Ｘ線分光検出装置
【課題】測定時間を短くすることができ、且つ簡易な構成で完全分光を実現することができるＸ線分光検出装置を提供する。
【解決手段】Ｘ線分光検出装置１Ａは、Ｘ線若しくは電子線の照射によって該試料１０表面における直径１００μｍ以下の微小分析点Ｐから放射された特性Ｘ線２を波長毎に分光して検出する。Ｘ線分光検出装置１Ａは、分光結晶２０及び二次元Ｘ線検出器３０を備える。分光結晶２０は、微小分析点Ｐから放射された特性Ｘ線２を受ける平坦な回折反射面２０ａを有し、特性Ｘ線２に含まれる波長成分のうち該回折反射面２０ａへの入射角に応じた波長成分を回折反射することにより、特性Ｘ線２を波長毎に分光する。二次元Ｘ線検出器３０は、分光結晶２０において回折反射した特性Ｘ線２を受ける受光面３０ａを有し、該受光面３０ａに入射した特性Ｘ線２の入射位置および強度に関するデータを生成する。
【解決手段】Ｘ線分光検出装置１Ａは、Ｘ線若しくは電子線の照射によって該試料１０表面における直径１００μｍ以下の微小分析点Ｐから放射された特性Ｘ線２を波長毎に分光して検出する。Ｘ線分光検出装置１Ａは、分光結晶２０及び二次元Ｘ線検出器３０を備える。分光結晶２０は、微小分析点Ｐから放射された特性Ｘ線２を受ける平坦な回折反射面２０ａを有し、特性Ｘ線２に含まれる波長成分のうち該回折反射面２０ａへの入射角に応じた波長成分を回折反射することにより、特性Ｘ線２を波長毎に分光する。二次元Ｘ線検出器３０は、分光結晶２０において回折反射した特性Ｘ線２を受ける受光面３０ａを有し、該受光面３０ａに入射した特性Ｘ線２の入射位置および強度に関するデータを生成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線分光検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、分光結晶を用いた波長分散型のＸ線分析装置が記載されている。この装置が備える分光結晶は、所定の基準直線を含む基準平面に対して垂直に交わる円弧を連ねた形状を成す内側面を有している。内側面の円弧の曲率半径は、基準直線の一端側に配置された試料から基準直線の他端側に配置されたＸ線検出器に近づくほど小さくなっている。試料から放出されたＸ線は分光結晶に入射し、その入射角に応じた波長のＸ線のみが反射してＸ線検出器に入射する。
【０００３】
特許文献２には、Ｘ線エネルギー検出器が記載されている。このＸ線エネルギー検出器は、Ｘ線分光素子（分光結晶）と、二次元Ｘ線画像検出器とを備えている。Ｘ線分光素子により分光されたＸ線のエネルギーは、二次元Ｘ線画像検出器におけるＸ線の検出位置によって識別される。この二次元Ｘ線画像検出器における検出画像に画像処理を施すことにより、各エネルギー毎のＸ線強度を得る。
【０００４】
特許文献３には、Ｘ線分光装置が記載されている。このＸ線分光装置は、分光結晶及び位置検出型Ｘ線検出器を備えている。分光結晶は、仮想放物線の焦点に配置され、試料から放出されたＸ線を反射する。分光結晶は、反射したＸ線が平行になるよう、仮想放物線に沿って湾曲している。位置検出型Ｘ線検出器は、分光結晶において反射した平行Ｘ線の進行方向に対して垂直な方向に延びており、この平行Ｘ線を検出する。
【０００５】
特許文献４には、Ｘ線分析装置が記載されている。このＸ線分析装置は、分光器にＸ線を照射し、該分光器によって分光された特定波長のＸ線を二次元Ｘ線検出器を用いて検出することにより、Ｘ線分析を行うものである。分光器は、一結晶中に面間隔及び方位が異なる複数の結晶面を含む分光結晶を有しており、複数の結晶面によってＸ線を同時に複数の異なる波長に分光する。分光された複数のＸ線は、二次元検出器によって同時に検出される。
【０００６】
特許文献５には、非走査型且つ波長分散型のＸ線分析装置が記載されている。この装置は、Ｘ線若しくは電子線を試料に照射し、試料から発生する蛍光Ｘ線若しくは特性Ｘ線を曲率分布結晶（分光結晶）に入射させる。この曲率分布結晶では、或る円筒面に対して垂直な方向に結晶方向が制御されており、その回折現象を用いて、Ｘ線がその波長毎に異なる位置に集光される。そして、それらのＸ線を二次元若しくは一次元のＸ線検出器で検出することにより、一定の波長範囲のＸ線スペクトルを一度に測定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−９５２２４号公報
【特許文献２】特開平７−３１８６５８号公報
【特許文献３】特公平７−９５０４５号公報
【特許文献４】特開２０００−６５７６３号公報
【特許文献５】特開２００８−１８０６５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
Ｘ線分光には、大別して二種類の方式がある。一つはエネルギー分散型（Energy Dispersive X-ray spectroscopy；ＥＤＸ）であり、他の一つは波長分散型（wavelength dispersiveX-ray spectrometry；ＷＤＸ）である。これらの方式のうち、ＥＤＸは、電子ビーム等を試料に照射した際に発生する特性Ｘ線を検出し、この特性Ｘ線のエネルギー分布に基づいて、試料の構成元素を分析する手法である。ＥＤＸは、全エネルギー領域を一度に検出して分析することができるので簡易な方式ではあるが、エネルギー分解能やＳ／Ｎ比がＷＤＸよりも劣るため、微量元素の分析や精密分析には不向きである。
【０００９】
一方、ＷＤＸは、電子ビーム等を試料に照射した際に発生する特性Ｘ線を波長毎に分光したのち、各波長それぞれのＸ線強度を検出し、試料の構成元素を分析する手法である。ここで、図１６は、ＷＤＸの基本原理を示す図である。ＷＤＸでは、原子が規則正しく並んだ分光結晶１０１に、特性Ｘ線１０２を入射させる。このとき、特性Ｘ線１０２の波長と入射角の余角θとがブラッグの反射条件（ｎλ＝２ｄｓｉｎ（９０°−θ）；但しｎは正の整数、λはＸ線の波長、ｄは結晶面間隔、θは入射角余角である）を満たす場合に回折が生じる。すなわち、角度θの大きさに対応して、特性Ｘ線に含まれる一つの波長が選択的に反射される。一般的なＷＤＸでは、角度θを順次変化させることにより、特性Ｘ線を波長毎に分光してそれらの強度を検出する。
【００１０】
ＷＤＸにおいて、微小な部分から発生した特性Ｘ線を分光する際には、一般的に、図１７に示されるような分光器が用いられる。この分光器では、試料の微小部分１０５から発生した特性Ｘ線１０２が湾曲分光結晶１０３に入射する。そして、その入射角の余角θに応じた一の波長成分のみが分光されて反射し、該波長成分がＸ線検出器１０６によって検出される。この分光器において分光される波長を変える際には、湾曲分光結晶１０３を変位させる。このとき、Ｘ線の発生源である微小部分１０５と、湾曲分光結晶１０３と、Ｘ線検出器１０６とは、常にローランド円ＣＲ上に位置する必要がある。
【００１１】
なお、このような分光器に用いられる湾曲分光結晶には、例えば次の二種類がある。図１８（ａ）は、ヨハン型と呼ばれる湾曲分光結晶１０３Ａを示している。このヨハン型湾曲分光結晶１０３Ａの結晶面の曲率半径は、ローランド円ＣＲの半径Ｒの２倍（２Ｒ）となっている。表面（Ｘ線入射面）の曲率半径も同様である。しかし、このヨハン型湾曲分光結晶１０３Ａでは、表面がローランド円ＣＲからずれているため、焦点が僅かにぼやけてしまい、集光および分光が不完全となる。
【００１２】
一方、図１８（ｂ）は、ヨハンソン型と呼ばれる湾曲分光結晶１０３Ｂを示している。このヨハンソン型湾曲分光結晶１０３Ｂの結晶面の曲率半径はヨハン型と同じくローランド円ＣＲの半径Ｒの２倍（２Ｒ）であるが、ヨハン型と異なり、その表面（Ｘ線入射面）はローランド円ＣＲの曲率となるように研磨されている。これにより、ヨハンソン型湾曲分光結晶１０３Ｂでは、結晶表面で回折されたＸ線が、ローランド円ＣＲ上のＸ線検出器１０６において焦点をより正確に結ぶことができ、集光および分光をより完全なものに近づけることができる。しかしながら、このような曲率の表面を有するヨハンソン型湾曲分光結晶１０３Ｂを作製する為には高度な生産技術が必要となる。
【００１３】
また、図１７及び図１８に示されたような分光器では、入射角の余角θを変化させるために湾曲分光結晶１０３を移動させると、湾曲分光結晶１０３に入射する特性Ｘ線の微小部分１０５における出射角が変化する。したがって、試料からの該特性Ｘ線の脱出深さが変化し、また試料の微小部分１０５の凹凸の影響も変化する。このため、より高精度に集光および分光を行う為に、いわゆる結晶直進型の湾曲結晶分光器が用いられることがある。しかしながら、この分光器には、複雑な動きを実現するための精密な微動機構が必要となる。
【００１４】
図１７及び図１８に示された分光器とは異なる、図１９に示されるような分光器も考えられる。図１９に示される分光器は、ＭＣＸ（Multi Capillary X-ray Lens、ポリキャピラリーとも言われる）といったＸ線レンズを用いたものであって、ＭＣＸ分光器と呼ばれている。この分光器は、ＭＣＸ１１０と、平板分光結晶１１１と、Ｘ線検出器１１２とを備えている。試料１００の微小部分１０５に電子線等が照射されることによって発生した特性Ｘ線１０２は、ＭＣＸ１１０を通過する間に平行化され、平板分光結晶１１１に達する。特性Ｘ線１０２は、平板分光結晶１１１において反射し、Ｘ線検出器１１２によって検出される。この分光器では、平板分光結晶１１１の角度を変化させることによって、特性Ｘ線１０２に含まれる各波長成分の強度を個別に測定することができる。
【００１５】
図２０（ａ）は、ＭＣＸ１１０の側断面図である。図２０（ａ）に示されるように、ＭＣＸ１１０は、内径が小さく内面に凸凹のない多数の中空管１１０ａが束ねられた構成を備えており、各中空管１１０ａの一端側は或る焦点（試料の微小部分１０５）に向けて延びており、他端側は互いに並行に延びている。これらの中空管１１０ａの一端に入射した特性Ｘ線１０２の進行方向は、図２０（ｂ）に示されるように中空管１１０ａの内部を進みながら変化する。そして、これらのＸ線は、平行Ｘ線として中空管１１０ａの他端から出射される。
【００１６】
図１９及び図２０に示された分光器は、平板分光結晶１１１を用いており、また比較的簡易な機構（θ−２θゴニオメーター）によって実現可能であり、試料からの特性Ｘ線の出射角も一定である。
【００１７】
しかしながら、図１９及び図２０に示された分光器においても、図１７及び図１８に示されたものと同様、分光結晶およびＸ線検出器の移動及び角度変化のための機構を必要とするので、装置が複雑になってしまう。また、分光測定の際に分光結晶およびＸ線検出器の移動と角度変化とを伴うので、測定対象である波長域内の全ての波長にわたって測定結果を得るためには、一定の時間を必要とする。したがって、未知な試料を同定する場合には、長時間を要する場合があり、分析対象によっては不都合が生じることがある。
【００１８】
例えば、ＷＤＸを用いた分析として、定性分析や定量分析の他に、状態分析がある。状態分析とは、特性Ｘ線のスペクトルが元素の存在状態により微妙に変化することを利用して、試料元素の状態を分析することをいう。例えば、図２１は、（ａ）マグネシウム、（ｂ）アルミニウム、及び（ｃ）シリコンのＫα及びＫαサテライトのスペクトルの状態変化を示している。また、図２２は硫黄（Ｓ）のＫβスペクトルの状態変化を示しており、スペクトルＳ１１は硫黄（Ｓ）としての状態、スペクトルＳ１２は硫化亜鉛（ＺｎＳ）としての状態、スペクトルＳ１３は硫酸銅（ＣｕＳＯ４）としての状態をそれぞれ示している。また、図２３は、酸素（Ｏ）のＫバンドスペクトルの状態変化を示しており、スペクトルＳ２１は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）としての状態、スペクトルＳ２２は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）としての状態、スペクトルＳ２３は酸化シリコン（ＳｉＯ２）としての状態をそれぞれ示している。また、図２４は炭素（Ｃ）のＫバンドスペクトルの状態変化を示しており、スペクトルＳ３１はＳｉＣとしての状態、スペクトルＳ３２はＣｒ３Ｃ２としての状態、スペクトルＳ３３はＢ４Ｃとしての状態、スペクトルＳ３４はフラーレンとしての状態、スペクトルＳ３５はグラファイトとしての状態、スペクトルＳ３６はダイアモンドとしての状態をそれぞれ示している。なお、図２１〜図２３はヨハンソン型分光結晶を、図２４はヨハン型擬似分光結晶をそれぞれ搭載した結晶直進型の湾曲結晶分光器により測定されたものである。
【００１９】
図２１〜図２４に例示されたような状態分析では、分析対象となる元素の詳細なスペクトル形状の測定が必要である。しかし、その為には、そのスペクトル形状を含む波長領域を、極めて短い波長間隔でもって測定することが必要となる。そのような測定には長い時間が必要なので、測定開始から測定終了までの間に、試料元素の状態が変化するおそれがある。また、詳細なスペクトル形状は測定終了後に初めて判明するので、適切な波長間隔や各波長における積分時間などの設定には、経験による予測や試行錯誤が必要となる。
【００２０】
また、図１９及び図２０に示された分光器では、ＭＣＸ１１０によって特性Ｘ線を完全な平行光とすることは困難である。図２５は、完全に平行な特性Ｘ線１０２が平板分光結晶１１１において反射する様子を示す図である。図２５に示されるように、特性Ｘ線１０２を完全に平行化することができれば、Ｘ線を各波長成分に正確に分光することができる。（以下、このような分光を「完全分光」という。完全分光とは、スペクトル波形に歪みがなく、測定誤差が殆ど無い分光のことである。）しかし、ＭＣＸ１１０の各中空管１１０ａの内部では、Ｘ線の進行方向は当該中空管１１０ａの中心軸線に対して最大で全反射臨界角相当の傾きを有しており、その傾きのまま他端（出射端）から出射される。したがって、ＭＣＸ１１０から出力されるＸ線は厳密には平行光とはならないので、完全分光の実現は困難である。
【００２１】
なお、一般的な蛍光Ｘ線分析では、試料から発生する蛍光Ｘ線が広がりを有するので、ソーラースリットによって平行成分を取り出し、平板分光結晶に入射させている。図２６（ａ）〜（ｃ）は、ソーラースリット１２０の板間隔と、出力される蛍光Ｘ線１２１の強度との関係を説明するための図である。図２６（ａ）に示されるように、ソーラースリット１２０の板間隔が広い場合、出力される蛍光Ｘ線１２１の平行度は低い。これに対し、図２６（ｂ）、（ｃ）に示されるように、ソーラースリット１２０の板間隔が狭くなるほど、出力される蛍光Ｘ線１２１の平行度は高くなる。しかしながら、ソーラースリット１２０の板間隔が狭くなるほど、出力される蛍光Ｘ線１２１の強度が弱くなってしまう。完全分光を実現するためには、ソーラースリット１２０の板間隔を限りなく狭くして蛍光Ｘ線１２１の平行度を極限まで高める必要があるが、そうすると蛍光Ｘ線１２１の強度が限りなく弱くなってしまうので、現実的には完全分光を実現することができない。このことは、図１９及び図２０に示されたＭＣＸ分光器において、ＭＣＸ１１０と平板分光結晶１１１との間にソーラースリットを挿入したとしても同様である。
【００２２】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、測定時間を短くすることができ、且つ簡易な構成で完全分光を実現することができるＸ線分光検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上述した課題を解決するために、本発明による第１のＸ線分光検出装置は、試料表面へのＸ線若しくは電子線の照射によって該試料表面における直径１００μｍ以下の微小分析点から放射された、軟Ｘ線領域に含まれる特性Ｘ線を波長毎に分光して検出するＸ線分光検出装置であって、微小分析点から放射された特性Ｘ線を受ける平坦な回折反射面を有し、特性Ｘ線に含まれる波長成分のうち該回折反射面への入射角に応じた波長成分を回折反射することにより、特性Ｘ線を波長毎に分光する分光結晶と、分光結晶において回折反射した特性Ｘ線を受ける受光面を有し、該受光面に入射した特性Ｘ線の入射位置および強度に関するデータを生成する二次元Ｘ線検出器とを備えることを特徴とする。
【００２４】
この第１のＸ線分光検出装置では、微小分析点から放射された特性Ｘ線の全波長成分を分光結晶の平坦な回折反射面で受け、回折反射面上の各位置毎の入射角に対応する波長成分を選択的に回折反射させることによって分光する。これにより、従来のＷＤＸ装置のような、入射角を変化させるための分光結晶の移動や角度変化を必要とせず、分光結晶及び二次元Ｘ線検出器を固定したまま測定することができる。したがって、所望の波長域に含まれる各波長毎の強度を同時に取得して特性Ｘ線スペクトルを演算することができるので、測定時間を大幅に短縮することができる。
【００２５】
また、第１のＸ線分光検出装置では、上述したように、入射角を変化させるための分光結晶の移動や角度変化を必要とせず、分光結晶及び二次元Ｘ線検出器を固定したまま測定することができる。したがって、分光結晶の移動や角度変化のための複雑な装置が不要となり、簡易な構成で特性Ｘ線スペクトルを得ることができる。
【００２６】
また、第１のＸ線分光検出装置では、試料の表面の微小分析点が、直径１００μｍ以下といった、極めて小さなものである。したがって、分光結晶の回折反射面の各位置において特定の波長成分が回折反射する際、それらの位置に入射する特定Ｘ線の入射角のばらつきが極めて小さい。これにより、各位置の入射角に対応する波長成分のみを極めて高い精度で選択的に回折反射させることができるので、特性Ｘ線を各波長成分に厳密に（高い分解能で）分光することができる。すなわち、第１のＸ線分光検出装置によれば、完全分光を実現することができる。
【００２７】
また、湾曲分光結晶を用いる従来の装置（ヨハン型、ヨハンソン型など）では、分光結晶の湾曲した回折反射面を高い精度で形成することが難しいこともまた、入射角にばらつきが生じる原因となる。これに対し、第１のＸ線分光検出装置では、回折反射面が平坦となっている。平坦な回折反射面は加工がし易く、高い精度で平坦に形成することができる。したがって、回折反射面の各位置に入射する特定Ｘ線の入射角のばらつきをなくし、完全分光を実現することができる。
【００２８】
また、第１のＸ線分光検出装置では、微小分析点の直径が５０μｍ以下であることがより好ましい。これにより、分光結晶の回折反射面の各位置において特定の波長成分が回折反射する際、それらの位置に入射する特定Ｘ線の入射角のばらつきが更に小さくなり、各位置の入射角に対応する波長成分のみを更に高い精度で選択的に回折反射させることができる。
【００２９】
また、第１のＸ線分光検出装置では、分光結晶の格子間隔が４Åより大きいことが好ましく、５０Åより大きいことが尚好ましい。これにより、軟Ｘ線領域に含まれる特性Ｘ線を好適に分光することができる。
【００３０】
また、第１のＸ線分光検出装置では、分光結晶が、ＰＥＴ、ＡＤＰ、ＲＡＰ、ＴＡＰ、及びＰｂＳＴからなる群から選択される少なくとも一つの材料を含むことが好ましい。これにより、軟Ｘ線領域に含まれる特性Ｘ線を好適に分光することができる。
【００３１】
また、本発明による第２のＸ線分光検出装置は、試料表面へのＸ線若しくは電子線の照射によって該試料表面における直径１０μｍ以下の微小分析点から放射された特性Ｘ線を波長毎に分光して検出するＸ線分光検出装置であって、微小分析点から放射された特性Ｘ線を受ける平坦な回折反射面を有し、特性Ｘ線に含まれる波長成分のうち該回折反射面への入射角に応じた波長成分を回折反射することにより、特性Ｘ線を波長毎に分光する分光結晶と、分光結晶において回折反射した特性Ｘ線を受ける受光面を有し、該受光面に入射した特性Ｘ線の入射位置および強度に関するデータを生成する二次元Ｘ線検出器とを備えることを特徴とする。
【００３２】
この第２のＸ線分光検出装置では、第１のＸ線分光検出装置と同様に、微小分析点から放射された特性Ｘ線の全波長成分を分光結晶の平坦な回折反射面で受け、回折反射面上の各位置毎の入射角に対応する波長成分を選択的に回折反射させることによって分光する。したがって、従来のＷＤＸ装置のような、入射角を変化させるための分光結晶の移動や角度変化を必要としないので、測定時間を大幅に短縮することができる。更に、分光結晶の移動や角度変化のための複雑な装置が不要となり、簡易な構成で特性Ｘ線スペクトルを得ることができる。
【００３３】
また、第２のＸ線分光検出装置では、試料の表面の微小分析点が、直径１０μｍ以下といった、極めて小さなものである。したがって、分光結晶の回折反射面の各位置において特定の波長成分が回折反射する際、それらの位置に入射する特定Ｘ線の入射角のばらつきが極めて小さい。これにより、各位置の入射角に対応する波長成分のみを極めて高い精度で選択的に回折反射させることができるので、特性Ｘ線を各波長成分に厳密に（高い分解能で）分光することができる。すなわち、第２のＸ線分光検出装置によれば、完全分光を実現することができる。
【００３４】
また、第２のＸ線分光検出装置では、回折反射面が平坦となっているので、回折反射面の各位置に入射する特定Ｘ線の入射角のばらつきをなくし、完全分光を実現することができる。
【００３５】
また、第２のＸ線分光検出装置は、分光結晶の格子間隔が２Åより大きいことが好ましい。
【００３６】
また、第２のＸ線分光検出装置は、分光結晶が、ＬｉＦ、ＰＥＴ、ＡＤＰ、ＲＡＰ、ＴＡＰ、及びＰｂＳＴからなる群から選択される少なくとも一つの材料を含むことが好ましい。
【００３７】
また、第１及び第２のＸ線分光検出装置は、微小分析点と二次元Ｘ線検出器の受光面との間に配置され、微小分析点から受光面に直接到達しようとする特性Ｘ線を遮る遮蔽部材を更に備えることを特徴としてもよい。これにより、回折反射面において回折反射した特性Ｘ線を受光面に好適に到達させるとともに、微小分析点から受光面に直接到達しようとする特性Ｘ線を効果的に遮ることができるので、二次元Ｘ線検出器におけるＳ／Ｎ比を改善することができる。
【００３８】
また、Ｘ線分光検出装置が遮蔽部材を備える場合、微小分析点から分光結晶を経て受光面に到達する特性Ｘ線のうち、分光結晶の表面への入射角が最も小さい特性Ｘ線が分光結晶の表面において回折反射する位置を第１の位置とし、第１の位置において回折反射した特性Ｘ線が受光面に到達する位置を第２の位置とし、分光結晶の表面への入射角が最も大きい特性Ｘ線が分光結晶の表面において回折反射する位置を第３の位置とし、第３の位置において回折反射した特性Ｘ線が受光面に到達する位置を第４の位置としたときに、遮蔽部材の分光結晶側の端縁が、微小分析点と第３の位置とを通る第１の境界、微小分析点と第４の位置とを通る第２の境界、及び第１の位置と第２の位置とを通る第３の境界によって囲まれる空間内に位置することが好ましい。これにより、微小分析点から受光面に直接到達しようとする特性Ｘ線を効果的に遮ることができる。
【００３９】
また、第１及び第２のＸ線分光検出装置は、二次元Ｘ線検出器から出力されたデータを、所定方向に並ぶ複数の領域毎に積算する演算処理部を更に備えることが好ましい。
【００４０】
また、第１及び第２のＸ線分光検出装置では、複数の領域それぞれが線状を呈していることが好ましい。
【００４１】
また、第１及び第２のＸ線分光検出装置では、演算処理部が、データを積算する際、当該領域内における検出位置に応じた重みを乗じて積算することが好ましい。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によるＸ線分光検出装置によれば、測定時間を短くすることができ、且つ簡易な構成で完全分光を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施形態に係るＸ線分光検出装置の構成を示す図である。
【図２】一実施形態に係るＸ線分光検出装置の更に好ましい構成を示す図である。
【図３】二次元Ｘ線検出器の構成の一例を示す図である。
【図４】（ａ）二次元データが示す画像データの一例を示す図である。（ｂ）二次元データのＭ個の画素の各々がＮ分割されて成るＭ×Ｎ個の微細画素からなる、微細化画像データを概略的に示す図である。
【図５】分光結晶の回折反射面の法線方向から見た、微小分析点、分光結晶、及び特性Ｘ線を示す平面図である。
【図６】回折反射面に平行な方向から見た、分光結晶、二次元Ｘ線検出器、及び特性Ｘ線を示す正面図である。
【図７】微細化画像データを概略的に示す図である。
【図８】従来のＷＤＸ（ヨハンソン型湾曲分光結晶分光器）によって測定されたステンレス鋼（ＳＵＳ）の特性Ｘ線スペクトルを示すグラフである。
【図９】図８と同じステンレス鋼について、Ｘ線分光検出装置によって得られた微細化画像データと、この微細化画像データを複数の領域毎に積算して得られた特性Ｘ線スペクトルを示す図である。
【図１０】図８と同じステンレス鋼について、Ｘ線分光検出装置によって得られた微細化画像データと、この微細化画像データを複数の領域毎に積算して得られた特性Ｘ線スペクトルを示す図である。
【図１１】従来のＷＤＸ（ヨハンソン型湾曲分光結晶分光器）によって測定された純銅（Ｃｕ）の特性Ｘ線スペクトルを示すグラフである。
【図１２】図１１と同じ純銅について、Ｘ線分光検出装置によって得られた微細化画像データと、この微細化画像データを複数の領域毎に積算して得られた特性Ｘ線スペクトルを示す図である。
【図１３】微小分析点の大きさを直径１０μｍとしたときのＣｕに関する微細化画像データを示す図である。
【図１４】図１３に示された微細化画像データを積算することによって算出されたＣｕの特性Ｘ線スペクトル波形を、微細化画像データに重ねた様子を示す図である。
【図１５】入射角余角θの最大値θｍａｘおよび最小値θｍｉｎが制限される原理を示す図である。
【図１６】ＷＤＸの基本原理を示す図である。
【図１７】ＷＤＸにおいて、微小な部分から発生した特性Ｘ線を分光する際に一般的に用いられる分光器を示す図である。
【図１８】（ａ）ヨハン型と呼ばれる湾曲分光結晶を示す図である。（ｂ）ヨハンソン型と呼ばれる湾曲分光結晶を示す図である。
【図１９】ＭＣＸ（Multi Capillary X-ray Lens）といったＸ線レンズを用いた分光器を示す図である。
【図２０】ＭＣＸの側断面図である。
【図２１】（ａ）マグネシウム、（ｂ）アルミニウム、及び（ｃ）シリコンのＫα及びＫαサテライトのスペクトルの状態変化を示している。
【図２２】硫黄（Ｓ）のＫβスペクトルの状態変化を示している。
【図２３】酸素（Ｏ）のＫバンドスペクトルの状態変化を示している。
【図２４】炭素（Ｃ）のＫバンドスペクトルの状態変化を示している。
【図２５】完全に平行な特性Ｘ線が平板分光結晶において反射する様子を示す図である。
【図２６】ソーラースリットの板間隔と、出力される蛍光Ｘ線の強度との関係を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
以下、添付図面を参照しながら本発明によるＸ線分光検出装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００４５】
図１は、本発明の一実施形態に係るＸ線分光検出装置の構成を示す図である。本実施形態のＸ線分光検出装置１Ａは、試料１０の表面１０ａへＸ線若しくは電子線を照射し、表面１０ａの微小分析点Ｐから放射された特性Ｘ線２を波長毎に分光して検出する装置である。微小分析点Ｐの大きさ（直径）は、例えば試料１０が炭素等であって特性Ｘ線２が軟Ｘ線領域に含まれる場合には１００μｍ以下であり、より好適には５０μｍ以下である。また、例えば試料１０が銅などであって特性Ｘ線２が軟Ｘ線領域より短い波長領域に含まれる場合には、微小分析点Ｐの好適な大きさ（直径）は１０μｍ以下である。このような微小分析点Ｐの大きさは、例えば試料１０の表面１０ａへ照射されるＸ線若しくは電子線の径を制御することによって行われる。
【００４６】
図１に示されるように、本実施形態のＸ線分光検出装置１Ａは、分光結晶２０、二次元Ｘ線検出器３０及び演算処理部４０を備えている。分光結晶２０は平板分光結晶であり、特性Ｘ線の回折及び反射に寄与する回折反射面２０ａを有している。回折反射面２０ａは極めて高い平坦性を有しており、試料１０の微小分析点Ｐから放射された特性Ｘ線２の一部を受ける。分光結晶２０は、例えばＬｉＦ、ＰＥＴ、ＡＤＰ、ＲＡＰ、ＴＡＰ、及びＰｂＳＴから成る群から選択される少なくとも一つの材料を含んで構成される。特に、特性Ｘ線２が軟Ｘ線領域に含まれる場合には、分光結晶２０は、ＰＥＴ、ＡＤＰ、ＲＡＰ、ＴＡＰ、及びＰｂＳＴから成る群から選択される少なくとも一つの材料を含んで構成される。
【００４７】
分光結晶２０は、特性Ｘ線２に含まれる波長成分のうち回折反射面２０ａへの入射角に応じた波長成分を回折反射することにより、特性Ｘ線２を波長毎に分光する。ここで、図１には、微小分析点Ｐから放射された特性Ｘ線２に含まれる３つの波長成分２ａ〜２ｃが示されている。これらの波長成分２ａ〜２ｃは、互いに波長が異なり、微小分析点Ｐからほぼ等方的に放射される。微小分析点Ｐから特性Ｘ線２が放射されると、これらの波長成分２ａ〜２ｃは、回折反射面２０ａ上の全ての位置に入射する。そして、回折反射面２０ａ上において、入射角の余角θ１と波長成分２ａの波長とがブラッグ反射条件を満たす位置（図中の位置Ｐａ）では、波長成分２ａのみが回折を生じて選択的に反射される。同様に、入射角の余角θ２と波長成分２ｂの波長とがブラッグ反射条件を満たす位置（図中の位置Ｐｂ）では波長成分２ｂのみが選択的に反射され、入射角の余角θ３と波長成分２ｃの波長とがブラッグ反射条件を満たす位置（図中の位置Ｐｃ）では波長成分２ｃのみが選択的に反射される。ここでは３つの波長成分２ａ〜２ｃを例示したが、特性Ｘ線に含まれる他の波長成分についても同様である。このように、各波長成分毎に回折を生じる位置が異なるので、特性Ｘ線２に含まれる各波長成分がそれぞれ分光される。
【００４８】
本実施形態では、微小分析点Ｐの大きさが極めて小さい（１００μｍ以下）ので、回折反射面２０ａにおける一つの位置への特性Ｘ線２の入射角のばらつきもまた極めて小さい。したがって、回折反射面２０ａ上の各位置では、その位置への入射角余角θに対応する波長成分が、極めて精度良く、ばらつきが殆ど無い状態で分光される。つまり、本実施形態では、特性Ｘ線２の完全分光が行われる。
【００４９】
また、例えば試料１０が炭素等であって特性Ｘ線２が軟Ｘ線領域に含まれる場合、分光結晶２０の格子間隔は、４Åより大きいことが好ましく、５０Åより大きいことがより好ましい。これにより、軟Ｘ線領域の特性Ｘ線２を好適に分光することができる。また、例えば試料１０が銅などであって特性Ｘ線２が軟Ｘ線領域より短い波長領域に含まれる場合には、分光結晶２０の格子間隔は２Åより大きいことが好ましい。
【００５０】
二次元Ｘ線検出器３０は、分光結晶２０の回折反射面２０ａに対し、試料１０の微小分析点Ｐと同じ側に配置される。二次元Ｘ線検出器３０は、回折反射面２０ａにおいて回折反射した特性Ｘ線２を受ける受光面３０ａを有しており、受光面３０ａに入射した特性Ｘ線２の入射位置および強度に関する二次元データを、いわゆる単一光子計測（フォトンカウンティング）によって生成する。
【００５１】
ここで、図２は、本実施形態に係るＸ線分光検出装置１Ａの更に好ましい構成を示す図である。図２に示されるＸ線分光検出装置１Ａは、図１に示された構成に加えて、遮蔽部材５０を更に備えている。遮蔽部材５０は、Ｘ線を遮ることが可能な材質を含む板状の部材であって、微小分析点Ｐと二次元Ｘ線検出器３０の受光面３０ａとの間に配置される。遮蔽部材５０は、微小分析点Ｐから受光面３０ａに直接到達しようとする特性Ｘ線２を遮る。
【００５２】
遮蔽部材５０の配置について、より具体的に説明する。いま、微小分析点Ｐから分光結晶２０の回折反射面２０ａを経て二次元Ｘ線検出器３０の受光面３０ａに到達する特性Ｘ線２のうち、回折反射面２０ａへの入射角が最も小さい（すなわち、入射角の余角θが最も大きい）特性Ｘ線２ｄが回折反射面２０ａにおいて回折反射する位置を第１の位置Ｐ１とする。そして、第１の位置Ｐ１において回折反射した特性Ｘ線２ｄが受光面３０ａに到達する位置を第２の位置Ｐ２とする。また、回折反射面２０ａへの入射角が最も大きい（すなわち、入射角の余角θが最も小さい）特性Ｘ線２ｅが回折反射面２０ａにおいて回折反射する位置を第３の位置Ｐ３とする。そして、第３の位置Ｐ３において回折反射した特性Ｘ線２ｅが受光面３０ａに到達する位置を第４の位置Ｐ４とする。この場合、遮蔽部材５０の分光結晶２０側の端縁５０ａは、微小分析点Ｐと第３の位置Ｐ３とを通る第１の境界Ａ１と、微小分析点Ｐと第４の位置Ｐ４とを通る第２の境界Ａ２と、及び第１の位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２とを通る第３の境界Ａ３とによって囲まれる空間Ｂ（図中に斜線で示されている）内に位置するとよい。遮蔽部材５０の端縁５０ａがこのような領域内に配置されることによって、回折反射面２０ａにおいて回折反射した特性Ｘ線２を受光面３０ａに好適に到達させるとともに、微小分析点Ｐから受光面３０ａに直接到達しようとする特性Ｘ線２を効果的に遮ることができる。これにより、二次元Ｘ線検出器３０におけるＳ／Ｎ比を改善することができる。
【００５３】
図３は、二次元Ｘ線検出器３０の構成の一例を示す図である。同図に示されるように、二次元Ｘ線検出器３０は、光電変換部３１と、電子増倍部３２と、蛍光面３３と、光検出部３４と、演算部３５とを有する。光電変換部３１は、回折反射面２０ａから到達した特性Ｘ線２を電子ｅ１に変換し、この電子ｅ１を電子増倍部３２へ出射する。電子増倍部３２は、光電変換部３１で発生した電子ｅ１の二次元位置を維持しつつ、この電子ｅ１の二次電子増倍を行い、増倍された電子ｅ２を蛍光面３３へ出射する。蛍光面３３は、電子増倍部３２から出射された電子ｅ２の二次元位置を維持しつつ、電子ｅ２を光Ｌに変換し、この光Ｌを光検出部３４へ出射する。光検出部３４は、二次元配置されたＭ個（Ｍは４以上の整数）の画素を有するＣＣＤカメラ等の撮像素子を含んで構成され、蛍光面３３から出射される光Ｌを画素毎に検出して電気信号Ｓに変換する。光検出部３４は、この画素毎の電気信号Ｓを演算部３５へ出力する。演算部３５は、光検出部３４における光Ｌの検出回数を画素毎にカウントし、画素毎の検出回数に基づいて二次元データＤ１を生成する。そして、演算部３５は、生成した二次元データＤ１を演算処理部４０へ出力する。図４（ａ）は、二次元データＤ１が示す画像データの一例を示す図であり、説明を簡素化するために、この二次元データＤ１は、複数列および複数行にわたって二次元状に配列された３×３、つまりＭ＝９個の画素Ａ１を有し、これらの画素Ａ１のそれぞれには、光Ｌの検出回数に応じたデータ値が割り当てられている。
【００５４】
演算処理部４０は、二次元データＤ１に基づいて、特性Ｘ線２に関する微細化画像データＤ２を生成するとともに、その微細化画像データＤ２から、特性Ｘ線２のスペクトルを含む情報を演算する。演算処理部４０は、例えばＣＰＵ及びメモリを有するコンピュータなどの演算装置によって好適に構成されうる。微細化画像データＤ２は、図４（ｂ）に示されるように、二次元データＤ１のＭ個の画素Ａ１の各々がＮ分割（Ｎは２以上の整数）されて成るＭ×Ｎ個の微細画素Ａ２からなる。なお、図４（ｂ）では、例示のため、画素Ａ１を３×３の９個（すなわちＮ＝９）の微細画素Ａ２に分割した場合を示しており、Ｍ×Ｎ個、つまり９×９の８１個の微細画素Ａ２に分割した微細化画像データＤ２として、図４（ａ）と同じスケールで描かれている。演算処理部４０は、微細化画像データＤ２の各微細画素Ａ２のデータ値を算出する際に、算出対象である微細画素Ａ２を含む画素Ａ１（対象画素）の周囲に隣接する画素Ａ１における光Ｌの検出回数に応じて、この対象画素Ａ１に含まれるＮ個の微細画素Ａ２のデータ値に傾斜を与える。演算処理部４０は、このような微細化画像データＤ２に基づいて、特性Ｘ線２のスペクトルを含む情報を演算する。
【００５５】
ここで、演算処理部４０における特性Ｘ線２のスペクトル情報の演算方式について説明する。図５は、分光結晶２０の回折反射面２０ａの法線方向から見た、微小分析点Ｐ、分光結晶２０、及び特性Ｘ線２を示す平面図である。また、図６は、回折反射面２０ａに平行な方向から見た、分光結晶２０、二次元Ｘ線検出器３０、及び特性Ｘ線２を示す正面図である。前述したように、本実施形態では、極めて微小な微小分析点Ｐから放射される特性Ｘ線２を測定する。したがって、回折反射面２０ａへの入射角が等しくなる点の集合、すなわち或る同一の波長成分を回折反射させる点の集合は、直線状ではなく円弧状や楕円弧状、二次曲線状といった曲線状となる。なお、図５には、例示として、図１に示された波長成分２ｂが入射角余角θ２でもって回折反射する位置Ｐｂが示されており、更にその集合Ｃｂが示されている。集合Ｃｂは、円弧状や楕円弧状、二次曲線状といった曲線状となる。
【００５６】
このため、二次元Ｘ線検出器３０の受光面３０ａにおける同一の波長成分の入射点の集合もまた、直線状ではなく円弧状や楕円弧状、二次曲線状といった曲線状となる。なお、図６には、例示として、図５に示された波長成分２ｂが受光面３０ａに入射するときの入射点Ｄｂが示されており、更にその集合Ｅｂが示されている。集合Ｅｂは、円弧状や楕円弧状、二次曲線状といった曲線状となる。
【００５７】
このように、二次元Ｘ線検出器３０の受光面３０ａにおいて、或る同一波長の成分が入射する領域は曲線状となる。そこで、本実施形態では、そのような曲線状領域のデータを積算することによって、当該波長成分の強度を求める。
【００５８】
図７は、微細化画像データＤ２を概略的に示す図であって、この微細化画像データＤ２は、所定方向（図では、微細化画像データＤ２の長手方向）に並ぶ複数の領域Ｆに分割されている。これら複数の領域Ｆは、円弧状や楕円弧状、二次曲線状といった曲線状を呈しており、複数の領域Ｆそれぞれは、特性Ｘ線に含まれる複数の波長成分それぞれに対応している。演算処理部４０は、微細化画像データＤ２の領域Ｆ毎に積算を行うことによって、各領域Ｆに対応する波長成分の強度を求め、スペクトル情報を作成する。なお、ここでいう所定方向とは、微小分析点Ｐ、回折反射面２０ａの中心、及び受光面３０ａの中心を含む平面と、受光面３０ａとが交わる直線に沿った方向である。
【００５９】
また、演算処理部４０は、各領域Ｆ毎のデータを積算する際、当該領域Ｆ内における検出位置に応じた重みを各データに乗じながら積算することが好ましい。ここでいう検出位置とは、上述した所定方向と交差する方向における領域Ｆ内の位置である。領域Ｆ内において取得されたデータは、その全てが等しい精度でもって特性Ｘ線の波長を表しているわけではなく、例えば当該領域Ｆの端部に近い位置におけるデータの精度は、当該領域Ｆの中央部に近い位置におけるデータの精度と比較して劣る場合がある。このような場合には、当該領域Ｆの中央部に近い位置におけるデータに乗ずる重みを大きくし、当該領域Ｆの端部に近い位置におけるデータに乗ずる重みを小さくして、これらのデータを積算するとよい。
【００６０】
以上の構成を備えるＸ線分光検出装置１Ａによって得られる作用効果について説明する。Ｘ線分光検出装置１Ａでは、微小分析点Ｐから放射された特性Ｘ線の全波長成分を平板状の分光結晶２０で受け、分光結晶２０上の各位置毎の入射角に対応する波長成分を選択的に回折反射させることによって分光する。これにより、従来のＷＤＸ装置のような、入射角を変化させるための分光結晶の移動や角度変化を必要とせず、分光結晶２０及び二次元Ｘ線検出器３０を固定したまま測定することができる。したがって、所望の波長域に含まれる各波長毎の強度を同時に取得して特性Ｘ線スペクトルを演算することができるので、測定時間を大幅に短縮することができる。
【００６１】
また、本実施形態のＸ線分光検出装置１Ａは、上述したように、入射角を変化させるための分光結晶の移動や角度変化を必要とせず、分光結晶２０及び二次元Ｘ線検出器３０を固定したまま測定することができる。したがって、分光結晶の移動や角度変化のための複雑な装置が不要となり、簡易な構成で特性Ｘ線スペクトルを得ることができる。
【００６２】
また、本実施形態のＸ線分光検出装置１Ａでは、試料１０の表面の微小分析点Ｐが、直径１００μｍ以下（好ましくは５０μｍ以下、更に好ましくは１０μｍ以下）といった、極めて小さなものである。したがって、分光結晶２０の回折反射面２０ａの各位置において特定の波長成分が回折反射する際、それらの位置に入射する特定Ｘ線の入射角のばらつきが極めて小さい。これにより、各位置の入射角に対応する波長成分のみを極めて高い精度で選択的に回折反射させることができるので、特性Ｘ線２を各波長成分に厳密に（高い分解能で）分光することができる。すなわち、本実施形態のＸ線分光検出装置１Ａによれば、完全分光を実現することができる。
【００６３】
また、湾曲分光結晶を用いる従来の装置（ヨハン型、ヨハンソン型など）では、分光結晶の湾曲した回折反射面を高い精度で形成することが難しいこともまた、入射角にばらつきが生じる原因となる。これに対し、本実施形態のＸ線分光検出装置１Ａでは、平板状の分光結晶２０を使用している。平板状の分光結晶は加工がし易く、回折反射面２０ａを高い精度で平坦に形成することができる。したがって、回折反射面２０ａの各位置に入射する特定Ｘ線の入射角のばらつきをなくし、完全分光を実現することができる。
【００６４】
ここで、図８は、従来のＷＤＸ（ヨハンソン型湾曲分光結晶分光器）によって測定されたステンレス鋼（ＳＵＳ）の特性Ｘ線スペクトルを示すグラフである。同図には、ＮｉのＫα線６１、ＦｅのＫα線６２ａ及びＫβ線６２ｂ、ＣｒのＫα線６３ａ及びＫβ線６３ｂ、及びＭｎのＫα線６４を示す特性Ｘ線のピークが現れている。そして、図９及び図１０には、同じステンレス鋼について、本実施形態のＸ線分光検出装置１Ａによって得られた微細化画像データＤ２（白い点は、特性Ｘ線が入射した位置を示す）と、この微細化画像データＤ２を複数の領域Ｆ（図６を参照）毎に積算して得られた特性Ｘ線スペクトルが示されている。図９には、ＣｒのＫα線６３ａ及びＫβ線６３ｂ、並びにＭｎのＫα線６４が示されている。図１０には、ＦｅのＫα線６２ａ及びＫβ線６２ｂ、並びにＮｉのＫα線６１が示されている。これらの図に示されるように、本実施形態のＸ線分光検出装置１Ａによれば、各元素に関する特性Ｘ線スペクトルを好適に得ることができる。
【００６５】
また、図１１は、従来のＷＤＸ（ヨハンソン型湾曲分光結晶分光器）によって測定された純銅（Ｃｕ）の特性Ｘ線スペクトルを示すグラフである。同図には、ＣｕのＫα線６５ａ及びＫβ線６５ｂを示す特性Ｘ線のピークが現れている。そして、図１２には、同じ純銅について、本実施形態のＸ線分光検出装置１Ａによって得られた微細化画像データＤ２と、この微細化画像データＤ２を複数の領域毎に積算して得られた特性Ｘ線スペクトルが示されている。図１２の特性Ｘ線スペクトルには、ＣｕのＫα線６５ａ及びＫβ線６５ｂが現れている。なお、図１２に示される微細化画像データＤ２を取得したときの微小分析点Ｐの大きさは、直径１００μｍであった。
【００６６】
また、図１３は、本実施形態のＸ線分光検出装置１Ａにおいて、微小分析点Ｐの大きさを直径１０μｍとしたときのＣｕに関する微細化画像データＤ２を示している。なお、図１３は、二次元Ｘ線検出器３０の機能を使って、受光面３０ａのうち一部を拡大して取得したデータを示している。図中において、白いラインＬ１はＣｕのＫα１線を示しており、白いラインＬ２はＣｕのＫα２線を示している。同図から明らかなように、ＣｕのＫα１線を示すラインＬ１と、ＣｕのＫα２線を示すラインＬ２とは、完全に分離されている。
【００６７】
一般的に、Ｘ線分光の主な目的は定性分析と定量分析であるが、他の重要な目的に状態分析がある。或る物質を構成する元素の軌道電子は、その元素の置かれている状態（化学結合状態などの電子状態）により僅かな変化が生じる。このような変化は、元素の状態を明らかにするための重要な情報となる。この変化は一般的に図２１・図２２・図２３・図２４に示すように軟Ｘ線量域で顕著である。そして、このような僅かな変化を検出するには、極めて正確で誤差の少ないスペクトル波形測定が必要となる。本実施形態のＸ線分光検出装置１Ａによれば、前述した完全分光を実現することによって、このようなスペクトル波形の僅かな変化を捉えることが出来る。図１３は軟Ｘ線ではないＣｕのＫ線においても、Ｋα１線やＫα２線といった相互に極めて近い波長成分を明確に識別することができることを示している。このことから軟Ｘ線領域ではさらに顕著であることが推測される。
【００６８】
図１４は、図１３に示された微細化画像データＤ２を積算することによって算出されたＣｕの特性Ｘ線スペクトル波形を、微細化画像データＤ２に重ねた様子を示している。この特性Ｘ線スペクトル波形には、ＣｕのＫα１線６５ｃ及びＫα２線６５ｄが明確に現れており、従来の装置と比較して波長分解能が格段に向上していることがわかる。
【００６９】
続いて、本実施形態のＸ線分光検出装置１Ａによって分光することが可能な波長範囲について説明する。ヨハン型やヨハンソン型といった従来の装置では、分光結晶の角度を機械的に変化させることによって特性Ｘ線の入射角を変化させているので、分光可能な波長範囲（すなわち入射角の可変範囲）は、分光結晶の角度変化範囲によって定まる。しかし、本実施形態のＸ線分光検出装置１Ａでは、分光結晶２０を固定して測定を行い、回折反射面２０ａ上の各位置毎にＸ線入射角が異なることを利用するので、その分光波長範囲は回折反射面２０ａの大きさによって定まる。更には、回折反射面２０ａから回折反射した特性Ｘ線を受ける二次元Ｘ線検出器３０の大きさによっても、分光波長範囲が制限される。
【００７０】
ここで、一枚の分光結晶２０によって分光が可能な波長範囲は、理論的には、ブラッグの反射条件（ｎλ＝２ｄｓｉｎ（９０°−θ））より０＜λ＜２ｄである。但し、これは入射角余角θが０°から９０°までの範囲で測定可能な場合である。通常、分光結晶２０の回折反射面２０ａ、及び二次元Ｘ線検出器３０の受光面３０ａの大きさは共に有限であるため、図１５（ａ）に示されるように、入射角余角θの最大値θｍａｘおよび最小値θｍｉｎもまた制限される。入射角余角θの最大値θｍａｘを更に大きくし、或いは最小値θｍｉｎを更に小さくするためには、図１５（ｂ）に示されるように、微小分析点Ｐを分光結晶２０に近づけるとともに、分光結晶２０の回折反射面２０ａを大きくし、且つ二次元Ｘ線検出器３０の受光面３０ａを大きくする必要がある。
【００７１】
一例を挙げると、微小分析点Ｐから３０ｍｍの位置に分光結晶２０を配置するとして、例えば１５°〜８０°の入射角余角θを実現する為には、長さ１００ｍｍ以上の回折反射面２０ａを有する分光結晶２０が必要であり、且つ長さ２００ｍｍ以上の受光面３０ａを有する二次元Ｘ線検出器３０が必要となる。このような大きさは、Ｘ線分光検出装置の製造において大きな困難とコストを伴わせる。また、試料１０の周辺にも大きな空間が必要となる。微小分析点Ｐから１５ｍｍの位置に分光結晶２０を配置するとしても、長さ５５ｍｍの回折反射面２０ａと長さ１５０ｍｍの受光面３０ａが必要となり、やはり大き過ぎる。しかも、試料１０から１５ｍｍの位置に分光結晶２０が配置されると、試料１０の取り回しやマイクロビーム照射機構などと干渉するおそれがある。
【００７２】
したがって、本実施形態では、入射角余角θを例えば２０°〜４０°、３０°〜５０°、或いは５０°〜８０°といった範囲に限定し、測定を行うことが好ましい。つまり、１５°〜８０°のような広い入射角余角θでもって広範囲の特性Ｘ線スペクトルを得るのではなく、これらのように限定された入射角余角θでもって、或る程度狭められた所望の範囲で特性Ｘ線スペクトルを得ることが好ましい。これにより、製造や使用において現実的なＸ線分光検出装置１Ａを実現することができる。
【００７３】
なお、Ｘ線分光検出装置１Ａの寸法例を挙げると、ＬｉＦ平板分光結晶を用いる場合、回折反射面２０ａの長さは３０ｍｍであり、試料１０から回折反射面２０ａまでの距離は７０ｍｍであり、受光面３０ａの長さは３０ｍｍである。このような構成によって、前述した図９に示されるように、ＣｒのＫα線及びＫβ線、ＭｎのＫα線、並びにＦｅのＫα線を一つの微細化画像データＤ２に表示することができ、また、前述した図１０に示されるように、ＦｅのＫα線及びＫβ線、並びにＮｉのＫα線を一つの微細化画像データＤ２に表示することができる。また、前述した図１２に示されるように、ＣｕのＫα線及びＫβ線を一つの微細化画像データＤ２に表示することができる。
【００７４】
また、ＳのＫβ線の測定（分光結晶：ＰＥＴ）、ＦｅのＬα線及びＬβ線の測定（分光結晶：ＲＡＰ）、ＯＫバンドの測定（分光結晶：ＲＡＰ）、及びＣＫバンドの測定（分光結晶：ＰｂＳＴ）のいずれにおいても、回折反射面２０ａの長さを３０ｍｍ程度とし、入射角余角θの範囲を１５°程度とし、受光面３０ａの長さを３０ｍｍ程度とし、試料１０と分光結晶２０との距離を５０〜７０ｍｍ程度とし、分光結晶２０と受光面３０ａとの距離を７０〜８０ｍｍ程度とすることで十分に測定可能である。このような寸法によれば、製造や使用において極めて現実的なＸ線分光検出装置１Ａを実現することができる。
【符号の説明】
【００７５】
１Ａ…Ｘ線分光検出装置、２…特性Ｘ線、２ａ〜２ｃ…波長成分、２ｄ，２ｅ…特性Ｘ線、１０…試料、２０…分光結晶、２０ａ…回折反射面、３０…二次元Ｘ線検出器、３０ａ…受光面、３１…光電変換部、３２…電子増倍部、３３…蛍光面、３４…光検出部、３５…演算部、４０…演算処理部、５０…遮蔽部材、Ｄ１…二次元データ、Ｄ２…微細化画像データ、Ｐ…微小分析点。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線分光検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、分光結晶を用いた波長分散型のＸ線分析装置が記載されている。この装置が備える分光結晶は、所定の基準直線を含む基準平面に対して垂直に交わる円弧を連ねた形状を成す内側面を有している。内側面の円弧の曲率半径は、基準直線の一端側に配置された試料から基準直線の他端側に配置されたＸ線検出器に近づくほど小さくなっている。試料から放出されたＸ線は分光結晶に入射し、その入射角に応じた波長のＸ線のみが反射してＸ線検出器に入射する。
【０００３】
特許文献２には、Ｘ線エネルギー検出器が記載されている。このＸ線エネルギー検出器は、Ｘ線分光素子（分光結晶）と、二次元Ｘ線画像検出器とを備えている。Ｘ線分光素子により分光されたＸ線のエネルギーは、二次元Ｘ線画像検出器におけるＸ線の検出位置によって識別される。この二次元Ｘ線画像検出器における検出画像に画像処理を施すことにより、各エネルギー毎のＸ線強度を得る。
【０００４】
特許文献３には、Ｘ線分光装置が記載されている。このＸ線分光装置は、分光結晶及び位置検出型Ｘ線検出器を備えている。分光結晶は、仮想放物線の焦点に配置され、試料から放出されたＸ線を反射する。分光結晶は、反射したＸ線が平行になるよう、仮想放物線に沿って湾曲している。位置検出型Ｘ線検出器は、分光結晶において反射した平行Ｘ線の進行方向に対して垂直な方向に延びており、この平行Ｘ線を検出する。
【０００５】
特許文献４には、Ｘ線分析装置が記載されている。このＸ線分析装置は、分光器にＸ線を照射し、該分光器によって分光された特定波長のＸ線を二次元Ｘ線検出器を用いて検出することにより、Ｘ線分析を行うものである。分光器は、一結晶中に面間隔及び方位が異なる複数の結晶面を含む分光結晶を有しており、複数の結晶面によってＸ線を同時に複数の異なる波長に分光する。分光された複数のＸ線は、二次元検出器によって同時に検出される。
【０００６】
特許文献５には、非走査型且つ波長分散型のＸ線分析装置が記載されている。この装置は、Ｘ線若しくは電子線を試料に照射し、試料から発生する蛍光Ｘ線若しくは特性Ｘ線を曲率分布結晶（分光結晶）に入射させる。この曲率分布結晶では、或る円筒面に対して垂直な方向に結晶方向が制御されており、その回折現象を用いて、Ｘ線がその波長毎に異なる位置に集光される。そして、それらのＸ線を二次元若しくは一次元のＸ線検出器で検出することにより、一定の波長範囲のＸ線スペクトルを一度に測定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−９５２２４号公報
【特許文献２】特開平７−３１８６５８号公報
【特許文献３】特公平７−９５０４５号公報
【特許文献４】特開２０００−６５７６３号公報
【特許文献５】特開２００８−１８０６５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
Ｘ線分光には、大別して二種類の方式がある。一つはエネルギー分散型（Energy Dispersive X-ray spectroscopy；ＥＤＸ）であり、他の一つは波長分散型（wavelength dispersiveX-ray spectrometry；ＷＤＸ）である。これらの方式のうち、ＥＤＸは、電子ビーム等を試料に照射した際に発生する特性Ｘ線を検出し、この特性Ｘ線のエネルギー分布に基づいて、試料の構成元素を分析する手法である。ＥＤＸは、全エネルギー領域を一度に検出して分析することができるので簡易な方式ではあるが、エネルギー分解能やＳ／Ｎ比がＷＤＸよりも劣るため、微量元素の分析や精密分析には不向きである。
【０００９】
一方、ＷＤＸは、電子ビーム等を試料に照射した際に発生する特性Ｘ線を波長毎に分光したのち、各波長それぞれのＸ線強度を検出し、試料の構成元素を分析する手法である。ここで、図１６は、ＷＤＸの基本原理を示す図である。ＷＤＸでは、原子が規則正しく並んだ分光結晶１０１に、特性Ｘ線１０２を入射させる。このとき、特性Ｘ線１０２の波長と入射角の余角θとがブラッグの反射条件（ｎλ＝２ｄｓｉｎ（９０°−θ）；但しｎは正の整数、λはＸ線の波長、ｄは結晶面間隔、θは入射角余角である）を満たす場合に回折が生じる。すなわち、角度θの大きさに対応して、特性Ｘ線に含まれる一つの波長が選択的に反射される。一般的なＷＤＸでは、角度θを順次変化させることにより、特性Ｘ線を波長毎に分光してそれらの強度を検出する。
【００１０】
ＷＤＸにおいて、微小な部分から発生した特性Ｘ線を分光する際には、一般的に、図１７に示されるような分光器が用いられる。この分光器では、試料の微小部分１０５から発生した特性Ｘ線１０２が湾曲分光結晶１０３に入射する。そして、その入射角の余角θに応じた一の波長成分のみが分光されて反射し、該波長成分がＸ線検出器１０６によって検出される。この分光器において分光される波長を変える際には、湾曲分光結晶１０３を変位させる。このとき、Ｘ線の発生源である微小部分１０５と、湾曲分光結晶１０３と、Ｘ線検出器１０６とは、常にローランド円ＣＲ上に位置する必要がある。
【００１１】
なお、このような分光器に用いられる湾曲分光結晶には、例えば次の二種類がある。図１８（ａ）は、ヨハン型と呼ばれる湾曲分光結晶１０３Ａを示している。このヨハン型湾曲分光結晶１０３Ａの結晶面の曲率半径は、ローランド円ＣＲの半径Ｒの２倍（２Ｒ）となっている。表面（Ｘ線入射面）の曲率半径も同様である。しかし、このヨハン型湾曲分光結晶１０３Ａでは、表面がローランド円ＣＲからずれているため、焦点が僅かにぼやけてしまい、集光および分光が不完全となる。
【００１２】
一方、図１８（ｂ）は、ヨハンソン型と呼ばれる湾曲分光結晶１０３Ｂを示している。このヨハンソン型湾曲分光結晶１０３Ｂの結晶面の曲率半径はヨハン型と同じくローランド円ＣＲの半径Ｒの２倍（２Ｒ）であるが、ヨハン型と異なり、その表面（Ｘ線入射面）はローランド円ＣＲの曲率となるように研磨されている。これにより、ヨハンソン型湾曲分光結晶１０３Ｂでは、結晶表面で回折されたＸ線が、ローランド円ＣＲ上のＸ線検出器１０６において焦点をより正確に結ぶことができ、集光および分光をより完全なものに近づけることができる。しかしながら、このような曲率の表面を有するヨハンソン型湾曲分光結晶１０３Ｂを作製する為には高度な生産技術が必要となる。
【００１３】
また、図１７及び図１８に示されたような分光器では、入射角の余角θを変化させるために湾曲分光結晶１０３を移動させると、湾曲分光結晶１０３に入射する特性Ｘ線の微小部分１０５における出射角が変化する。したがって、試料からの該特性Ｘ線の脱出深さが変化し、また試料の微小部分１０５の凹凸の影響も変化する。このため、より高精度に集光および分光を行う為に、いわゆる結晶直進型の湾曲結晶分光器が用いられることがある。しかしながら、この分光器には、複雑な動きを実現するための精密な微動機構が必要となる。
【００１４】
図１７及び図１８に示された分光器とは異なる、図１９に示されるような分光器も考えられる。図１９に示される分光器は、ＭＣＸ（Multi Capillary X-ray Lens、ポリキャピラリーとも言われる）といったＸ線レンズを用いたものであって、ＭＣＸ分光器と呼ばれている。この分光器は、ＭＣＸ１１０と、平板分光結晶１１１と、Ｘ線検出器１１２とを備えている。試料１００の微小部分１０５に電子線等が照射されることによって発生した特性Ｘ線１０２は、ＭＣＸ１１０を通過する間に平行化され、平板分光結晶１１１に達する。特性Ｘ線１０２は、平板分光結晶１１１において反射し、Ｘ線検出器１１２によって検出される。この分光器では、平板分光結晶１１１の角度を変化させることによって、特性Ｘ線１０２に含まれる各波長成分の強度を個別に測定することができる。
【００１５】
図２０（ａ）は、ＭＣＸ１１０の側断面図である。図２０（ａ）に示されるように、ＭＣＸ１１０は、内径が小さく内面に凸凹のない多数の中空管１１０ａが束ねられた構成を備えており、各中空管１１０ａの一端側は或る焦点（試料の微小部分１０５）に向けて延びており、他端側は互いに並行に延びている。これらの中空管１１０ａの一端に入射した特性Ｘ線１０２の進行方向は、図２０（ｂ）に示されるように中空管１１０ａの内部を進みながら変化する。そして、これらのＸ線は、平行Ｘ線として中空管１１０ａの他端から出射される。
【００１６】
図１９及び図２０に示された分光器は、平板分光結晶１１１を用いており、また比較的簡易な機構（θ−２θゴニオメーター）によって実現可能であり、試料からの特性Ｘ線の出射角も一定である。
【００１７】
しかしながら、図１９及び図２０に示された分光器においても、図１７及び図１８に示されたものと同様、分光結晶およびＸ線検出器の移動及び角度変化のための機構を必要とするので、装置が複雑になってしまう。また、分光測定の際に分光結晶およびＸ線検出器の移動と角度変化とを伴うので、測定対象である波長域内の全ての波長にわたって測定結果を得るためには、一定の時間を必要とする。したがって、未知な試料を同定する場合には、長時間を要する場合があり、分析対象によっては不都合が生じることがある。
【００１８】
例えば、ＷＤＸを用いた分析として、定性分析や定量分析の他に、状態分析がある。状態分析とは、特性Ｘ線のスペクトルが元素の存在状態により微妙に変化することを利用して、試料元素の状態を分析することをいう。例えば、図２１は、（ａ）マグネシウム、（ｂ）アルミニウム、及び（ｃ）シリコンのＫα及びＫαサテライトのスペクトルの状態変化を示している。また、図２２は硫黄（Ｓ）のＫβスペクトルの状態変化を示しており、スペクトルＳ１１は硫黄（Ｓ）としての状態、スペクトルＳ１２は硫化亜鉛（ＺｎＳ）としての状態、スペクトルＳ１３は硫酸銅（ＣｕＳＯ４）としての状態をそれぞれ示している。また、図２３は、酸素（Ｏ）のＫバンドスペクトルの状態変化を示しており、スペクトルＳ２１は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）としての状態、スペクトルＳ２２は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）としての状態、スペクトルＳ２３は酸化シリコン（ＳｉＯ２）としての状態をそれぞれ示している。また、図２４は炭素（Ｃ）のＫバンドスペクトルの状態変化を示しており、スペクトルＳ３１はＳｉＣとしての状態、スペクトルＳ３２はＣｒ３Ｃ２としての状態、スペクトルＳ３３はＢ４Ｃとしての状態、スペクトルＳ３４はフラーレンとしての状態、スペクトルＳ３５はグラファイトとしての状態、スペクトルＳ３６はダイアモンドとしての状態をそれぞれ示している。なお、図２１〜図２３はヨハンソン型分光結晶を、図２４はヨハン型擬似分光結晶をそれぞれ搭載した結晶直進型の湾曲結晶分光器により測定されたものである。
【００１９】
図２１〜図２４に例示されたような状態分析では、分析対象となる元素の詳細なスペクトル形状の測定が必要である。しかし、その為には、そのスペクトル形状を含む波長領域を、極めて短い波長間隔でもって測定することが必要となる。そのような測定には長い時間が必要なので、測定開始から測定終了までの間に、試料元素の状態が変化するおそれがある。また、詳細なスペクトル形状は測定終了後に初めて判明するので、適切な波長間隔や各波長における積分時間などの設定には、経験による予測や試行錯誤が必要となる。
【００２０】
また、図１９及び図２０に示された分光器では、ＭＣＸ１１０によって特性Ｘ線を完全な平行光とすることは困難である。図２５は、完全に平行な特性Ｘ線１０２が平板分光結晶１１１において反射する様子を示す図である。図２５に示されるように、特性Ｘ線１０２を完全に平行化することができれば、Ｘ線を各波長成分に正確に分光することができる。（以下、このような分光を「完全分光」という。完全分光とは、スペクトル波形に歪みがなく、測定誤差が殆ど無い分光のことである。）しかし、ＭＣＸ１１０の各中空管１１０ａの内部では、Ｘ線の進行方向は当該中空管１１０ａの中心軸線に対して最大で全反射臨界角相当の傾きを有しており、その傾きのまま他端（出射端）から出射される。したがって、ＭＣＸ１１０から出力されるＸ線は厳密には平行光とはならないので、完全分光の実現は困難である。
【００２１】
なお、一般的な蛍光Ｘ線分析では、試料から発生する蛍光Ｘ線が広がりを有するので、ソーラースリットによって平行成分を取り出し、平板分光結晶に入射させている。図２６（ａ）〜（ｃ）は、ソーラースリット１２０の板間隔と、出力される蛍光Ｘ線１２１の強度との関係を説明するための図である。図２６（ａ）に示されるように、ソーラースリット１２０の板間隔が広い場合、出力される蛍光Ｘ線１２１の平行度は低い。これに対し、図２６（ｂ）、（ｃ）に示されるように、ソーラースリット１２０の板間隔が狭くなるほど、出力される蛍光Ｘ線１２１の平行度は高くなる。しかしながら、ソーラースリット１２０の板間隔が狭くなるほど、出力される蛍光Ｘ線１２１の強度が弱くなってしまう。完全分光を実現するためには、ソーラースリット１２０の板間隔を限りなく狭くして蛍光Ｘ線１２１の平行度を極限まで高める必要があるが、そうすると蛍光Ｘ線１２１の強度が限りなく弱くなってしまうので、現実的には完全分光を実現することができない。このことは、図１９及び図２０に示されたＭＣＸ分光器において、ＭＣＸ１１０と平板分光結晶１１１との間にソーラースリットを挿入したとしても同様である。
【００２２】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、測定時間を短くすることができ、且つ簡易な構成で完全分光を実現することができるＸ線分光検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上述した課題を解決するために、本発明による第１のＸ線分光検出装置は、試料表面へのＸ線若しくは電子線の照射によって該試料表面における直径１００μｍ以下の微小分析点から放射された、軟Ｘ線領域に含まれる特性Ｘ線を波長毎に分光して検出するＸ線分光検出装置であって、微小分析点から放射された特性Ｘ線を受ける平坦な回折反射面を有し、特性Ｘ線に含まれる波長成分のうち該回折反射面への入射角に応じた波長成分を回折反射することにより、特性Ｘ線を波長毎に分光する分光結晶と、分光結晶において回折反射した特性Ｘ線を受ける受光面を有し、該受光面に入射した特性Ｘ線の入射位置および強度に関するデータを生成する二次元Ｘ線検出器とを備えることを特徴とする。
【００２４】
この第１のＸ線分光検出装置では、微小分析点から放射された特性Ｘ線の全波長成分を分光結晶の平坦な回折反射面で受け、回折反射面上の各位置毎の入射角に対応する波長成分を選択的に回折反射させることによって分光する。これにより、従来のＷＤＸ装置のような、入射角を変化させるための分光結晶の移動や角度変化を必要とせず、分光結晶及び二次元Ｘ線検出器を固定したまま測定することができる。したがって、所望の波長域に含まれる各波長毎の強度を同時に取得して特性Ｘ線スペクトルを演算することができるので、測定時間を大幅に短縮することができる。
【００２５】
また、第１のＸ線分光検出装置では、上述したように、入射角を変化させるための分光結晶の移動や角度変化を必要とせず、分光結晶及び二次元Ｘ線検出器を固定したまま測定することができる。したがって、分光結晶の移動や角度変化のための複雑な装置が不要となり、簡易な構成で特性Ｘ線スペクトルを得ることができる。
【００２６】
また、第１のＸ線分光検出装置では、試料の表面の微小分析点が、直径１００μｍ以下といった、極めて小さなものである。したがって、分光結晶の回折反射面の各位置において特定の波長成分が回折反射する際、それらの位置に入射する特定Ｘ線の入射角のばらつきが極めて小さい。これにより、各位置の入射角に対応する波長成分のみを極めて高い精度で選択的に回折反射させることができるので、特性Ｘ線を各波長成分に厳密に（高い分解能で）分光することができる。すなわち、第１のＸ線分光検出装置によれば、完全分光を実現することができる。
【００２７】
また、湾曲分光結晶を用いる従来の装置（ヨハン型、ヨハンソン型など）では、分光結晶の湾曲した回折反射面を高い精度で形成することが難しいこともまた、入射角にばらつきが生じる原因となる。これに対し、第１のＸ線分光検出装置では、回折反射面が平坦となっている。平坦な回折反射面は加工がし易く、高い精度で平坦に形成することができる。したがって、回折反射面の各位置に入射する特定Ｘ線の入射角のばらつきをなくし、完全分光を実現することができる。
【００２８】
また、第１のＸ線分光検出装置では、微小分析点の直径が５０μｍ以下であることがより好ましい。これにより、分光結晶の回折反射面の各位置において特定の波長成分が回折反射する際、それらの位置に入射する特定Ｘ線の入射角のばらつきが更に小さくなり、各位置の入射角に対応する波長成分のみを更に高い精度で選択的に回折反射させることができる。
【００２９】
また、第１のＸ線分光検出装置では、分光結晶の格子間隔が４Åより大きいことが好ましく、５０Åより大きいことが尚好ましい。これにより、軟Ｘ線領域に含まれる特性Ｘ線を好適に分光することができる。
【００３０】
また、第１のＸ線分光検出装置では、分光結晶が、ＰＥＴ、ＡＤＰ、ＲＡＰ、ＴＡＰ、及びＰｂＳＴからなる群から選択される少なくとも一つの材料を含むことが好ましい。これにより、軟Ｘ線領域に含まれる特性Ｘ線を好適に分光することができる。
【００３１】
また、本発明による第２のＸ線分光検出装置は、試料表面へのＸ線若しくは電子線の照射によって該試料表面における直径１０μｍ以下の微小分析点から放射された特性Ｘ線を波長毎に分光して検出するＸ線分光検出装置であって、微小分析点から放射された特性Ｘ線を受ける平坦な回折反射面を有し、特性Ｘ線に含まれる波長成分のうち該回折反射面への入射角に応じた波長成分を回折反射することにより、特性Ｘ線を波長毎に分光する分光結晶と、分光結晶において回折反射した特性Ｘ線を受ける受光面を有し、該受光面に入射した特性Ｘ線の入射位置および強度に関するデータを生成する二次元Ｘ線検出器とを備えることを特徴とする。
【００３２】
この第２のＸ線分光検出装置では、第１のＸ線分光検出装置と同様に、微小分析点から放射された特性Ｘ線の全波長成分を分光結晶の平坦な回折反射面で受け、回折反射面上の各位置毎の入射角に対応する波長成分を選択的に回折反射させることによって分光する。したがって、従来のＷＤＸ装置のような、入射角を変化させるための分光結晶の移動や角度変化を必要としないので、測定時間を大幅に短縮することができる。更に、分光結晶の移動や角度変化のための複雑な装置が不要となり、簡易な構成で特性Ｘ線スペクトルを得ることができる。
【００３３】
また、第２のＸ線分光検出装置では、試料の表面の微小分析点が、直径１０μｍ以下といった、極めて小さなものである。したがって、分光結晶の回折反射面の各位置において特定の波長成分が回折反射する際、それらの位置に入射する特定Ｘ線の入射角のばらつきが極めて小さい。これにより、各位置の入射角に対応する波長成分のみを極めて高い精度で選択的に回折反射させることができるので、特性Ｘ線を各波長成分に厳密に（高い分解能で）分光することができる。すなわち、第２のＸ線分光検出装置によれば、完全分光を実現することができる。
【００３４】
また、第２のＸ線分光検出装置では、回折反射面が平坦となっているので、回折反射面の各位置に入射する特定Ｘ線の入射角のばらつきをなくし、完全分光を実現することができる。
【００３５】
また、第２のＸ線分光検出装置は、分光結晶の格子間隔が２Åより大きいことが好ましい。
【００３６】
また、第２のＸ線分光検出装置は、分光結晶が、ＬｉＦ、ＰＥＴ、ＡＤＰ、ＲＡＰ、ＴＡＰ、及びＰｂＳＴからなる群から選択される少なくとも一つの材料を含むことが好ましい。
【００３７】
また、第１及び第２のＸ線分光検出装置は、微小分析点と二次元Ｘ線検出器の受光面との間に配置され、微小分析点から受光面に直接到達しようとする特性Ｘ線を遮る遮蔽部材を更に備えることを特徴としてもよい。これにより、回折反射面において回折反射した特性Ｘ線を受光面に好適に到達させるとともに、微小分析点から受光面に直接到達しようとする特性Ｘ線を効果的に遮ることができるので、二次元Ｘ線検出器におけるＳ／Ｎ比を改善することができる。
【００３８】
また、Ｘ線分光検出装置が遮蔽部材を備える場合、微小分析点から分光結晶を経て受光面に到達する特性Ｘ線のうち、分光結晶の表面への入射角が最も小さい特性Ｘ線が分光結晶の表面において回折反射する位置を第１の位置とし、第１の位置において回折反射した特性Ｘ線が受光面に到達する位置を第２の位置とし、分光結晶の表面への入射角が最も大きい特性Ｘ線が分光結晶の表面において回折反射する位置を第３の位置とし、第３の位置において回折反射した特性Ｘ線が受光面に到達する位置を第４の位置としたときに、遮蔽部材の分光結晶側の端縁が、微小分析点と第３の位置とを通る第１の境界、微小分析点と第４の位置とを通る第２の境界、及び第１の位置と第２の位置とを通る第３の境界によって囲まれる空間内に位置することが好ましい。これにより、微小分析点から受光面に直接到達しようとする特性Ｘ線を効果的に遮ることができる。
【００３９】
また、第１及び第２のＸ線分光検出装置は、二次元Ｘ線検出器から出力されたデータを、所定方向に並ぶ複数の領域毎に積算する演算処理部を更に備えることが好ましい。
【００４０】
また、第１及び第２のＸ線分光検出装置では、複数の領域それぞれが線状を呈していることが好ましい。
【００４１】
また、第１及び第２のＸ線分光検出装置では、演算処理部が、データを積算する際、当該領域内における検出位置に応じた重みを乗じて積算することが好ましい。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によるＸ線分光検出装置によれば、測定時間を短くすることができ、且つ簡易な構成で完全分光を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施形態に係るＸ線分光検出装置の構成を示す図である。
【図２】一実施形態に係るＸ線分光検出装置の更に好ましい構成を示す図である。
【図３】二次元Ｘ線検出器の構成の一例を示す図である。
【図４】（ａ）二次元データが示す画像データの一例を示す図である。（ｂ）二次元データのＭ個の画素の各々がＮ分割されて成るＭ×Ｎ個の微細画素からなる、微細化画像データを概略的に示す図である。
【図５】分光結晶の回折反射面の法線方向から見た、微小分析点、分光結晶、及び特性Ｘ線を示す平面図である。
【図６】回折反射面に平行な方向から見た、分光結晶、二次元Ｘ線検出器、及び特性Ｘ線を示す正面図である。
【図７】微細化画像データを概略的に示す図である。
【図８】従来のＷＤＸ（ヨハンソン型湾曲分光結晶分光器）によって測定されたステンレス鋼（ＳＵＳ）の特性Ｘ線スペクトルを示すグラフである。
【図９】図８と同じステンレス鋼について、Ｘ線分光検出装置によって得られた微細化画像データと、この微細化画像データを複数の領域毎に積算して得られた特性Ｘ線スペクトルを示す図である。
【図１０】図８と同じステンレス鋼について、Ｘ線分光検出装置によって得られた微細化画像データと、この微細化画像データを複数の領域毎に積算して得られた特性Ｘ線スペクトルを示す図である。
【図１１】従来のＷＤＸ（ヨハンソン型湾曲分光結晶分光器）によって測定された純銅（Ｃｕ）の特性Ｘ線スペクトルを示すグラフである。
【図１２】図１１と同じ純銅について、Ｘ線分光検出装置によって得られた微細化画像データと、この微細化画像データを複数の領域毎に積算して得られた特性Ｘ線スペクトルを示す図である。
【図１３】微小分析点の大きさを直径１０μｍとしたときのＣｕに関する微細化画像データを示す図である。
【図１４】図１３に示された微細化画像データを積算することによって算出されたＣｕの特性Ｘ線スペクトル波形を、微細化画像データに重ねた様子を示す図である。
【図１５】入射角余角θの最大値θｍａｘおよび最小値θｍｉｎが制限される原理を示す図である。
【図１６】ＷＤＸの基本原理を示す図である。
【図１７】ＷＤＸにおいて、微小な部分から発生した特性Ｘ線を分光する際に一般的に用いられる分光器を示す図である。
【図１８】（ａ）ヨハン型と呼ばれる湾曲分光結晶を示す図である。（ｂ）ヨハンソン型と呼ばれる湾曲分光結晶を示す図である。
【図１９】ＭＣＸ（Multi Capillary X-ray Lens）といったＸ線レンズを用いた分光器を示す図である。
【図２０】ＭＣＸの側断面図である。
【図２１】（ａ）マグネシウム、（ｂ）アルミニウム、及び（ｃ）シリコンのＫα及びＫαサテライトのスペクトルの状態変化を示している。
【図２２】硫黄（Ｓ）のＫβスペクトルの状態変化を示している。
【図２３】酸素（Ｏ）のＫバンドスペクトルの状態変化を示している。
【図２４】炭素（Ｃ）のＫバンドスペクトルの状態変化を示している。
【図２５】完全に平行な特性Ｘ線が平板分光結晶において反射する様子を示す図である。
【図２６】ソーラースリットの板間隔と、出力される蛍光Ｘ線の強度との関係を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
以下、添付図面を参照しながら本発明によるＸ線分光検出装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００４５】
図１は、本発明の一実施形態に係るＸ線分光検出装置の構成を示す図である。本実施形態のＸ線分光検出装置１Ａは、試料１０の表面１０ａへＸ線若しくは電子線を照射し、表面１０ａの微小分析点Ｐから放射された特性Ｘ線２を波長毎に分光して検出する装置である。微小分析点Ｐの大きさ（直径）は、例えば試料１０が炭素等であって特性Ｘ線２が軟Ｘ線領域に含まれる場合には１００μｍ以下であり、より好適には５０μｍ以下である。また、例えば試料１０が銅などであって特性Ｘ線２が軟Ｘ線領域より短い波長領域に含まれる場合には、微小分析点Ｐの好適な大きさ（直径）は１０μｍ以下である。このような微小分析点Ｐの大きさは、例えば試料１０の表面１０ａへ照射されるＸ線若しくは電子線の径を制御することによって行われる。
【００４６】
図１に示されるように、本実施形態のＸ線分光検出装置１Ａは、分光結晶２０、二次元Ｘ線検出器３０及び演算処理部４０を備えている。分光結晶２０は平板分光結晶であり、特性Ｘ線の回折及び反射に寄与する回折反射面２０ａを有している。回折反射面２０ａは極めて高い平坦性を有しており、試料１０の微小分析点Ｐから放射された特性Ｘ線２の一部を受ける。分光結晶２０は、例えばＬｉＦ、ＰＥＴ、ＡＤＰ、ＲＡＰ、ＴＡＰ、及びＰｂＳＴから成る群から選択される少なくとも一つの材料を含んで構成される。特に、特性Ｘ線２が軟Ｘ線領域に含まれる場合には、分光結晶２０は、ＰＥＴ、ＡＤＰ、ＲＡＰ、ＴＡＰ、及びＰｂＳＴから成る群から選択される少なくとも一つの材料を含んで構成される。
【００４７】
分光結晶２０は、特性Ｘ線２に含まれる波長成分のうち回折反射面２０ａへの入射角に応じた波長成分を回折反射することにより、特性Ｘ線２を波長毎に分光する。ここで、図１には、微小分析点Ｐから放射された特性Ｘ線２に含まれる３つの波長成分２ａ〜２ｃが示されている。これらの波長成分２ａ〜２ｃは、互いに波長が異なり、微小分析点Ｐからほぼ等方的に放射される。微小分析点Ｐから特性Ｘ線２が放射されると、これらの波長成分２ａ〜２ｃは、回折反射面２０ａ上の全ての位置に入射する。そして、回折反射面２０ａ上において、入射角の余角θ１と波長成分２ａの波長とがブラッグ反射条件を満たす位置（図中の位置Ｐａ）では、波長成分２ａのみが回折を生じて選択的に反射される。同様に、入射角の余角θ２と波長成分２ｂの波長とがブラッグ反射条件を満たす位置（図中の位置Ｐｂ）では波長成分２ｂのみが選択的に反射され、入射角の余角θ３と波長成分２ｃの波長とがブラッグ反射条件を満たす位置（図中の位置Ｐｃ）では波長成分２ｃのみが選択的に反射される。ここでは３つの波長成分２ａ〜２ｃを例示したが、特性Ｘ線に含まれる他の波長成分についても同様である。このように、各波長成分毎に回折を生じる位置が異なるので、特性Ｘ線２に含まれる各波長成分がそれぞれ分光される。
【００４８】
本実施形態では、微小分析点Ｐの大きさが極めて小さい（１００μｍ以下）ので、回折反射面２０ａにおける一つの位置への特性Ｘ線２の入射角のばらつきもまた極めて小さい。したがって、回折反射面２０ａ上の各位置では、その位置への入射角余角θに対応する波長成分が、極めて精度良く、ばらつきが殆ど無い状態で分光される。つまり、本実施形態では、特性Ｘ線２の完全分光が行われる。
【００４９】
また、例えば試料１０が炭素等であって特性Ｘ線２が軟Ｘ線領域に含まれる場合、分光結晶２０の格子間隔は、４Åより大きいことが好ましく、５０Åより大きいことがより好ましい。これにより、軟Ｘ線領域の特性Ｘ線２を好適に分光することができる。また、例えば試料１０が銅などであって特性Ｘ線２が軟Ｘ線領域より短い波長領域に含まれる場合には、分光結晶２０の格子間隔は２Åより大きいことが好ましい。
【００５０】
二次元Ｘ線検出器３０は、分光結晶２０の回折反射面２０ａに対し、試料１０の微小分析点Ｐと同じ側に配置される。二次元Ｘ線検出器３０は、回折反射面２０ａにおいて回折反射した特性Ｘ線２を受ける受光面３０ａを有しており、受光面３０ａに入射した特性Ｘ線２の入射位置および強度に関する二次元データを、いわゆる単一光子計測（フォトンカウンティング）によって生成する。
【００５１】
ここで、図２は、本実施形態に係るＸ線分光検出装置１Ａの更に好ましい構成を示す図である。図２に示されるＸ線分光検出装置１Ａは、図１に示された構成に加えて、遮蔽部材５０を更に備えている。遮蔽部材５０は、Ｘ線を遮ることが可能な材質を含む板状の部材であって、微小分析点Ｐと二次元Ｘ線検出器３０の受光面３０ａとの間に配置される。遮蔽部材５０は、微小分析点Ｐから受光面３０ａに直接到達しようとする特性Ｘ線２を遮る。
【００５２】
遮蔽部材５０の配置について、より具体的に説明する。いま、微小分析点Ｐから分光結晶２０の回折反射面２０ａを経て二次元Ｘ線検出器３０の受光面３０ａに到達する特性Ｘ線２のうち、回折反射面２０ａへの入射角が最も小さい（すなわち、入射角の余角θが最も大きい）特性Ｘ線２ｄが回折反射面２０ａにおいて回折反射する位置を第１の位置Ｐ１とする。そして、第１の位置Ｐ１において回折反射した特性Ｘ線２ｄが受光面３０ａに到達する位置を第２の位置Ｐ２とする。また、回折反射面２０ａへの入射角が最も大きい（すなわち、入射角の余角θが最も小さい）特性Ｘ線２ｅが回折反射面２０ａにおいて回折反射する位置を第３の位置Ｐ３とする。そして、第３の位置Ｐ３において回折反射した特性Ｘ線２ｅが受光面３０ａに到達する位置を第４の位置Ｐ４とする。この場合、遮蔽部材５０の分光結晶２０側の端縁５０ａは、微小分析点Ｐと第３の位置Ｐ３とを通る第１の境界Ａ１と、微小分析点Ｐと第４の位置Ｐ４とを通る第２の境界Ａ２と、及び第１の位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２とを通る第３の境界Ａ３とによって囲まれる空間Ｂ（図中に斜線で示されている）内に位置するとよい。遮蔽部材５０の端縁５０ａがこのような領域内に配置されることによって、回折反射面２０ａにおいて回折反射した特性Ｘ線２を受光面３０ａに好適に到達させるとともに、微小分析点Ｐから受光面３０ａに直接到達しようとする特性Ｘ線２を効果的に遮ることができる。これにより、二次元Ｘ線検出器３０におけるＳ／Ｎ比を改善することができる。
【００５３】
図３は、二次元Ｘ線検出器３０の構成の一例を示す図である。同図に示されるように、二次元Ｘ線検出器３０は、光電変換部３１と、電子増倍部３２と、蛍光面３３と、光検出部３４と、演算部３５とを有する。光電変換部３１は、回折反射面２０ａから到達した特性Ｘ線２を電子ｅ１に変換し、この電子ｅ１を電子増倍部３２へ出射する。電子増倍部３２は、光電変換部３１で発生した電子ｅ１の二次元位置を維持しつつ、この電子ｅ１の二次電子増倍を行い、増倍された電子ｅ２を蛍光面３３へ出射する。蛍光面３３は、電子増倍部３２から出射された電子ｅ２の二次元位置を維持しつつ、電子ｅ２を光Ｌに変換し、この光Ｌを光検出部３４へ出射する。光検出部３４は、二次元配置されたＭ個（Ｍは４以上の整数）の画素を有するＣＣＤカメラ等の撮像素子を含んで構成され、蛍光面３３から出射される光Ｌを画素毎に検出して電気信号Ｓに変換する。光検出部３４は、この画素毎の電気信号Ｓを演算部３５へ出力する。演算部３５は、光検出部３４における光Ｌの検出回数を画素毎にカウントし、画素毎の検出回数に基づいて二次元データＤ１を生成する。そして、演算部３５は、生成した二次元データＤ１を演算処理部４０へ出力する。図４（ａ）は、二次元データＤ１が示す画像データの一例を示す図であり、説明を簡素化するために、この二次元データＤ１は、複数列および複数行にわたって二次元状に配列された３×３、つまりＭ＝９個の画素Ａ１を有し、これらの画素Ａ１のそれぞれには、光Ｌの検出回数に応じたデータ値が割り当てられている。
【００５４】
演算処理部４０は、二次元データＤ１に基づいて、特性Ｘ線２に関する微細化画像データＤ２を生成するとともに、その微細化画像データＤ２から、特性Ｘ線２のスペクトルを含む情報を演算する。演算処理部４０は、例えばＣＰＵ及びメモリを有するコンピュータなどの演算装置によって好適に構成されうる。微細化画像データＤ２は、図４（ｂ）に示されるように、二次元データＤ１のＭ個の画素Ａ１の各々がＮ分割（Ｎは２以上の整数）されて成るＭ×Ｎ個の微細画素Ａ２からなる。なお、図４（ｂ）では、例示のため、画素Ａ１を３×３の９個（すなわちＮ＝９）の微細画素Ａ２に分割した場合を示しており、Ｍ×Ｎ個、つまり９×９の８１個の微細画素Ａ２に分割した微細化画像データＤ２として、図４（ａ）と同じスケールで描かれている。演算処理部４０は、微細化画像データＤ２の各微細画素Ａ２のデータ値を算出する際に、算出対象である微細画素Ａ２を含む画素Ａ１（対象画素）の周囲に隣接する画素Ａ１における光Ｌの検出回数に応じて、この対象画素Ａ１に含まれるＮ個の微細画素Ａ２のデータ値に傾斜を与える。演算処理部４０は、このような微細化画像データＤ２に基づいて、特性Ｘ線２のスペクトルを含む情報を演算する。
【００５５】
ここで、演算処理部４０における特性Ｘ線２のスペクトル情報の演算方式について説明する。図５は、分光結晶２０の回折反射面２０ａの法線方向から見た、微小分析点Ｐ、分光結晶２０、及び特性Ｘ線２を示す平面図である。また、図６は、回折反射面２０ａに平行な方向から見た、分光結晶２０、二次元Ｘ線検出器３０、及び特性Ｘ線２を示す正面図である。前述したように、本実施形態では、極めて微小な微小分析点Ｐから放射される特性Ｘ線２を測定する。したがって、回折反射面２０ａへの入射角が等しくなる点の集合、すなわち或る同一の波長成分を回折反射させる点の集合は、直線状ではなく円弧状や楕円弧状、二次曲線状といった曲線状となる。なお、図５には、例示として、図１に示された波長成分２ｂが入射角余角θ２でもって回折反射する位置Ｐｂが示されており、更にその集合Ｃｂが示されている。集合Ｃｂは、円弧状や楕円弧状、二次曲線状といった曲線状となる。
【００５６】
このため、二次元Ｘ線検出器３０の受光面３０ａにおける同一の波長成分の入射点の集合もまた、直線状ではなく円弧状や楕円弧状、二次曲線状といった曲線状となる。なお、図６には、例示として、図５に示された波長成分２ｂが受光面３０ａに入射するときの入射点Ｄｂが示されており、更にその集合Ｅｂが示されている。集合Ｅｂは、円弧状や楕円弧状、二次曲線状といった曲線状となる。
【００５７】
このように、二次元Ｘ線検出器３０の受光面３０ａにおいて、或る同一波長の成分が入射する領域は曲線状となる。そこで、本実施形態では、そのような曲線状領域のデータを積算することによって、当該波長成分の強度を求める。
【００５８】
図７は、微細化画像データＤ２を概略的に示す図であって、この微細化画像データＤ２は、所定方向（図では、微細化画像データＤ２の長手方向）に並ぶ複数の領域Ｆに分割されている。これら複数の領域Ｆは、円弧状や楕円弧状、二次曲線状といった曲線状を呈しており、複数の領域Ｆそれぞれは、特性Ｘ線に含まれる複数の波長成分それぞれに対応している。演算処理部４０は、微細化画像データＤ２の領域Ｆ毎に積算を行うことによって、各領域Ｆに対応する波長成分の強度を求め、スペクトル情報を作成する。なお、ここでいう所定方向とは、微小分析点Ｐ、回折反射面２０ａの中心、及び受光面３０ａの中心を含む平面と、受光面３０ａとが交わる直線に沿った方向である。
【００５９】
また、演算処理部４０は、各領域Ｆ毎のデータを積算する際、当該領域Ｆ内における検出位置に応じた重みを各データに乗じながら積算することが好ましい。ここでいう検出位置とは、上述した所定方向と交差する方向における領域Ｆ内の位置である。領域Ｆ内において取得されたデータは、その全てが等しい精度でもって特性Ｘ線の波長を表しているわけではなく、例えば当該領域Ｆの端部に近い位置におけるデータの精度は、当該領域Ｆの中央部に近い位置におけるデータの精度と比較して劣る場合がある。このような場合には、当該領域Ｆの中央部に近い位置におけるデータに乗ずる重みを大きくし、当該領域Ｆの端部に近い位置におけるデータに乗ずる重みを小さくして、これらのデータを積算するとよい。
【００６０】
以上の構成を備えるＸ線分光検出装置１Ａによって得られる作用効果について説明する。Ｘ線分光検出装置１Ａでは、微小分析点Ｐから放射された特性Ｘ線の全波長成分を平板状の分光結晶２０で受け、分光結晶２０上の各位置毎の入射角に対応する波長成分を選択的に回折反射させることによって分光する。これにより、従来のＷＤＸ装置のような、入射角を変化させるための分光結晶の移動や角度変化を必要とせず、分光結晶２０及び二次元Ｘ線検出器３０を固定したまま測定することができる。したがって、所望の波長域に含まれる各波長毎の強度を同時に取得して特性Ｘ線スペクトルを演算することができるので、測定時間を大幅に短縮することができる。
【００６１】
また、本実施形態のＸ線分光検出装置１Ａは、上述したように、入射角を変化させるための分光結晶の移動や角度変化を必要とせず、分光結晶２０及び二次元Ｘ線検出器３０を固定したまま測定することができる。したがって、分光結晶の移動や角度変化のための複雑な装置が不要となり、簡易な構成で特性Ｘ線スペクトルを得ることができる。
【００６２】
また、本実施形態のＸ線分光検出装置１Ａでは、試料１０の表面の微小分析点Ｐが、直径１００μｍ以下（好ましくは５０μｍ以下、更に好ましくは１０μｍ以下）といった、極めて小さなものである。したがって、分光結晶２０の回折反射面２０ａの各位置において特定の波長成分が回折反射する際、それらの位置に入射する特定Ｘ線の入射角のばらつきが極めて小さい。これにより、各位置の入射角に対応する波長成分のみを極めて高い精度で選択的に回折反射させることができるので、特性Ｘ線２を各波長成分に厳密に（高い分解能で）分光することができる。すなわち、本実施形態のＸ線分光検出装置１Ａによれば、完全分光を実現することができる。
【００６３】
また、湾曲分光結晶を用いる従来の装置（ヨハン型、ヨハンソン型など）では、分光結晶の湾曲した回折反射面を高い精度で形成することが難しいこともまた、入射角にばらつきが生じる原因となる。これに対し、本実施形態のＸ線分光検出装置１Ａでは、平板状の分光結晶２０を使用している。平板状の分光結晶は加工がし易く、回折反射面２０ａを高い精度で平坦に形成することができる。したがって、回折反射面２０ａの各位置に入射する特定Ｘ線の入射角のばらつきをなくし、完全分光を実現することができる。
【００６４】
ここで、図８は、従来のＷＤＸ（ヨハンソン型湾曲分光結晶分光器）によって測定されたステンレス鋼（ＳＵＳ）の特性Ｘ線スペクトルを示すグラフである。同図には、ＮｉのＫα線６１、ＦｅのＫα線６２ａ及びＫβ線６２ｂ、ＣｒのＫα線６３ａ及びＫβ線６３ｂ、及びＭｎのＫα線６４を示す特性Ｘ線のピークが現れている。そして、図９及び図１０には、同じステンレス鋼について、本実施形態のＸ線分光検出装置１Ａによって得られた微細化画像データＤ２（白い点は、特性Ｘ線が入射した位置を示す）と、この微細化画像データＤ２を複数の領域Ｆ（図６を参照）毎に積算して得られた特性Ｘ線スペクトルが示されている。図９には、ＣｒのＫα線６３ａ及びＫβ線６３ｂ、並びにＭｎのＫα線６４が示されている。図１０には、ＦｅのＫα線６２ａ及びＫβ線６２ｂ、並びにＮｉのＫα線６１が示されている。これらの図に示されるように、本実施形態のＸ線分光検出装置１Ａによれば、各元素に関する特性Ｘ線スペクトルを好適に得ることができる。
【００６５】
また、図１１は、従来のＷＤＸ（ヨハンソン型湾曲分光結晶分光器）によって測定された純銅（Ｃｕ）の特性Ｘ線スペクトルを示すグラフである。同図には、ＣｕのＫα線６５ａ及びＫβ線６５ｂを示す特性Ｘ線のピークが現れている。そして、図１２には、同じ純銅について、本実施形態のＸ線分光検出装置１Ａによって得られた微細化画像データＤ２と、この微細化画像データＤ２を複数の領域毎に積算して得られた特性Ｘ線スペクトルが示されている。図１２の特性Ｘ線スペクトルには、ＣｕのＫα線６５ａ及びＫβ線６５ｂが現れている。なお、図１２に示される微細化画像データＤ２を取得したときの微小分析点Ｐの大きさは、直径１００μｍであった。
【００６６】
また、図１３は、本実施形態のＸ線分光検出装置１Ａにおいて、微小分析点Ｐの大きさを直径１０μｍとしたときのＣｕに関する微細化画像データＤ２を示している。なお、図１３は、二次元Ｘ線検出器３０の機能を使って、受光面３０ａのうち一部を拡大して取得したデータを示している。図中において、白いラインＬ１はＣｕのＫα１線を示しており、白いラインＬ２はＣｕのＫα２線を示している。同図から明らかなように、ＣｕのＫα１線を示すラインＬ１と、ＣｕのＫα２線を示すラインＬ２とは、完全に分離されている。
【００６７】
一般的に、Ｘ線分光の主な目的は定性分析と定量分析であるが、他の重要な目的に状態分析がある。或る物質を構成する元素の軌道電子は、その元素の置かれている状態（化学結合状態などの電子状態）により僅かな変化が生じる。このような変化は、元素の状態を明らかにするための重要な情報となる。この変化は一般的に図２１・図２２・図２３・図２４に示すように軟Ｘ線量域で顕著である。そして、このような僅かな変化を検出するには、極めて正確で誤差の少ないスペクトル波形測定が必要となる。本実施形態のＸ線分光検出装置１Ａによれば、前述した完全分光を実現することによって、このようなスペクトル波形の僅かな変化を捉えることが出来る。図１３は軟Ｘ線ではないＣｕのＫ線においても、Ｋα１線やＫα２線といった相互に極めて近い波長成分を明確に識別することができることを示している。このことから軟Ｘ線領域ではさらに顕著であることが推測される。
【００６８】
図１４は、図１３に示された微細化画像データＤ２を積算することによって算出されたＣｕの特性Ｘ線スペクトル波形を、微細化画像データＤ２に重ねた様子を示している。この特性Ｘ線スペクトル波形には、ＣｕのＫα１線６５ｃ及びＫα２線６５ｄが明確に現れており、従来の装置と比較して波長分解能が格段に向上していることがわかる。
【００６９】
続いて、本実施形態のＸ線分光検出装置１Ａによって分光することが可能な波長範囲について説明する。ヨハン型やヨハンソン型といった従来の装置では、分光結晶の角度を機械的に変化させることによって特性Ｘ線の入射角を変化させているので、分光可能な波長範囲（すなわち入射角の可変範囲）は、分光結晶の角度変化範囲によって定まる。しかし、本実施形態のＸ線分光検出装置１Ａでは、分光結晶２０を固定して測定を行い、回折反射面２０ａ上の各位置毎にＸ線入射角が異なることを利用するので、その分光波長範囲は回折反射面２０ａの大きさによって定まる。更には、回折反射面２０ａから回折反射した特性Ｘ線を受ける二次元Ｘ線検出器３０の大きさによっても、分光波長範囲が制限される。
【００７０】
ここで、一枚の分光結晶２０によって分光が可能な波長範囲は、理論的には、ブラッグの反射条件（ｎλ＝２ｄｓｉｎ（９０°−θ））より０＜λ＜２ｄである。但し、これは入射角余角θが０°から９０°までの範囲で測定可能な場合である。通常、分光結晶２０の回折反射面２０ａ、及び二次元Ｘ線検出器３０の受光面３０ａの大きさは共に有限であるため、図１５（ａ）に示されるように、入射角余角θの最大値θｍａｘおよび最小値θｍｉｎもまた制限される。入射角余角θの最大値θｍａｘを更に大きくし、或いは最小値θｍｉｎを更に小さくするためには、図１５（ｂ）に示されるように、微小分析点Ｐを分光結晶２０に近づけるとともに、分光結晶２０の回折反射面２０ａを大きくし、且つ二次元Ｘ線検出器３０の受光面３０ａを大きくする必要がある。
【００７１】
一例を挙げると、微小分析点Ｐから３０ｍｍの位置に分光結晶２０を配置するとして、例えば１５°〜８０°の入射角余角θを実現する為には、長さ１００ｍｍ以上の回折反射面２０ａを有する分光結晶２０が必要であり、且つ長さ２００ｍｍ以上の受光面３０ａを有する二次元Ｘ線検出器３０が必要となる。このような大きさは、Ｘ線分光検出装置の製造において大きな困難とコストを伴わせる。また、試料１０の周辺にも大きな空間が必要となる。微小分析点Ｐから１５ｍｍの位置に分光結晶２０を配置するとしても、長さ５５ｍｍの回折反射面２０ａと長さ１５０ｍｍの受光面３０ａが必要となり、やはり大き過ぎる。しかも、試料１０から１５ｍｍの位置に分光結晶２０が配置されると、試料１０の取り回しやマイクロビーム照射機構などと干渉するおそれがある。
【００７２】
したがって、本実施形態では、入射角余角θを例えば２０°〜４０°、３０°〜５０°、或いは５０°〜８０°といった範囲に限定し、測定を行うことが好ましい。つまり、１５°〜８０°のような広い入射角余角θでもって広範囲の特性Ｘ線スペクトルを得るのではなく、これらのように限定された入射角余角θでもって、或る程度狭められた所望の範囲で特性Ｘ線スペクトルを得ることが好ましい。これにより、製造や使用において現実的なＸ線分光検出装置１Ａを実現することができる。
【００７３】
なお、Ｘ線分光検出装置１Ａの寸法例を挙げると、ＬｉＦ平板分光結晶を用いる場合、回折反射面２０ａの長さは３０ｍｍであり、試料１０から回折反射面２０ａまでの距離は７０ｍｍであり、受光面３０ａの長さは３０ｍｍである。このような構成によって、前述した図９に示されるように、ＣｒのＫα線及びＫβ線、ＭｎのＫα線、並びにＦｅのＫα線を一つの微細化画像データＤ２に表示することができ、また、前述した図１０に示されるように、ＦｅのＫα線及びＫβ線、並びにＮｉのＫα線を一つの微細化画像データＤ２に表示することができる。また、前述した図１２に示されるように、ＣｕのＫα線及びＫβ線を一つの微細化画像データＤ２に表示することができる。
【００７４】
また、ＳのＫβ線の測定（分光結晶：ＰＥＴ）、ＦｅのＬα線及びＬβ線の測定（分光結晶：ＲＡＰ）、ＯＫバンドの測定（分光結晶：ＲＡＰ）、及びＣＫバンドの測定（分光結晶：ＰｂＳＴ）のいずれにおいても、回折反射面２０ａの長さを３０ｍｍ程度とし、入射角余角θの範囲を１５°程度とし、受光面３０ａの長さを３０ｍｍ程度とし、試料１０と分光結晶２０との距離を５０〜７０ｍｍ程度とし、分光結晶２０と受光面３０ａとの距離を７０〜８０ｍｍ程度とすることで十分に測定可能である。このような寸法によれば、製造や使用において極めて現実的なＸ線分光検出装置１Ａを実現することができる。
【符号の説明】
【００７５】
１Ａ…Ｘ線分光検出装置、２…特性Ｘ線、２ａ〜２ｃ…波長成分、２ｄ，２ｅ…特性Ｘ線、１０…試料、２０…分光結晶、２０ａ…回折反射面、３０…二次元Ｘ線検出器、３０ａ…受光面、３１…光電変換部、３２…電子増倍部、３３…蛍光面、３４…光検出部、３５…演算部、４０…演算処理部、５０…遮蔽部材、Ｄ１…二次元データ、Ｄ２…微細化画像データ、Ｐ…微小分析点。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料表面へのＸ線若しくは電子線の照射によって該試料表面における直径１００μｍ以下の微小分析点から放射された、軟Ｘ線領域に含まれる特性Ｘ線を波長毎に分光して検出するＸ線分光検出装置であって、
前記微小分析点から放射された前記特性Ｘ線を受ける平坦な回折反射面を有し、前記特性Ｘ線に含まれる波長成分のうち該回折反射面への入射角に応じた波長成分を回折反射することにより、前記特性Ｘ線を波長毎に分光する分光結晶と、
前記分光結晶において回折反射した前記特性Ｘ線を受ける受光面を有し、該受光面に入射した前記特性Ｘ線の入射位置および強度に関するデータを生成する二次元Ｘ線検出器と、
を備えることを特徴とする、Ｘ線分光検出装置。
【請求項２】
前記微小分析点の直径が５０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載のＸ線分光検出装置。
【請求項３】
前記分光結晶の格子間隔が４Åより大きいことを特徴とする、請求項１または２に記載のＸ線分光検出装置。
【請求項４】
前記分光結晶の格子間隔が５０Åより大きいことを特徴とする、請求項１または２に記載のＸ線分光検出装置。
【請求項５】
前記分光結晶が、ＰＥＴ、ＡＤＰ、ＲＡＰ、ＴＡＰ、及びＰｂＳＴからなる群から選択される少なくとも一つの材料を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のＸ線分光検出装置。
【請求項６】
試料表面へのＸ線若しくは電子線の照射によって該試料表面における直径１０μｍ以下の微小分析点から放射された特性Ｘ線を波長毎に分光して検出するＸ線分光検出装置であって、
前記微小分析点から放射された前記特性Ｘ線を受ける平坦な回折反射面を有し、前記特性Ｘ線に含まれる波長成分のうち該回折反射面への入射角に応じた波長成分を回折反射することにより、前記特性Ｘ線を波長毎に分光する分光結晶と、
前記分光結晶において回折反射した前記特性Ｘ線を受ける受光面を有し、該受光面に入射した前記特性Ｘ線の入射位置および強度に関するデータを生成する二次元Ｘ線検出器と、
を備えることを特徴とする、Ｘ線分光検出装置。
【請求項７】
前記分光結晶の格子間隔が２Åより大きいことを特徴とする、請求項６に記載のＸ線分光検出装置。
【請求項８】
前記分光結晶が、ＬｉＦ、ＰＥＴ、ＡＤＰ、ＲＡＰ、ＴＡＰ、及びＰｂＳＴからなる群から選択される少なくとも一つの材料を含むことを特徴とする、請求項６または７に記載のＸ線分光検出装置。
【請求項９】
前記微小分析点と前記二次元Ｘ線検出器の前記受光面との間に配置され、前記微小分析点から前記受光面に直接到達しようとする前記特性Ｘ線を遮る遮蔽部材を更に備えることを特徴とする、請求項１〜８の何れか一項に記載のＸ線分光検出装置。
【請求項１０】
前記微小分析点から前記分光結晶を経て前記受光面に到達する前記特性Ｘ線のうち、前記分光結晶の表面への入射角が最も小さい前記特性Ｘ線が前記分光結晶の表面において回折反射する位置を第１の位置とし、前記第１の位置において回折反射した前記特性Ｘ線が前記受光面に到達する位置を第２の位置とし、前記分光結晶の表面への入射角が最も大きい前記特性Ｘ線が前記分光結晶の表面において回折反射する位置を第３の位置とし、前記第３の位置において回折反射した前記特性Ｘ線が前記受光面に到達する位置を第４の位置としたときに、前記遮蔽部材の前記分光結晶側の端縁が、前記微小分析点と前記第３の位置とを通る第１の境界、前記微小分析点と前記第４の位置とを通る第２の境界、及び前記第１の位置と前記第２の位置とを通る第３の境界によって囲まれる空間内に位置することを特徴とする、請求項９に記載のＸ線分光検出装置。
【請求項１１】
前記二次元Ｘ線検出器から出力された前記データを、所定方向に並ぶ複数の領域毎に積算する演算処理部を更に備えることを特徴とする、請求項１〜１０の何れか一項に記載のＸ線分光検出装置。
【請求項１２】
前記複数の領域それぞれが線状を呈していることを特徴とする、請求項１１に記載のＸ線分光検出装置。
【請求項１３】
前記演算処理部が、前記データを積算する際、当該領域内における検出位置に応じた重みを乗じて積算することを特徴とする、請求項１１または１２に記載のＸ線分光検出装置。
【請求項１】
試料表面へのＸ線若しくは電子線の照射によって該試料表面における直径１００μｍ以下の微小分析点から放射された、軟Ｘ線領域に含まれる特性Ｘ線を波長毎に分光して検出するＸ線分光検出装置であって、
前記微小分析点から放射された前記特性Ｘ線を受ける平坦な回折反射面を有し、前記特性Ｘ線に含まれる波長成分のうち該回折反射面への入射角に応じた波長成分を回折反射することにより、前記特性Ｘ線を波長毎に分光する分光結晶と、
前記分光結晶において回折反射した前記特性Ｘ線を受ける受光面を有し、該受光面に入射した前記特性Ｘ線の入射位置および強度に関するデータを生成する二次元Ｘ線検出器と、
を備えることを特徴とする、Ｘ線分光検出装置。
【請求項２】
前記微小分析点の直径が５０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載のＸ線分光検出装置。
【請求項３】
前記分光結晶の格子間隔が４Åより大きいことを特徴とする、請求項１または２に記載のＸ線分光検出装置。
【請求項４】
前記分光結晶の格子間隔が５０Åより大きいことを特徴とする、請求項１または２に記載のＸ線分光検出装置。
【請求項５】
前記分光結晶が、ＰＥＴ、ＡＤＰ、ＲＡＰ、ＴＡＰ、及びＰｂＳＴからなる群から選択される少なくとも一つの材料を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のＸ線分光検出装置。
【請求項６】
試料表面へのＸ線若しくは電子線の照射によって該試料表面における直径１０μｍ以下の微小分析点から放射された特性Ｘ線を波長毎に分光して検出するＸ線分光検出装置であって、
前記微小分析点から放射された前記特性Ｘ線を受ける平坦な回折反射面を有し、前記特性Ｘ線に含まれる波長成分のうち該回折反射面への入射角に応じた波長成分を回折反射することにより、前記特性Ｘ線を波長毎に分光する分光結晶と、
前記分光結晶において回折反射した前記特性Ｘ線を受ける受光面を有し、該受光面に入射した前記特性Ｘ線の入射位置および強度に関するデータを生成する二次元Ｘ線検出器と、
を備えることを特徴とする、Ｘ線分光検出装置。
【請求項７】
前記分光結晶の格子間隔が２Åより大きいことを特徴とする、請求項６に記載のＸ線分光検出装置。
【請求項８】
前記分光結晶が、ＬｉＦ、ＰＥＴ、ＡＤＰ、ＲＡＰ、ＴＡＰ、及びＰｂＳＴからなる群から選択される少なくとも一つの材料を含むことを特徴とする、請求項６または７に記載のＸ線分光検出装置。
【請求項９】
前記微小分析点と前記二次元Ｘ線検出器の前記受光面との間に配置され、前記微小分析点から前記受光面に直接到達しようとする前記特性Ｘ線を遮る遮蔽部材を更に備えることを特徴とする、請求項１〜８の何れか一項に記載のＸ線分光検出装置。
【請求項１０】
前記微小分析点から前記分光結晶を経て前記受光面に到達する前記特性Ｘ線のうち、前記分光結晶の表面への入射角が最も小さい前記特性Ｘ線が前記分光結晶の表面において回折反射する位置を第１の位置とし、前記第１の位置において回折反射した前記特性Ｘ線が前記受光面に到達する位置を第２の位置とし、前記分光結晶の表面への入射角が最も大きい前記特性Ｘ線が前記分光結晶の表面において回折反射する位置を第３の位置とし、前記第３の位置において回折反射した前記特性Ｘ線が前記受光面に到達する位置を第４の位置としたときに、前記遮蔽部材の前記分光結晶側の端縁が、前記微小分析点と前記第３の位置とを通る第１の境界、前記微小分析点と前記第４の位置とを通る第２の境界、及び前記第１の位置と前記第２の位置とを通る第３の境界によって囲まれる空間内に位置することを特徴とする、請求項９に記載のＸ線分光検出装置。
【請求項１１】
前記二次元Ｘ線検出器から出力された前記データを、所定方向に並ぶ複数の領域毎に積算する演算処理部を更に備えることを特徴とする、請求項１〜１０の何れか一項に記載のＸ線分光検出装置。
【請求項１２】
前記複数の領域それぞれが線状を呈していることを特徴とする、請求項１１に記載のＸ線分光検出装置。
【請求項１３】
前記演算処理部が、前記データを積算する際、当該領域内における検出位置に応じた重みを乗じて積算することを特徴とする、請求項１１または１２に記載のＸ線分光検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１１】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１１】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−９６７５０（Ｐ２０１３−９６７５０Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３７６６８（Ｐ２０１１−２３７６６８）
【出願日】平成２３年１０月２８日（２０１１．１０．２８）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２８日（２０１１．１０．２８）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
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