで得られる信号対雑音の利得と比較した場合の信号対雑音の利得は、１０倍を超える。
【０００６】
Ｘ線焦点合わせ光学素子は、Ｘ線管から標的への有効束（フラックス）を桁違いに増大させることができる。本明細書及び特許請求の範囲で用いられる「焦点合わせ光学素子」という用語は、光学素子が用いられない場合に得られる強度と比較して標的へのＸ線の強度を増大させる多種多様な装置を意味している。本明細書で用いられる「Ｘ線レンズ」及び「Ｘ線集中装置」という用語は、特に断らなければ「焦点合わせ光学素子」（これには限定されない）と等価なものとして用いられている。Ｘ線を焦点合わせする例示の先行技術の方法の基本要素につき図３を参照して説明する。Ｘ線管１００のアノード１１６上のＸ線生成領域３０１は、典型的には０．１ｍｍ2未満の照明領域でＸ線スペクトルの一部分を標的１２０上に集中させる焦点合わせ要素３０３の「物体」（光学的な意味で）である。Ｘ線生成領域３０１は、Ｘ線生成「点」と呼ばれる場合がある。この集中を達成するため、アノード１１６上の電子ビームスポット３０５のサイズは、典型的には、標的上での分解能と見合っている。理解されるべきこととして、Ｘ線の他の多色源、例えばリニアック等は、本発明の範囲内でＸ線源としての役目を果たすことができる。吸収体３０９が、焦点合わせ要素３０３に当たらなかったＸ線を吸収するが、吸収線は、もしそのように構成されていなければ、標的１２０に当たる場合がある。
【０００７】
実用的な光集中装置は、一般に、かかる集中装置が全反射又はブラッグ散乱を利用するかどうかに基づいて分類される。全反射法は、物質の屈折率がＸ線エネルギー領域では電磁波について１未満であるという事実を利用する。滑らかなガラス表面からの全反射のための条件は、十分な近似としてＥθ≦３０であり、ＥはｋｅＶで表されたＸ線エネルギーであり、θは、媒質表面に対するミリラジアンで表された入射角である。例えば、３０ｋｅＶのＸ線は、約１ミリラジアン以下のあらゆる入射角について全反射され、又は、１ミリラジアンの一定の入射角では、約３０ｋｅＶ以下の全てのＸ線は、全反射される。
【０００８】
結晶散乱と呼ばれることがあるブラッグ散乱は、Ｘ線を配向結晶からコヒーレントに散乱させることができるという事実を利用している。ブラッグ散乱のための条件は、２ｄｓｉｎθ＝１２．４ｎ／Ｅであり、この式において、θ及びＥは、上述したように、それぞれ、結晶の平面に対する入射角及びｋｅＶで表されたＸ線エネルギーであり、ｄは、オングストロームで表された結晶の平面相互間の距離（格子間隔）であり、ｎ（次数）は、典型的には１又は２以下のいずれかの整数である。例と挙げると、ｄ間隔が２オングストロームの結晶を用いると、３０ｋｅＶの場合の１次ブラッグ散乱は、角度θ＝５．９°で生じる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
全反射法とブラッグ散乱法の両方は、エネルギー分散型及び角度分散型実験室用Ｘ線分光計で用いられる。これら分光計の大きさ、重量及び電力に関する要件は、従来、重量が数ポンド（１ポンドは、約０．４５３６ｋｇである）を超えてはならず、長時間のバッテリ寿命を備えなければならない手持ち型又は携帯型ＸＲＦ分光計には不適合であった。本明細書で説明する方法は、Ｘ線光学系を手持ち型ＸＲＦシステム用の集中装置として有用なものにする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の好ましい実施形態によれば、集中度の高いＸ線で標的を照明する２段集中装置が提供される。この集中装置は、多色Ｘ線源を有し、Ｘ線は、Ｘ線生成領域から出ていき、この集中装置は、Ｘ線生成領域に実質的に当接した状態で配置されていて、Ｘ線の実質的に単色ビームを生じさせるコンバータと、Ｘ線の実質的に単色ビームを標的上に集束させる焦点合わせ要素とを更に有する。
【００１１】
本発明の他の実施形態によれば、Ｘ線生成領域は、粒子の高エネルギービームが当てられるアノードであるのが良く、Ｘ線生成領域は、Ｘ線管であるのが良い。コンバータは、アノードに当接しているのが良く、また、アノードの一部分に被着された被膜を有するか、アノードに隣接し又は同一の広がりをもつのが良い。
【００１２】
別の実施形態では、コンバータは、鉄、亜鉛、モリブデン、銀、テルル、ビスマス、又はトリムのうちの１つであり、一般に、所与の材料で構成可能であり、コンバータは、材料内のＸ線の単色ビームの平均自由経路の１／１０倍を超えるが１０倍未満の厚さを備えることを特徴とする。焦点合わせ要素は、例えば、切頭楕円面、切頭対数螺線、又は放物面の形状に一致するよう形作られたブラッグレフレクタであるのが良い。かかる形状のレフレクタを被覆する反射材料は、配向度の高い合成黒鉛又は関心のあるＸ線を効果的にブラッグ散乱する任意他の頑丈な結晶材料であるのが良い。
【００１３】
本発明の別の観点によれば、各々が上述の構成のものである複数個の２段集中装置を有するＸ線照明器が提供される。２段集中装置の各々は、実質的に別個の元素物質で構成されるのが良い。複数個の２段集中装置は、シーケンス機構体内に配置されるのが良く、シーケンス機構体は、回転シリンダ若しくは平行移動シャトル又は２段集中装置を次々に挿入できる別の形態のものであるのが良い。
【００１４】
本発明の更に別の観点によれば、集中度の高いＸ線で標的を照明する方法が提供される。この方法は、
ａ．多色Ｘ線の初段ビームを生じさせるステップと、
ｂ．多色Ｘ線を実質的に単色のＸ線ビームに変換するステップと、
ｃ．実質的に単色のＸ線ビームを標的上に焦点合わせするステップとを有する。
【００１５】
本発明の特定の実施形態では、多色Ｘ線を実質的に単色のＸ線のビームに変換するステップは、多色Ｘ線をＫα放射線が６ｋｅＶ〜２８ｋｅＶであることを特徴とする材料に通すステップを含む。
【００１６】
本発明の上述の特徴は、添付の図面を参照して行われる以下の詳細な説明を参照することにより容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】先行技術のＸ線蛍光機器の主なコンポーネントの略図である。
【図２】濾波前後の先行技術のＸ線源の出力強度とエネルギースペクトルの関係を表すグラフ図である。
【図３】Ｘ線を集中させるために用いられる先行技術の光学系の基本要素を示す図である。
【図４】本発明の実施形態としてのＸ線のスペクトル及び空間集中の２段プロセスを示す図である。
【図５】コンバータとアノードの直径の比が種々の場合において本発明の実施形態に従ってコンバータにより遮られた主要Ｘ線のギャップ距離Ｇの関数としての計算フラクションのプロットを示すグラフ図である。
【図６】図５のクロスポイント仕様の特定の例を用いて図５の遮りの確率を詳細に示す図である。
【図７】２μｍ金アノードに入射した５０ｋｅＶ電子ビームについて計算されたモンテ・カルロ（Monte Carlo）スペクトル及び金アノードから７５μｍのところに配置された１５０μｍテルルコンバータに続くスペクトルの対数グラフ図である。
【図８】連続スペクトルと比較したテルルの単色特性Ｘ線の強度を明確に示すための図７の下側の曲線の線形グラフ図である。
【図９】本発明の実施形態に従ってＨＯＰＧ楕円レンズの焦点のところに設けられたテルルコンバータの２段集中装置を用いたＨＲＦシステムの要素の略図である。
【図１０】各々がＨＯＰＧ楕円レンズの焦点のところにコンバータを有する複数の２段集中装置を用いたＨＲＦシステムの略図であり、集中装置を本発明の実施形態に従って源とサンプルとの間に連続的に挿入できるようになっている状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
例えば図３に示すと共に背景技術の項において説明した、単一段集中装置を利用するものであると呼ぶことができる先行技術のＸ線焦点合わせシステムでは、Ｘ線管１００のアノード３０５は、焦点合わせ要素３０３によって形成される物体としてのＸ線光学レンズである。
【００１９】
今図４を参照して説明する本発明の好ましい実施形態によれば、コンバータ４００は、Ｘ線管１００のアノード３０５の直ぐ隣りに又はこれに隣接して（境を接して）設けられていて、「初段（又は第１段）」Ｘ線と呼ばれる放出されたＸ線４０２を「第２段Ｘ線スペクトル」と呼ばれるほぼ単色のＸ線スペクトルを有することを特徴とするＸ線４０４に変換するようになっている。コンバータ４００は、今や、Ｘ線光学レンズの新たな物体である。図示の方法は、本明細書では、「２段集中装置」（ＴＳＣ）と呼ばれる場合がある。コンバータの最適組成、大きさ及び厚さは、特定の用途のパラメータに従って、説明する原理に基づいて選択される。
【００２０】
開示する方法は、ブランク集中装置に特に適しているが、全反射を利用した集中装置にとっても有利な場合がある。
【００２１】
Ｇで示されたアノード３０５とコンバータ４００のところの焦点合わせ光学素子の新たな物体との間の間隔は、２段プロセスを明確に示すために図４では大幅に誇張されている。実際には、本発明の好ましい実施形態では、コンバータ４００は、有利には、変換効率を最大にするためにアノード３０５に接している。コンバータをアノードに当接させることは、本発明の好ましい実施形態としての２段集中装置の重要な特徴である。
【００２２】
幾何学的効率は、ギャップＧ及びコンバータの直径で決まる。電子スポットサイズが無視できる場合（即ち、現に点源である場合）、関係は、ちょうど立体角に関する方程式であり、即ち、Ω＝０．５（１−ｃｏｓθ）である。この理想化された場合では、ギャップがコンバータの半径の２倍である場合、幾何学的変換効率は、１／１０になる。図５及び図６のグラフ図に反映された計算は、電子ビームスポットの有限サイズを考慮に入れており、幾何学的効率の一段の減少を反映している。倍率が１：１であり、標的スポットサイズが２００μｍの集中装置の場合、コンバータ半径は、１００μｍであり、ギャップＧは、２００μｍを超えてはならない。
【００２３】
制限的場合、コンバータ４００をアノード３０５に直接当てることにより又はアノード３０５の一部分をコンバータ４００を構成する材料で被覆することにより、スパッタリングにより、或いは別の蒸着方法によりギャップＧを最小限に抑えることができる。確かに、アノード３０５とコンバータ４００は、隣接して（境を接して）又は同一の広がりを持つように位置するのが良く、これらは、同一の構造的要素を構成しても良いが、以下に説明するように、コンバータの厚さに適応可能な設計上の検討事項と一致するのが良い。
【００２４】
図５及び図６は、ギャップＧの重要な性質を定量的な仕方で実証している。図５は、ギャップ長さの関数として且つ０．１刻みの０．９（最も下側の曲線で表されている）から２（最も上の曲線で表されている）までの範囲にわたるコンバータとアノードの直径の種々の比（ｄ／Ｄ）に関してコンバータにより遮られた主要Ｘ線のフラクションを示している。ｘ軸は、コンバータの直径の単位で表したギャップ幅Ｇである。コンバータ直径ｄは、アノードのところのビーム直径の単位で表されている。
【００２５】
遮ることができる最大フラクションは、０．５である。というのは、アノード３０５からの初段Ｘ線スペクトルの半分が後側半球内で放出されるからである。図５に示されているクロスポイントは、１つの実用的な組をなすパラメータを表しており、即ち、直径が２００μｍの電子ビームは、厚さが７５μｍのベリリウム窓に被着された２μｍの金で構成されたアノードに当たり、直径が４００μｍのコンバータは、ベリリウムに当接している。これらパラメータの結果として、制動Ｘ線の３０％がコンバータによって遮られることになる。
【００２６】
図６は、図５のクロスポイント仕様の特定の例を用いて遮りの確率を詳細に示している。単位面積当たりの遮り確率は、最大値がコンバータの中心に位置するガウス分布のような形をしている。アノードにより放出されたＸ線の全ての累積フラクションは、コンバータの半径が２００μｍのところでは３０％に達する。
【００２７】
コンバータの厚さ
【００２８】
コンバータ材料は、特定の用途について所望の単色特性Ｘ線を生じさせるよう選択されており、例えば、鉄、モリブデン及びテルルは、それぞれ、６．４ｋｅＶ、１７．５ｋｅＶ及び２７．５ｋｅＶの単色放射線を生じさせる。注目されるべきこととして、一般に、ほぼ同じ単色Ｘ線エネルギーを生じさせる２つ以上のコンバータ要素が設けられる。例えば、ＩｎのＫβ線は、ＴｅのＫα1線の１％以内の２３．３ｋｅＶである。Ｉｎコンバータがより適切なコンバータである用途が存在する場合がある。
【００２９】
コンバータ材料の厚さは、求められている信号の信号対雑音を最大にするよう選択されている。一般に、コンバータの厚さは、コンバータ材料中のコンバータＸ線の平均自由経路のオーダの範囲内にあり、即ち、コンバータ材料中のコンバータＸ線の平均自由経路の１／１０〜１０倍である。例えば、テルルの２７．５ｋｅＶＫαＸ線のテルル中の平均自由経路は、１７５μｍである。１００μｍ〜１７５μｍのコンバータ厚さは、高い変換効率を有する。図７は、一例を示しており、図７は、以下の好ましい実施形態の例について計算されたモンテカルロスペクトルの対数グラフ図である。上側の曲線７０は、２μｍＡｕアノード上の電子の５０ｋｅＶビームからの特徴的な線及び連続制動放射線のスペクトルである。下側の曲線７２は、Ａｕアノードから７５μｍのところに位置した厚さが１５０μｍのテルルコンバータから前方に出たスペクトルを示している。図８は、前方に向けられたビームの高い単色度を示すコンバータからのスペクトルの線形グラフ図である。
【００３０】
本発明の実施形態として本明細書に説明している２段コンバータは、有利には、専用Ｘ線管又はＸ線管と集中装置の特定の位置合わせを不要にする。その結果、伝統的な手持ち型機器よりも使用する電力が低い軽量且つ小型のＸＲＦシステムが得られる。同様に、２段集中装置を有利には、他のＸ線システム、例えば運搬可能なシステム、ベンチトップ及び実験室システム並びに波長分散型分光計に利用することができる。
【００３１】
２段焦点合わせビーム法の利点及び欠点を理解するために、これを視準ビーム法及び伝統的な単一段焦点合わせビーム法と比較すると、有用である。２段法は、単一段法と同じほど多くの全電力を標的上にもたらすわけではないが、視準ビーム法よりも効率が２桁以上高い。比較は、プラスチック、土壌及び他のマトリクス中の毒性元素としてのカドミウムを測定する好ましい用途について行われる。
【００３２】
例示の実施形態
【００３３】
図９を参照して説明する例示の実施形態によれば、２７．５ｋｅＶ単色Ｘ線の集中ビームが、物質濃度が調整された毒性元素であるカドミウムの低いレベルのＸＲＦ測定のために提供される。この用途について選択された特定の値が記載されているが、理解されるべきこととして、本発明の範囲内において、パラメータの全ての値は、種々の用途に合うように広い範囲にわたって様々であって良い。
【００３４】
コヒーレントな反射のためのブラッグ条件を広い範囲の幾何学的形状によって満足させることができる。図９に示すコンポーネントの１つの幾何学的構成は、２７．５ｋｅＶＸ線の１次散乱のために配向度の高い合成黒鉛（ＨＯＰＧ）の切頭楕円面９０を用いている。切頭楕円面９０は、長さが３ｃｍであり、中心の内径は、４．２ｍｍである。テルルコンバータ９２が、楕円面の中心から４．５ｃｍのところに位置する左側の焦点のところに位置し、標的１２０は、右側に４．５ｃｍのところに位置している。別の具体化例では、楕円面焦点合わせ要素を放物面又は切頭対数螺線形状に形成しても良い。
【００３５】
Ｔｅコンバータ９２に楕円面焦点合わせ光学素子９０を加えたものは、本発明者が便宜上集中装置９５と呼ぶ単一の剛性独立ユニットを構成する。伝送用Ｘ線管は、厚さ７５μｍＢｅ端部窓に施された金アノードを有する。テルルコンバータは、Ｂｅに当接し、図４〜図６に概略的に示されているギャップＧは、７５μｍである。Ｘ線管に対する集中装置９５の位置合わせは、単一段法の場合のように重要であるということはない。
【００３６】
直径が０．４ｍｍのテルルコンバータ９２は、Ａｕアノード３０５内で生じたＸ線の３０％を遮り、遮ったＸ線のうちで３１．７ｋｅＶよりも高い約３３％を２７．５ｋｅＶのＴｅＫａＸ線に変換する。楕円面９０の幾何学的効率は、約１０-3である。ＨＯＰＧで被覆された楕円面９０の反射効率は、約３５％である。これらの値は、上述の３つの方法相互の１次比較を可能にする。
【００３７】
表１は、コンバータと同一の直径である０．４ｍｍ標的に関するモデル計算の結果を示しており、楕円面は、１：１の倍率を有している。本発明者は、厚さ２μｍのＡｕの層で被覆された厚さ７５μｍのＢｅアノードに対する５０ｋｅＶ電子の２０μＡビーム（１ワット）を前提とした。
【００３８】
表１ ２段光学素子、１段光学素子及び視準の相対的効率
【００３９】
*：ＰＥコンバータは、３１．８ｋｅＶよりも高いＸ線の相当多くの部分を２７ｋｅＶＸ線に変換する。励起エネルギーが低いと、３１．８ｋｅＶから５０ｋｅＶまでのＸ線よりも蛍光をカドミウムに投与する確率が著しく高くなる。
【００４０】
**：幾何学的立体角は、テルル焦点からＨＯＰＧ法ではレンズまで、視準法では標的までであり、これは、管アノードから２０ｍｍのところに位置すると仮定されている。
【００４１】
***：１５ｍｍのところでの０．３ｍｍの視準を前提としている。
【００４２】
表１の特定の例に関する比較結果は、小さな標的スポットにおいて最も高い強度を得るためには、焦点合わせ光学素子を備えた２段コンバータが、変換が行われない焦点合わせ光学素子の場合よりも効率において著しく低いが、焦点合わせ光学素子を使用しない単純な視準よりも効率において著しく高いという一般的な結論を示している。
【００４３】
２段法は、重量及び電力が低いことが重要である状況についてこの２段法を魅力的にする二次的な利点を有している。
【００４４】
Ｘ線管とは独立の集中装置を同一のＸ線管に用いると、Ｘ線管の高い電圧及びコンバータ元素の適正な選択によって数ｋｅＶから１００ｋｅＶの範囲にわたるエネルギーの集中ビームを生じさせることができる。大まかな経験則では、高い電圧は、コンバータ元素のＫ結合エネルギーの１．５〜２倍であるべきである。コンバータ元素の選択では、その蛍光収率を考慮に入れることが必要であり、この蛍光収率は、放出されたＸ線の数と励起回数の比であり、原子数が３０を下回ると、急減する量である。テルル（Ｚ＝５２）、亜鉛（Ｚ＝３０）、鉄（Ｚ＝２６）、Ｃａ（Ｚ＝２０）及びＡｌ（Ｚ＝１３）は、それぞれ８７％、５０％、３３％、１７％及び４％の蛍光収率を有している。
【００４５】
特定の用途向きのコンバータの選択は、以下の検討事項の非排他的な一覧表示によって説明できる。
【００４６】
ａ．サンプル中において蛍光を発するようになった１種類又は複数種類の元素：ＴｅＫα（又はＩｎＫβ）は、Ｃｄを検出するうえで優れた選択肢であり、Ｐｂを検出するのにも利用でき、そのＬ電子エッジは約１５ｋｅＶである。
【００４７】
ｂ．蛍光が回避されるべき元素。Ｃｄ（Ｚ＝４８）に蛍光を投与すべき場合、Ｃｄ領域中に望ましくない背景を与えるＳｂ（５１）又はＳｎ（５０）の蛍光を回避することが望ましい場合が多い。３１ｋｅＶではＴｅのＫβは、両方を励起する。２７．３ｋｅＶでのインジウムのＫβ線は、Ｃｄを励起し、ＴｅＫａへの有効性は２０％に過ぎないが、かかるインジウムのＫβ線は、ＳｎとＳｂのいずれをも励起することができない。ＨＯＰＧの有限の、場合によっては相当大きな需要帯域幅に鑑みて、Ｉｎが好ましい場合がある。
【００４８】
ｃ．主要制動放射線を発生させる電子のエネルギー。
【００４９】
ｄ．安定した形態のコンバータ材料の利用性。コンバータ元素は空中に位置した状態の２段集中装置により、図３の単一段バージョンで一般に可能な場合よりも遥かに広い範囲の元素の使用が可能になっても何にもならない。このバージョンでは、ベリリウム基板上のアノード元素は、真空中に位置し、電子によって溜まった電力を消散しなければならない。
【００５０】
本発明の種々の変形実施形態によれば、集中装置は、これらがＸ線管とは独立である限り、例えばガンバレル構造内に多重化でき、その結果、標的に蛍光を投与するために種々の単一エネルギーを順次選択することができる。次に、図１０を参照して例示の実施形態について説明する。多数の集中装置９０２，９９２が、シーケンス機構体９５０に結合されており、このシーケンス機構体は、源１００とサンプル１２０との間のこれらの順次挿入を可能にする。シーケンス機構体９５０は、Ｘ線ビーム４０４に実質的に垂直な方向９１０に平行移動可能なシャトル又はキャリッジであるのが良く、その結果、集中装置９９２を源とサンプルとの間の経路内の集中装置９０２に取って代わるように位置決めできるようになっている。変形例として、機械的構造体９５０は、軸線９００回りに回転するよう構成されたシリンダであっても良く、この場合も又、多数の集中装置を順次位置決めする。各集中装置は、別個独立の元素組成のコンバータ９２，９９２を有するのが良く、その結果、互いに異なるエネルギーの単色Ｘ線が、シーケンス機構体９５０の各位置に提供されるようになっている。
【００５１】
以下の２つの応用例は、例示である。
【００５２】
ａ．減算により、ＣｄＸ線の強度を分離するための２７．２ｋｅＶ及び２７．５ｋｅＶのＴｅＫａＸ線の集中装置及び２５．０ｋｅＶ及び２５．３ｋｅＶでのＳｎＫａＸ線の集中装置。Ｘ線管の高い電圧は、不変である。
【００５３】
ｂ．毒性元素Ｃｄ，Ｐｂを測定するための５０ｋｅＶという高い電圧を用いた２７．２ｋｅＶ及び２７．５ｋｅＶのＴｅＫａＸ線の集中装置及び毒性元素Ｃｒを測定するための１５ｋｅＶという高い電圧を用いた６．４ｋｅＶのＦｅＸ線の集中装置。
【００５４】
注目されるべきこととして、２段法によれば、位置合わせは、一段焦点合わせ法の位置合わせ上の問題よりも重要性が遥かに低い。後者の場合、アノード上に電子スポットを有する焦点合わせ要素の位置合わせは、上首尾の用途にとって最も困難な課題である場合が多い。２段法では、レンズ物体、即ち、好ましい実施形態ではＴｅの位置合わせは、機械的構成によって固定される。レンズ物体とアノード上の電子ビームの位置合わせは、特に重要であるわけではない。
【００５５】
モノキャピラリ及びポリキャピラリ光学素子は、Ｘ線を全反射のための臨界角によって定められた最大エネルギーまで集中させる。多くの用途に関し、標的に当たる連続スペクトルは、単色ビームと同じほど有効ではない。２つのポリキャピラリ集中装置と１つのブラッグモノクロメータを組み合わせることによって単色ビームを生じさせる少なくとも１つの市販のポリキャピラリ焦点合わせシステムが利用可能である。本明細書において説明した２段集中装置は、モノキャピラリ又はポリキャピラリ光学素子のためのほぼ単色の源を生じさせる非常に安価且つ非常に簡単でより効果的な方法である。
【００５６】
２段法をＸ線蛍光用途のためのその使用と関連して説明したが、この方法は、有利には、Ｘ線の小径の単色ビームが必要な角度分散型及びエネルギー分散型分光法にも利用できる。
【００５７】
本明細書において説明した本発明の実施形態は、単に例示であり、多くの変形例及び改造例が当業者には明らかであろう。かかる変形例及び改造例の全ては、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲に含まれるものである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集中度の高いＸ線で標的を照明する２段集中装置であって、
ａ．多色Ｘ線源を有し、Ｘ線は、Ｘ線生成領域から出ていき、
ｂ．前記Ｘ線生成領域に実質的に当接した状態で配置されていて、Ｘ線の実質的に単色ビームを生じさせるコンバータを有し、
ｃ．前記Ｘ線の実質的に単色ビームを前記標的上に集束させる焦点合わせ要素を有する、２段集中装置。
【請求項２】
前記Ｘ線生成領域は、粒子のエネルギービームが当てられるアノードである、請求項１記載の２段集中装置。
【請求項３】
前記コンバータは、前記アノードに直に当たっている、請求項２記載の２段集中装置。
【請求項４】
前記コンバータは、前記アノードの一部分に被着された被膜を有する、請求項２記載の２段集中装置。
【請求項５】
前記コンバータは、前記アノードに隣接している、請求項２記載の２段集中装置。
【請求項６】
前記Ｘ線生成領域は、Ｘ線管である、請求項１記載の２段集中装置。
【請求項７】
前記コンバータは、鉄、亜鉛、モリブデン、銀、テルル、ビスマス、又はトリムのうちの１つである、請求項１記載の２段集中装置。
【請求項８】
前記コンバータは、所与の材料で構成されており、前記コンバータは、前記材料内の前記Ｘ線の単色ビームの平均自由経路の１／１０倍を超えるが１０倍未満の厚さを備えている、請求項１記載の２段集中装置。
【請求項９】
前記焦点合わせ要素は、ブラッグレフレクタである、請求項１記載の２段集中装置。
【請求項１０】
前記焦点合わせ要素は、切頭楕円面、切頭対数螺線、又は放物面のうちの１つである、請求項１記載の２段集中装置。
【請求項１１】
前記焦点合わせ要素は、配向度の高い合成黒鉛である、請求項１記載の２段集中装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のうちいずれか一に記載の２段集中装置を複数個有するＸ線照明器。
【請求項１３】
前記複数個の２段集中装置の各々と関連したコンバータは、実質的に別個の元素物質で構成されている、請求項１２記載のＸ線照明器。
【請求項１４】
前記複数個の２段集中装置は、シーケンス機構体内に配置されている、請求項１２記載のＸ線照明器。
【請求項１５】
前記シーケンス機構体は、回転シリンダである、請求項１４記載のＸ線照明器。
【請求項１６】
前記シーケンス機構体は、平行移動シャトルである、請求項１４記載のＸ線照明器。
【請求項１７】
集中度の高いＸ線で標的を照明する方法であって、
ａ．多色Ｘ線の初段ビームを生じさせるステップと、
ｂ．前記多色Ｘ線を実質的に単色のＸ線ビームに変換するステップと、
ｃ．前記実質的に単色のＸ線ビームを前記標的上に焦点合わせするステップとを有する、方法。
【請求項１８】
前記多色Ｘ線を実質的に単色のＸ線のビームに変換する前記ステップは、前記多色Ｘ線をＫα放射線が６ｋｅＶ〜２８ｋｅＶであることを特徴とする材料に通すステップを含む、請求項１７記載の方法。
【請求項１】
集中度の高いＸ線で標的を照明する２段集中装置であって、
ａ．多色Ｘ線源を有し、Ｘ線は、Ｘ線生成領域から出ていき、
ｂ．前記Ｘ線生成領域に実質的に当接した状態で配置されていて、Ｘ線の実質的に単色ビームを生じさせるコンバータを有し、
ｃ．前記Ｘ線の実質的に単色ビームを前記標的上に集束させる焦点合わせ要素を有する、２段集中装置。
【請求項２】
前記Ｘ線生成領域は、粒子のエネルギービームが当てられるアノードである、請求項１記載の２段集中装置。
【請求項３】
前記コンバータは、前記アノードに直に当たっている、請求項２記載の２段集中装置。
【請求項４】
前記コンバータは、前記アノードの一部分に被着された被膜を有する、請求項２記載の２段集中装置。
【請求項５】
前記コンバータは、前記アノードに隣接している、請求項２記載の２段集中装置。
【請求項６】
前記Ｘ線生成領域は、Ｘ線管である、請求項１記載の２段集中装置。
【請求項７】
前記コンバータは、鉄、亜鉛、モリブデン、銀、テルル、ビスマス、又はトリムのうちの１つである、請求項１記載の２段集中装置。
【請求項８】
前記コンバータは、所与の材料で構成されており、前記コンバータは、前記材料内の前記Ｘ線の単色ビームの平均自由経路の１／１０倍を超えるが１０倍未満の厚さを備えている、請求項１記載の２段集中装置。
【請求項９】
前記焦点合わせ要素は、ブラッグレフレクタである、請求項１記載の２段集中装置。
【請求項１０】
前記焦点合わせ要素は、切頭楕円面、切頭対数螺線、又は放物面のうちの１つである、請求項１記載の２段集中装置。
【請求項１１】
前記焦点合わせ要素は、配向度の高い合成黒鉛である、請求項１記載の２段集中装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のうちいずれか一に記載の２段集中装置を複数個有するＸ線照明器。
【請求項１３】
前記複数個の２段集中装置の各々と関連したコンバータは、実質的に別個の元素物質で構成されている、請求項１２記載のＸ線照明器。
【請求項１４】
前記複数個の２段集中装置は、シーケンス機構体内に配置されている、請求項１２記載のＸ線照明器。
【請求項１５】
前記シーケンス機構体は、回転シリンダである、請求項１４記載のＸ線照明器。
【請求項１６】
前記シーケンス機構体は、平行移動シャトルである、請求項１４記載のＸ線照明器。
【請求項１７】
集中度の高いＸ線で標的を照明する方法であって、
ａ．多色Ｘ線の初段ビームを生じさせるステップと、
ｂ．前記多色Ｘ線を実質的に単色のＸ線ビームに変換するステップと、
ｃ．前記実質的に単色のＸ線ビームを前記標的上に焦点合わせするステップとを有する、方法。
【請求項１８】
前記多色Ｘ線を実質的に単色のＸ線のビームに変換する前記ステップは、前記多色Ｘ線をＫα放射線が６ｋｅＶ〜２８ｋｅＶであることを特徴とする材料に通すステップを含む、請求項１７記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公表番号】特表２０１０−５０７８１０（Ｐ２０１０−５０７８１０Ａ）
【公表日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５３４８２６（Ｐ２００９−５３４８２６）
【出願日】平成１９年１０月２３日（２００７．１０．２３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０８２２８１
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０５２００２
【国際公開日】平成２０年５月２日（２００８．５．２）
【出願人】（５０８０１９８９４）サーモ ニトン アナライザーズ リミテッド ライアビリティ カンパニー (12)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月２３日（２００７．１０．２３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０８２２８１
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０５２００２
【国際公開日】平成２０年５月２日（２００８．５．２）
【出願人】（５０８０１９８９４）サーモ ニトン アナライザーズ リミテッド ライアビリティ カンパニー (12)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]