Ｘ線回折分析装置およびＸ線回折分析方法
【課題】 Ｘ線管から出射されたＸ線ビームが試料に到達するまでの光路における強度の減衰を極力小さくすることにより、不均一な結晶構造を有する試料の局所構造情報を備えるＸ線回折図形を、実験室や現場で短時間且つ簡単に取得することを可能とするＸ線回折分析技術を提供する。
【解決手段】 固定保持されている試料（１）を照らす入射Ｘ線（８）として所定の元素の特性Ｘ線を発生させるＸ線管（９）が固定保持される位置が、入射Ｘ線（８）が試料（１）の被測定領域（Ａ）全体を照らすことのできる位置であって且つ試料（１）と接触しない範囲で限りなく試料（１）に接近した位置である。
【解決手段】 固定保持されている試料（１）を照らす入射Ｘ線（８）として所定の元素の特性Ｘ線を発生させるＸ線管（９）が固定保持される位置が、入射Ｘ線（８）が試料（１）の被測定領域（Ａ）全体を照らすことのできる位置であって且つ試料（１）と接触しない範囲で限りなく試料（１）に接近した位置である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願の発明は、固定保持されている不均一な結晶構造を有する試料、例えば多結晶体、歪みや欠陥を有する部材等、の局所構造情報を含んだＸ線回折図形を、試料を照らす入射Ｘ線として所定の元素の特性Ｘ線を発生させるＸ線管と、二次元に配列された複数の検出素子からなる二次元位置敏感型検出器とを用いて取得するためのＸ線回折分析装置およびＸ線回折分析方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線回折法は、Ｘ線を結晶性の試料に照射したときに生じる回折Ｘ線を検出することにより、その試料の結晶構造に対応するＸ線回折図形を得る技術である。Ｘ線回折図形は、目的や使用する装置に応じてさまざまな形式で取得されることが知られている。例えば、通常の粉末Ｘ線回折計では回折角度と回折Ｘ線強度が組となったデータの形で取得され、横軸に回折角をとり縦軸に回折Ｘ線強度をとったグラフで表現される。デバイ・シェラーカメラ等では、回折Ｘ線の強度が濃淡として現れた写真としてＸ線回折図形が取得される。
【０００３】
一般的に粉末（多結晶体）を対象として用いる粉末Ｘ線回折法は、均一で且つランダムな配向をもつ試料の結晶構造を知ることを目的としている。したがって、複数の回折スポット（回折Ｘ線強度が強いところ、回折角度に対する回折Ｘ線強度プロファイルではピークとしてあらわれる）を収集してその強度や相互の幾何学的な位置関係を把握することが重要である。そのために、典型的には、試料を照らす入射Ｘ線としてＸ線管からの特性Ｘ線を用い、２軸ゴニオメータのいわゆるθ／２θ走査によって試料からの回折Ｘ線の強度の回折角依存性強度プロファイルを測定する。その際、通常は集中法を近似的に満足する光学系が用いられる。すなわち、焦点円上にある光源から発散したＸ線のうち平行スリットを経て発散スリットを通過したＸ線だけが、焦点円に接する平面試料によって回折される。回折されたＸ線は焦点円上の受光スリットに集中し、平行スリットと散乱スリットを経て検出器で検出される（非特許文献１）。
【０００４】
一方、Ｘ線回折測定を目的に作られた試料ではない、いわゆる実試料は、例えば、異なる結晶構造が共存する、方位の異なる集合組織が含まれている、欠陥がある、負荷を与えられたことによる結晶構造の歪みがある、等の不均一な場合が多く、試料の各部位の局所的な結晶構造を知ることも重要となる。しかし、上述の一般的な粉末Ｘ線回折法で得られる情報は試料のうちの入射Ｘ線で照らされた領域の平均情報であるため、その領域内の部位による結晶構造の差異についての情報を得ることはできない。
【０００５】
そこで、試料に照射するＸ線のビームサイズを小さくして試料の各部位の情報を得る技術が提案された（非特許文献２）。確かに、微小なビームサイズの入射Ｘ線を用い、試料ステージのＸＹ走査で試料上のＸ線照射領域を変え、各照射領域で従来の粉末Ｘ線回折法と同様に２軸ゴニオメータのθ／２θ走査による測定を行えば、試料の各部位の情報を得ることは可能である。しかし、一試料の測定に膨大な時間がかかってしまうという問題がある。例えば、試料上の一点（一つのＸ線照射領域）についてのＸ線回折図形を得るのに要する時間が一般的な粉末Ｘ線回折法による測定時間と同様の２０〜３０分程度であるとすれば、もし試料上での測定点数が１００×１００の１００００点であれば測定に約５０００時間、すなわち約２００日もかかることになる。
【０００６】
測定時間を短縮するために、最近では、一次元または二次元の位置敏感型検出器を用いて検出器の各素子で異なる回折角度の回折Ｘ線の情報を検出することにより、２軸ゴニオ
メータのθ／２θ走査を省略する技術が一般的となっている。しかし、試料の各部位の情報を得るためには１点ずつ部位ごとに測定しなければならないことにはかわりがないため、試料の広い領域中の各部位の情報を得ようとすると測定点が多数となり依然として測定に長時間を要してしまう。
【０００７】
他方、試料を入射Ｘ線の光軸に対して垂直な軸のまわりで回転可能に支持し、位置敏感型検出器を入射Ｘ線に対する散乱角（２θ角）を固定して設置し、試料と位置敏感型検出器との間にコリメータを配置することによって試料表面の被測定領域中の各部位と位置敏感型検出器の各検出素子とを一対一で対応付け、被測定領域全体を平行性のよい単色Ｘ線で照らして各部位からの回折Ｘ線をそれぞれ別の検出素子で検出することにより、試料上の測定点の走査を省略して試料のθ走査だけによって回折図形を得る技術も提案されている（特許文献１）。この技術では、試料上でＸ線照射位置を走査する必要がないので、一般的な粉末回折法で要する測定時間と同程度の時間で試料の各部位の結晶構造の情報を得ることができる。しかし、試料を回転させるため、常に所望の領域を入射Ｘ線で照らすためにはサイズの大きい入射Ｘ線が必要になる。特許文献１では、Ｘ線管を入射Ｘ線源として用いることも想定しているが、Ｘ線管は放射光のような強度の強いＸ線源ではないので、検出される回折Ｘ線の強度が弱くなり、一つの回折図形を得るためにかかる時間がどうしても長くなってしまうという問題がある。例えば、特許文献１に係る発明の発明者らの報告によれば、放射光を利用した場合に１秒以下の撮像時間で画像を取得できる試料であっても、１ｍｒａｄの発散光として入射Ｘ線を発生させる１ｍｍの点焦点のＸ線管を試料から１ｍ離して配置して用いると１５分程度の撮像時間が必要となってしまう（非特許文献３）。非特許文献３では、その対策として、Ｘ線管の下流に多層膜からなる平行化素子をおくことで入射Ｘ線の強度をかせぐことが提案されているが、この場合には試料上での入射Ｘ線照射領域が狭くなってしまうという問題点も同時に指摘している。
【非特許文献１】加藤誠軌、『Ｘ線回折分析』、東京工業大学工学部無機材料工学科編セラミックス基礎講座３、内田老鶴圃、1990年、pp.119-120
【非特許文献２】Y. Chikaura, Y. Yoneda and G. Hildebrandt, "Polycrystal scattering topography", Journal of Applied Crystallography, vol.15, pp.48-54, 1982
【特許文献１】ドイツ特許第４４３０６１５号公報（ＤＥ４４３０６１５Ｃ２）
【非特許文献３】T. Wroblewski, D. Breuer, H.-A. Crostack, F. Fandrich, M. Gross and P. Klimanek, "Mapping in Real and Reciprocal Space", Materials Science Forum, vols. 278-281, pp. 216-220, 1998
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この出願の発明は、Ｘ線管から出射されたＸ線ビームが試料に到達するまでの光路における強度の減衰を極力小さくすることにより、例えば多結晶体、歪みや欠陥を有する部材等のような不均一な結晶構造を有する試料の局所構造情報を備えるＸ線回折図形、特に特定の結晶格子面に注目したときの回折Ｘ線強度の二次元分布画像を、実験室や、残留応力測定等の非破壊検査を要する構造物が設置されている現場で短時間且つ簡単に取得することを可能とするＸ線回折分析装置およびＸ線回折分析方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この出願の発明によれば、前記課題は、固定保持されている不均一な結晶構造を有する試料の局所構造情報を含んだＸ線回折図形を、試料を照らす入射Ｘ線として所定の元素の特性Ｘ線を発生させるＸ線管と、二次元に配列された複数の検出素子からなる二次元位置敏感型検出器とを用いて取得するためのＸ線回折分析装置において、前記Ｘ線管を、前記入射Ｘ線が試料表面の観察しようとする被測定領域全体を照らすことのできる位置であって且つ前記試料と接触しない範囲で限りなく前記試料に接近した位置に固定保持し、前記二次元位置敏感型検出器を、試料表面に前記被測定領域の中心を通って入射Ｘ線の光軸に
対して垂直に延在する回転軸線のまわりで回動可能に配置し、前記試料で回折されて前記被測定領域内の各部位から出射する回折Ｘ線をそれぞれ前記二次元位置敏感型検出器の異なる検出素子で区別して検出するために当該回折Ｘ線の角度発散を制限する角度発散制限手段を、前記回転軸線のまわりで前記二次元位置敏感型検出器と一体的に回動するように設け、前記検出素子でそれぞれ検出した回折Ｘ線の強度を各画素値とする二次元の回折Ｘ線画像を形成し記録することを特徴とするＸ線回折分析装置によって解決される。
【００１０】
また、固定保持されている不均一な結晶構造を有する試料の局所構造情報を含んだＸ線回折図形を、試料を照らす入射Ｘ線として所定の元素の特性Ｘ線を発生させるＸ線管と、二次元に配列された複数の検出素子からなる二次元位置敏感型検出器とを用いて取得するためのＸ線回折分析方法において、試料に近接して配置されたＸ線管から出射して一切の光学素子を介さずに試料に入射する入射Ｘ線によって試料表面の観察しようとする被測定領域全体を照らすこと、試料で回折されて前記被測定領域内の各部位から出射する回折Ｘ線の角度発散を制限することにより、各部位から出射する回折Ｘ線をそれぞれ二次元位置敏感型検出器の異なる検出素子で区別して検出すること、および、二次元位置敏感型検出器を試料表面に被測定領域の中心を通って入射Ｘ線の光軸に垂直に延在する回転軸線のまわりで回動移動させて所望の角度位置に二次元位置敏感型検出器を保持し、その位置で各検出素子が検出した回折Ｘ線の強度を各画素値とする二次元の回折Ｘ線画像を形成して記録することを特徴とするＸ線回折分析方法によって解決される。
【発明の効果】
【００１１】
この出願の発明に係るＸ線回折分析装置およびＸ線回折分析方法では、試料は固定保持されており、すなわち、測定中に試料が動かされることがなく、試料を照らす入射Ｘ線として所定の元素の特性Ｘ線を発生させるＸ線管が試料の被測定領域全体を照らすことのできる位置であって且つ試料と接触しない範囲で限りなく試料に接近した位置に固定保持されている。すなわち、試料のすぐ近くで発生させられたＸ線ビームが、当該Ｘ線ビームを単色化したり平行化したりする光学素子を一切通らずに試料に入射するので、Ｘ線ビームが光学素子を通過することによる強度損失がない上に、Ｘ線管と試料との間の距離が短いことにより大気での散乱・吸収による強度損失も極力小さくすることができる。つまり、特許文献１で想定しているように入射Ｘ線を平行化された単色Ｘ線とするのに比べてＸ線強度損失が極端に小さくてすむ。これによって、放射光のような強力なＸ線源を使用できない実験室や現場でも、Ｘ線管を利用して短時間で試料の局所構造情報を含んだ二次元の回折Ｘ線画像を取得することが可能となる。また、測定中は試料とＸ線管が動かされることはないので、試料上の入射Ｘ線が照らす領域が変化することもない。
【００１２】
この出願の発明のＸ線回折分析装置において、入射Ｘ線を発生させるＸ線管が線状の細い長方形断面を有するＸ線ビームを発生させるＸ線管であり、前記長方形断面の長軸が前記回転軸線に平行に延在し且つ試料表面と前記入射Ｘ線の光軸とがなす角度が０〜３度となるように当該Ｘ線管が固定保持されていると、Ｘ線管を試料に近接させて配置しても試料の広い領域を均一に照らすことができる。
【００１３】
この出願の発明のＸ線回折分析装置において、Ｘ線管が、交換可能であり、異なる元素の特性Ｘ線を発生させる複数のＸ線管の中からＸ線管を選択して使用可能であると、試料に応じて蛍光Ｘ線の生じない波長の入射Ｘ線を使用すること、二次元位置敏感型検出器の回動（旋回）角度範囲が限られている場合に対象とする格子面の回折角度が測定上好都合な角度となるような波長の入射Ｘ線を使用することなどが可能となる。
【００１４】
この出願の発明のＸ線回折分析装置において、前記Ｘ線管と前記試料との間の距離および試料表面と前記入射Ｘ線の光軸とがなす角度を調整するための機構が設けられていると、試料の形状やサイズが一定しない実試料を測定する場合にも、入射Ｘ線による被測定領
域の最適な照明を実現することができる。また、これらの調整は測定前に行われ、測定が始まると試料とＸ線管は動かされることがないので、当該機構は手動操作のものでよい。
【００１５】
この出願の発明のＸ線回折分析装置において、Ｘ線管のＸ線取り出し窓が当該Ｘ線管で発生する特性Ｘ線のうちのＫβ線を吸収するフィルター材からなると、Ｋα線とＫβ線（これら以外の波長のＸ線も含まれる可能性はあるが強度が弱いので無視できる）の両方が混ざったＸ線ビームを入射Ｘ線として使用することにより取得される回折Ｘ線画像に悪影響が生じる場合に、Ｋβ線成分を排除することができる。その際、別の光学素子を入射Ｘ線光路に挿入するのではなくフィルター材からなる取り出し窓を使用することによって、Ｘ線管と試料との間の距離を離す必要がない。
【００１６】
この出願の発明のＸ線回折分析装置において、二次元位置敏感型検出器および角度発散制限手段の回動角度範囲が、試料表面に対して６０度の位置から１２０度の位置までであると、二次元位置敏感型検出器と試料との間の距離を大きく離さなくてもそれらの回動が妨げられることが無いので、装置をコンパクトに構成することが可能である。大部分の試料については、この回動角度範囲内で回折図形の取得を行えば、結晶構造の分布の画像化、残留応力分布の画像化等の目的を充分果たすことができる。
【００１７】
この出願の発明のＸ線回折分析装置において、試料表面と前記二次元位置敏感型検出器との間の距離を調整する機構が設けられていると、二次元位置敏感型検出器の回動角度位置に応じて、入射Ｘ線を遮らず且つ部材が接触しない範囲で最も試料に近接させた二次元位置敏感型検出器の配置を実現できる。ただし、二次元位置敏感型検出器の回動角度走査中はこの距離は固定であるので、当該機構は手動操作の機構でもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、図面に基づいてこの出願の発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１９】
図１に、この出願の発明に係るＸ線回折分析装置の概念図を示す。
【００２０】
試料（１）は、試料支持部（２）によって固定保持されており、測定中に動かされることはない。
【００２１】
二次元に配列された複数の検出素子からなる二次元位置敏感型検出器（３）は、検出器支持部（４）によって、試料表面の観察しようとする被測定領域（Ａ）と同一面内で被測定領域（Ａ）の中心を通って延びる回転軸線（５）のまわりで回動（旋回）可能に保持されており、あらゆる回動位置において二次元位置敏感型検出器（３）の検出器面（すべての検出素子の検出面によって形成される二次元の面）が常に被測定領域（Ａ）を見込む。試料（１）と二次元位置敏感型検出器（３）との間には、試料（１）で発生して試料表面の被測定領域（Ａ）内の各部位から出射する回折Ｘ線（６）の角度発散を制限することによって被測定領域（Ａ）内の異なる部位から出射する回折Ｘ線（６）を二次元位置敏感型検出器（３）の別々の検出素子で区別して検出できるようにするコリメータ（例えば合成石英製キャピラリを集合させたキャピラリプレート、リソグラフィ技術により軽金属に同様の加工を施したもの）等の角度発散制限手段（７）が設けられている。角度発散制限手段（７）は、二次元位置敏感型検出器（３）と一体的に回転軸線（５）のまわりで回動させられる。したがって、二次元位置敏感型検出器（３）がどの回動位置にある場合にも、それぞれの検出素子は被測定領域（Ａ）内の別々の特定の一つの部位から出射する回折Ｘ線（６）だけを検出する。二次元位置敏感型検出器（３）と角度発散制限手段（７）は一体構成となっていてもよい。
【００２２】
図１には示していないが、二次元位置敏感型検出器（３）は、各検出素子で検出した回
折Ｘ線強度を各画素値とする二次元の回折Ｘ線画像を生成して記録するための画像形成記録部を内部もしくは外部に有している。
【００２３】
所定の元素の特性Ｘ線を発生させ、細い長方形断面（線状焦点）を有する特性Ｘ線ビームを入射Ｘ線（８）として出射するＸ線管（９）は、入射Ｘ線（８）の長方形断面の長軸が回転軸線（５）と平行に位置するようにＸ線管支持部（１０）によって固定保持される。Ｘ線管（９）から出射するＸ線は発散光であるが、Ｘ線管（９）の狭いＸ線取り出し窓から出射する時点では入射Ｘ線（８）はほぼ線状の細い長方形断面を有するＸ線ビームである。仮に入射Ｘ線（８）の長方形断面が出射時と同程度のサイズのままで入射Ｘ線（８）が試料（１）に入射したとしても、試料表面に対して低角で入射すれば、試料表面の広い領域を均一に照らすことができる。したがって、入射Ｘ線（８）が試料表面に入射する入射角度が試料表面に対して０〜３度程度の低角（ただし、必ず３度より小さい角度でなければならないというものではない）であるいわゆる薄膜配置となるようにＸ線管（９）が固定保持される。
【００２４】
Ｘ線管（９）と試料（１）との間の入射Ｘ線光路上には単色化のためのモノクロメータや平行化するための光学素子等は一切設けない。それによって、Ｘ線管（９）は試料（１）ないし試料支持部（２）と接触しない範囲で限りなく被測定領域（Ａ）に接近させて配置することができる。実際にどこまでＸ線管（９）を被測定領域（Ａ）に近づけて配置するかは、試料（１）やその支持部分あるは二次元位置敏感型検出器（３）がＸ線管（９）とどこで物理的に接触するかによって決まるが、例えば、５０ｍｍ〜７０ｍｍ程度に設定することができる。このとき、上記の薄膜配置の採用は、Ｘ線管（９）を試料（１）に近接させても入射Ｘ線（８）で被測定領域（Ａ）全体を均一に照らすことができるという点で有利である。このようにＸ線管（９）と試料（１）とを極めて近接させて配置することにより、真空パスを導入しなくても、大気による入射Ｘ線の減衰を極力抑制することができる。また、入射Ｘ線光路上に一切光学素子を配置しないことにより、光学素子を経ることによる強度減衰を排除できることも大きな利点である。光学素子を経ないため、入射Ｘ線（８）はＸ線管（９）で発生した発散光のままであるが、Ｘ線管（９）を試料（１）に極めて近接させて配置するので、入射Ｘ線（８）が発散光であることが取得される回折Ｘ線図形に及ぼす影響は無視することができる。
【００２５】
上述の被測定領域（Ａ）とは、試料表面を二次元の面としてみたときに、二次元位置敏感型検出器（３）が見込む領域、つまり、二次元位置敏感型検出器（３）によって検出され得る回折Ｘ線（６）が出射する地点が形成する領域のことをさしている。すなわち、入射Ｘ線（８）が試料内部に侵入して試料内部で回折Ｘ線（６）が発生し、その回折Ｘ線（６）が試料表面から出射するときに、試料表面を二次元の面としてみたときの被測定領域（Ａ）内のいずれかの部位から出射する回折Ｘ線（６）だけが検出器（３）の検出素子で検出される。また、その出射部位（出射位置）が回折Ｘ線（６）の発生位置と判断される。その際、試料内での実際の発生位置と出射位置との試料面上でのずれは検出器の分解能に対して無視できる程度の誤差にすぎない。二次元位置敏感型検出器（３）は角度発散制限手段（７）を経てきた回折Ｘ線（６）だけを検出するので、被測定領域（Ａ）は、二次元位置敏感型検出器（３）の検出器面とほぼ同じ大きさである。例えば二次元位置敏感型検出器（３）の検出器面が１０ｍｍ角であれば被測定領域（Ａ）もまたほぼ１０ｍｍ角となる。したがって、この場合には入射Ｘ線（８）が１０ｍｍ角の領域を一度に均一に照らすようにＸ線管（９）と試料（１）との間の距離を、またこの距離をできるだけ接近させられるように入射Ｘ線（８）の試料表面に対する入射角度を決める必要がある。よって、Ｘ線管支持部（１０）がそのためのＸ線管位置調整機構を備えていると有利である。ただし、ほぼ同じサイズで同じ形状の試料ばかりを測定対象とする場合など、Ｘ線管位置調整機構がなくてもよい場合もある。検出器位置を角度走査しながら測定している最中は試料が動かされることはないので、Ｘ線管（９）と試料（１）との間の距離も測定中は固定さ
れる。
【００２６】
試料表面と検出器面との間の距離（試料・検出器間距離）は近ければ近いほど回折Ｘ線（６）を効率よく検出し、短時間で回折Ｘ線画像を取得することができるが、試料表面と検出器面とを限りなく近接させないと測定ができないというものではない。したがって、この距離は二次元位置敏感型検出器（３）およびそれと一体的に回動する角度発散制限手段（７）が入射Ｘ線（８）をさえぎらない範囲で最も試料表面に近接した位置を基準とするが、装置の他の部材との接触を回避することなどを考慮してそれより離れた位置を選んでもよい。
【００２７】
この出願の発明に係るＸ線回折分析装置は、回折Ｘ線強度分布画像を取得することにより試料中に存在する異なる構造の分布の情報を得ることを第一の目的とする装置であるので、通常の粉末Ｘ線回折法で行うように広い散乱角度範囲の走査を行って回折角度とそこでの回折Ｘ線強度を取得するという使い方よりも、特定の格子面間隔をもつ構造に注目して、その格子面間隔に対応する理論上の回折角度位置近傍で角度の連続走査ないしステップ走査を行うことにより、当該格子面間隔を有する構造の試料中での分布や理論上の回折角度と実際の回折角度とのずれなどを観察する使い方のほうがより効果的である。特に、後者のような使い方に特化する場合には、二次元位置敏感型検出器（３）の回動角度範囲を制限することができるので、装置を小型化できるという利点もある。
【００２８】
この出願の発明に係るＸ線回折分析装置を用いて、後者のような使い方をする方法、すなわち試料中での特定の結晶構造の分布をあらわす回折Ｘ線画像を取得するための一つの方法を示すと以下のようになる。まず、その結晶構造の特定の格子面に着目し、当該格子面の面間隔に対応する理論上の回折角度に相当する散乱角度（入射Ｘ線の光軸と回折Ｘ線の光軸のなす角度）位置へ二次元位置敏感型検出器（３）を移動させる。入射Ｘ線（８）を照射した状態でこの位置を中心として二次元位置敏感型検出器（３）の回動位置（散乱角度位置）を連続走査しながら最適角度位置を探し、最適角度位置で回折Ｘ線画像を取得すると、注目する格子面についての回折Ｘ線強度分布が得られる。その画像から、注目している結晶構造が試料（１）のどの部位に観察されるのかを特定することができる。他方、二次元位置敏感型検出器（３）による角度走査をステップ走査として、理論上の回折角度に対応する検出器回動角度位置のまわりの複数の検出器回動角度位置でそれぞれ回折Ｘ線画像を得るということも考えられる。散乱角度位置を走査するのは、理論上の回折角度と実際の回折角度とが厳密に一致するとはかぎらないからである。ここで、回折角度は入射Ｘ線（８）の光軸に対する角度であるので、入射Ｘ線（８）の入射角度が０度でない限り回折Ｘ線（６）の試料表面に対する出射角度とは一致しない。
【００２９】
試料・検出器間距離の決定は、目的に応じて範囲の大小はあるものの上述のように検出器の角度走査を行う必要があることと角度走査中は試料・検出器間距離が固定されることを念頭において、角度走査範囲の最大角度および最小角度で部材間の接触が生じたり入射Ｘ線（８）を遮ったりしないように注意して行う必要がある。薄膜配置の場合には、試料・検出器間距離は二次元位置敏感型検出器（３）の検出器面が試料表面に正対する場合（回折Ｘ線（６）の試料表面に対する出射角が９０度）に入射Ｘ線（８）を妨げず且つ部材間の接触なしに最も近づけることができるので、このような配置がこの出願の発明に係るＸ線回折分析装置において最も検出効率がよい配置である。使用する装置の構造、試料の形状やサイズにもよるが、この配置では２〜５ｍｍ程度まで試料・検出器間距離を短くすることができる。一方、この位置から検出し得る回折Ｘ線（６）の出射角度が大きくなるようにあるいは小さくなるように二次元位置敏感型検出器（３）を回動させていくと、試料表面と検出器面との距離を離さなければ試料（１）、試料支持部（２）、Ｘ線管（９）、Ｘ線管支持部（１０）等の部材との接触や入射Ｘ線（８）を遮るという問題が生じてしまう。したがって、試料表面に正対する位置から二次元位置敏感型検出器（３）を約±３
０度回動させた位置では、試料・検出器間距離は１２〜１５ｍｍ程度が目安となる。ただし、それより離れたら測定が行えないというものではない。試料・検出器間距離が離れすぎないということを考慮すると、試料表面に対して６０〜１２０度の範囲の出射角度をもつ回折Ｘ線（６）だけを利用するという選択、すなわち、二次元位置敏感型検出器（３）の回動角度範囲をこの範囲に限定してしまうということも十分に考え得る。注目する格子面としてこの角度範囲内で回折Ｘ線（６）を検出できる格子面を選べばよいのである。
【００３０】
Ｘ線管（９）は交換可能であるので、複数のＸ線管の中から測定対象に応じた適切なＸ線エネルギー（波長）をもつ特性Ｘ線を発生させるＸ線管を選んで使用すれば、二次元位置敏感型検出器（３）の回動角度範囲が制限されていても十分に広範囲の試料に対応できる。たとえば、クロム管からのクロムＫα線（５４１４ｅＶ）、鉄管からの鉄Ｋα線（６４０３ｅＶ）、銅管からの銅Ｋα線（８０４７ｅＶ）等を次の２つの基準で選択する。第１には、二次元位置敏感型検出器（３）が動くことのできる回転軸線（５）のまわりでの回動角度範囲内で注目している格子面の面間隔に対応する回折角（入射Ｘ線（８）と回折Ｘ線（６）がなす角、すなわち散乱角）を有する回折Ｘ線（６）を検出できるように選ぶ。回折Ｘ線（６）の強度の点から目安としては、目的とする格子面からの回折Ｘ線（６）の試料表面に対する出射角度が６０〜１２０度、有利には９０度近傍となるような波長の特性Ｘ線を発生させるＸ線管（９）を選択するとよい。第２には、試料中の主成分元素の吸収端に留意し、蛍光Ｘ線によるバックグラウンドに回折像が埋もれないように、吸収端波長よりも長波長（低いＸ線エネルギー）の特性Ｘ線を発生させるＸ線管（９）を選ぶ。
【００３１】
Ｘ線管（９）が発生させる特性Ｘ線はＫα線のほかにＫβ線等も含んでいる。Ｋβ線を含むことで、取得されるＸ線回折図形に不都合な影響が生じる場合にはＸ線管９の取り出し窓としてＫβ線を吸収するフィルター材を用いることによりＫβ線を排除するとよい。このとき、Ｘ線管（９）と試料（１）とを近接配置するためには、入射Ｘ線の光路上にＫβ線を吸収する光学素子を設けるのではなく、Ｘ線管（９）の一部であるＸ線取り出し窓をＫβ線を吸収する材料で形成することが重要である。フィルター材としては、クロム管ではチタン、鉄管ではマンガン、銅管ではニッケルの金属箔等が有望である。
【００３２】
図１では、この出願の発明に係るＸ線回折分析装置を実験室で使用することを想定して試料支持部（２）を図示しているが、試料支持部（２）の役割は試料（１）を動かないように固定保持することであるので、試料（１）が固定された構造物の一部であれば試料支持部（２）は当然に不要である。そのような場合には試料の位置は定まった位置から移動させることができないので、観察しようとする被測定領域の場所に応じてＸ線管（９）、二次元位置敏感型検出器（３）等を最適な位置に据えることとなる。一方、実験室で使用することを念頭においた装置の場合には、二次元位置敏感型検出器（３）の回動に関する回転軸線（５）の位置を定めておいて、回転軸線（５）が被測定領域（Ａ）と同一面内で被測定領域（Ａ）の中心を通る位置関係となるように試料位置を調整し、最後にＸ線管（９）の位置を定めるという手順をとってもよい。実験室で使用するための装置では、試料（１）の表面が水平になるように装置を構成すると、溶液からの析出物等のように液体に浮いているような不安定な試料をも測定対象とすることができる。
【００３３】
二次元位置敏感型検出器（３）としては、多素子の半導体検出器、Ｘ線検出能力を有するＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳイメージセンサー等を用いることができる。Ｘ線を直接検出することができるＣＣＤカメラあるいはＣＭＯＳイメージセンサーでは、発生する電荷量から検出したＸ線のエネルギーを決定することにより、回折Ｘ線と蛍光Ｘ線を区別することも可能となる。他方、Ｘ線を直接検出するのではなく、Ｘ線によって発光するシンチレータを有し、そのシンチレータの発光を検知するような検出器であってもこの出願の発明を実施するうえではなんら問題はない。
【００３４】
画像形成記録部は、一般的にはコンピュータをその一部として有するが、コンピュータの機能をマイクロチップとして二次元位置敏感型検出器（３）に内蔵させて構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】この出願の発明に係るＸ線回折分析装置の概念図である。
【符号の説明】
【００３６】
１ 試料
２ 試料支持部
３ 二次元位置敏感型検出器
４ 検出器支持部
５ 二次元位置敏感型検出器の回動に関する回転軸線
６ 回折Ｘ線
７ 角度発散制限手段
８ 入射Ｘ線
９ Ｘ線管
１０ Ｘ線管支持部
Ａ 被測定領域
【技術分野】
【０００１】
この出願の発明は、固定保持されている不均一な結晶構造を有する試料、例えば多結晶体、歪みや欠陥を有する部材等、の局所構造情報を含んだＸ線回折図形を、試料を照らす入射Ｘ線として所定の元素の特性Ｘ線を発生させるＸ線管と、二次元に配列された複数の検出素子からなる二次元位置敏感型検出器とを用いて取得するためのＸ線回折分析装置およびＸ線回折分析方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線回折法は、Ｘ線を結晶性の試料に照射したときに生じる回折Ｘ線を検出することにより、その試料の結晶構造に対応するＸ線回折図形を得る技術である。Ｘ線回折図形は、目的や使用する装置に応じてさまざまな形式で取得されることが知られている。例えば、通常の粉末Ｘ線回折計では回折角度と回折Ｘ線強度が組となったデータの形で取得され、横軸に回折角をとり縦軸に回折Ｘ線強度をとったグラフで表現される。デバイ・シェラーカメラ等では、回折Ｘ線の強度が濃淡として現れた写真としてＸ線回折図形が取得される。
【０００３】
一般的に粉末（多結晶体）を対象として用いる粉末Ｘ線回折法は、均一で且つランダムな配向をもつ試料の結晶構造を知ることを目的としている。したがって、複数の回折スポット（回折Ｘ線強度が強いところ、回折角度に対する回折Ｘ線強度プロファイルではピークとしてあらわれる）を収集してその強度や相互の幾何学的な位置関係を把握することが重要である。そのために、典型的には、試料を照らす入射Ｘ線としてＸ線管からの特性Ｘ線を用い、２軸ゴニオメータのいわゆるθ／２θ走査によって試料からの回折Ｘ線の強度の回折角依存性強度プロファイルを測定する。その際、通常は集中法を近似的に満足する光学系が用いられる。すなわち、焦点円上にある光源から発散したＸ線のうち平行スリットを経て発散スリットを通過したＸ線だけが、焦点円に接する平面試料によって回折される。回折されたＸ線は焦点円上の受光スリットに集中し、平行スリットと散乱スリットを経て検出器で検出される（非特許文献１）。
【０００４】
一方、Ｘ線回折測定を目的に作られた試料ではない、いわゆる実試料は、例えば、異なる結晶構造が共存する、方位の異なる集合組織が含まれている、欠陥がある、負荷を与えられたことによる結晶構造の歪みがある、等の不均一な場合が多く、試料の各部位の局所的な結晶構造を知ることも重要となる。しかし、上述の一般的な粉末Ｘ線回折法で得られる情報は試料のうちの入射Ｘ線で照らされた領域の平均情報であるため、その領域内の部位による結晶構造の差異についての情報を得ることはできない。
【０００５】
そこで、試料に照射するＸ線のビームサイズを小さくして試料の各部位の情報を得る技術が提案された（非特許文献２）。確かに、微小なビームサイズの入射Ｘ線を用い、試料ステージのＸＹ走査で試料上のＸ線照射領域を変え、各照射領域で従来の粉末Ｘ線回折法と同様に２軸ゴニオメータのθ／２θ走査による測定を行えば、試料の各部位の情報を得ることは可能である。しかし、一試料の測定に膨大な時間がかかってしまうという問題がある。例えば、試料上の一点（一つのＸ線照射領域）についてのＸ線回折図形を得るのに要する時間が一般的な粉末Ｘ線回折法による測定時間と同様の２０〜３０分程度であるとすれば、もし試料上での測定点数が１００×１００の１００００点であれば測定に約５０００時間、すなわち約２００日もかかることになる。
【０００６】
測定時間を短縮するために、最近では、一次元または二次元の位置敏感型検出器を用いて検出器の各素子で異なる回折角度の回折Ｘ線の情報を検出することにより、２軸ゴニオ
メータのθ／２θ走査を省略する技術が一般的となっている。しかし、試料の各部位の情報を得るためには１点ずつ部位ごとに測定しなければならないことにはかわりがないため、試料の広い領域中の各部位の情報を得ようとすると測定点が多数となり依然として測定に長時間を要してしまう。
【０００７】
他方、試料を入射Ｘ線の光軸に対して垂直な軸のまわりで回転可能に支持し、位置敏感型検出器を入射Ｘ線に対する散乱角（２θ角）を固定して設置し、試料と位置敏感型検出器との間にコリメータを配置することによって試料表面の被測定領域中の各部位と位置敏感型検出器の各検出素子とを一対一で対応付け、被測定領域全体を平行性のよい単色Ｘ線で照らして各部位からの回折Ｘ線をそれぞれ別の検出素子で検出することにより、試料上の測定点の走査を省略して試料のθ走査だけによって回折図形を得る技術も提案されている（特許文献１）。この技術では、試料上でＸ線照射位置を走査する必要がないので、一般的な粉末回折法で要する測定時間と同程度の時間で試料の各部位の結晶構造の情報を得ることができる。しかし、試料を回転させるため、常に所望の領域を入射Ｘ線で照らすためにはサイズの大きい入射Ｘ線が必要になる。特許文献１では、Ｘ線管を入射Ｘ線源として用いることも想定しているが、Ｘ線管は放射光のような強度の強いＸ線源ではないので、検出される回折Ｘ線の強度が弱くなり、一つの回折図形を得るためにかかる時間がどうしても長くなってしまうという問題がある。例えば、特許文献１に係る発明の発明者らの報告によれば、放射光を利用した場合に１秒以下の撮像時間で画像を取得できる試料であっても、１ｍｒａｄの発散光として入射Ｘ線を発生させる１ｍｍの点焦点のＸ線管を試料から１ｍ離して配置して用いると１５分程度の撮像時間が必要となってしまう（非特許文献３）。非特許文献３では、その対策として、Ｘ線管の下流に多層膜からなる平行化素子をおくことで入射Ｘ線の強度をかせぐことが提案されているが、この場合には試料上での入射Ｘ線照射領域が狭くなってしまうという問題点も同時に指摘している。
【非特許文献１】加藤誠軌、『Ｘ線回折分析』、東京工業大学工学部無機材料工学科編セラミックス基礎講座３、内田老鶴圃、1990年、pp.119-120
【非特許文献２】Y. Chikaura, Y. Yoneda and G. Hildebrandt, "Polycrystal scattering topography", Journal of Applied Crystallography, vol.15, pp.48-54, 1982
【特許文献１】ドイツ特許第４４３０６１５号公報（ＤＥ４４３０６１５Ｃ２）
【非特許文献３】T. Wroblewski, D. Breuer, H.-A. Crostack, F. Fandrich, M. Gross and P. Klimanek, "Mapping in Real and Reciprocal Space", Materials Science Forum, vols. 278-281, pp. 216-220, 1998
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この出願の発明は、Ｘ線管から出射されたＸ線ビームが試料に到達するまでの光路における強度の減衰を極力小さくすることにより、例えば多結晶体、歪みや欠陥を有する部材等のような不均一な結晶構造を有する試料の局所構造情報を備えるＸ線回折図形、特に特定の結晶格子面に注目したときの回折Ｘ線強度の二次元分布画像を、実験室や、残留応力測定等の非破壊検査を要する構造物が設置されている現場で短時間且つ簡単に取得することを可能とするＸ線回折分析装置およびＸ線回折分析方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この出願の発明によれば、前記課題は、固定保持されている不均一な結晶構造を有する試料の局所構造情報を含んだＸ線回折図形を、試料を照らす入射Ｘ線として所定の元素の特性Ｘ線を発生させるＸ線管と、二次元に配列された複数の検出素子からなる二次元位置敏感型検出器とを用いて取得するためのＸ線回折分析装置において、前記Ｘ線管を、前記入射Ｘ線が試料表面の観察しようとする被測定領域全体を照らすことのできる位置であって且つ前記試料と接触しない範囲で限りなく前記試料に接近した位置に固定保持し、前記二次元位置敏感型検出器を、試料表面に前記被測定領域の中心を通って入射Ｘ線の光軸に
対して垂直に延在する回転軸線のまわりで回動可能に配置し、前記試料で回折されて前記被測定領域内の各部位から出射する回折Ｘ線をそれぞれ前記二次元位置敏感型検出器の異なる検出素子で区別して検出するために当該回折Ｘ線の角度発散を制限する角度発散制限手段を、前記回転軸線のまわりで前記二次元位置敏感型検出器と一体的に回動するように設け、前記検出素子でそれぞれ検出した回折Ｘ線の強度を各画素値とする二次元の回折Ｘ線画像を形成し記録することを特徴とするＸ線回折分析装置によって解決される。
【００１０】
また、固定保持されている不均一な結晶構造を有する試料の局所構造情報を含んだＸ線回折図形を、試料を照らす入射Ｘ線として所定の元素の特性Ｘ線を発生させるＸ線管と、二次元に配列された複数の検出素子からなる二次元位置敏感型検出器とを用いて取得するためのＸ線回折分析方法において、試料に近接して配置されたＸ線管から出射して一切の光学素子を介さずに試料に入射する入射Ｘ線によって試料表面の観察しようとする被測定領域全体を照らすこと、試料で回折されて前記被測定領域内の各部位から出射する回折Ｘ線の角度発散を制限することにより、各部位から出射する回折Ｘ線をそれぞれ二次元位置敏感型検出器の異なる検出素子で区別して検出すること、および、二次元位置敏感型検出器を試料表面に被測定領域の中心を通って入射Ｘ線の光軸に垂直に延在する回転軸線のまわりで回動移動させて所望の角度位置に二次元位置敏感型検出器を保持し、その位置で各検出素子が検出した回折Ｘ線の強度を各画素値とする二次元の回折Ｘ線画像を形成して記録することを特徴とするＸ線回折分析方法によって解決される。
【発明の効果】
【００１１】
この出願の発明に係るＸ線回折分析装置およびＸ線回折分析方法では、試料は固定保持されており、すなわち、測定中に試料が動かされることがなく、試料を照らす入射Ｘ線として所定の元素の特性Ｘ線を発生させるＸ線管が試料の被測定領域全体を照らすことのできる位置であって且つ試料と接触しない範囲で限りなく試料に接近した位置に固定保持されている。すなわち、試料のすぐ近くで発生させられたＸ線ビームが、当該Ｘ線ビームを単色化したり平行化したりする光学素子を一切通らずに試料に入射するので、Ｘ線ビームが光学素子を通過することによる強度損失がない上に、Ｘ線管と試料との間の距離が短いことにより大気での散乱・吸収による強度損失も極力小さくすることができる。つまり、特許文献１で想定しているように入射Ｘ線を平行化された単色Ｘ線とするのに比べてＸ線強度損失が極端に小さくてすむ。これによって、放射光のような強力なＸ線源を使用できない実験室や現場でも、Ｘ線管を利用して短時間で試料の局所構造情報を含んだ二次元の回折Ｘ線画像を取得することが可能となる。また、測定中は試料とＸ線管が動かされることはないので、試料上の入射Ｘ線が照らす領域が変化することもない。
【００１２】
この出願の発明のＸ線回折分析装置において、入射Ｘ線を発生させるＸ線管が線状の細い長方形断面を有するＸ線ビームを発生させるＸ線管であり、前記長方形断面の長軸が前記回転軸線に平行に延在し且つ試料表面と前記入射Ｘ線の光軸とがなす角度が０〜３度となるように当該Ｘ線管が固定保持されていると、Ｘ線管を試料に近接させて配置しても試料の広い領域を均一に照らすことができる。
【００１３】
この出願の発明のＸ線回折分析装置において、Ｘ線管が、交換可能であり、異なる元素の特性Ｘ線を発生させる複数のＸ線管の中からＸ線管を選択して使用可能であると、試料に応じて蛍光Ｘ線の生じない波長の入射Ｘ線を使用すること、二次元位置敏感型検出器の回動（旋回）角度範囲が限られている場合に対象とする格子面の回折角度が測定上好都合な角度となるような波長の入射Ｘ線を使用することなどが可能となる。
【００１４】
この出願の発明のＸ線回折分析装置において、前記Ｘ線管と前記試料との間の距離および試料表面と前記入射Ｘ線の光軸とがなす角度を調整するための機構が設けられていると、試料の形状やサイズが一定しない実試料を測定する場合にも、入射Ｘ線による被測定領
域の最適な照明を実現することができる。また、これらの調整は測定前に行われ、測定が始まると試料とＸ線管は動かされることがないので、当該機構は手動操作のものでよい。
【００１５】
この出願の発明のＸ線回折分析装置において、Ｘ線管のＸ線取り出し窓が当該Ｘ線管で発生する特性Ｘ線のうちのＫβ線を吸収するフィルター材からなると、Ｋα線とＫβ線（これら以外の波長のＸ線も含まれる可能性はあるが強度が弱いので無視できる）の両方が混ざったＸ線ビームを入射Ｘ線として使用することにより取得される回折Ｘ線画像に悪影響が生じる場合に、Ｋβ線成分を排除することができる。その際、別の光学素子を入射Ｘ線光路に挿入するのではなくフィルター材からなる取り出し窓を使用することによって、Ｘ線管と試料との間の距離を離す必要がない。
【００１６】
この出願の発明のＸ線回折分析装置において、二次元位置敏感型検出器および角度発散制限手段の回動角度範囲が、試料表面に対して６０度の位置から１２０度の位置までであると、二次元位置敏感型検出器と試料との間の距離を大きく離さなくてもそれらの回動が妨げられることが無いので、装置をコンパクトに構成することが可能である。大部分の試料については、この回動角度範囲内で回折図形の取得を行えば、結晶構造の分布の画像化、残留応力分布の画像化等の目的を充分果たすことができる。
【００１７】
この出願の発明のＸ線回折分析装置において、試料表面と前記二次元位置敏感型検出器との間の距離を調整する機構が設けられていると、二次元位置敏感型検出器の回動角度位置に応じて、入射Ｘ線を遮らず且つ部材が接触しない範囲で最も試料に近接させた二次元位置敏感型検出器の配置を実現できる。ただし、二次元位置敏感型検出器の回動角度走査中はこの距離は固定であるので、当該機構は手動操作の機構でもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、図面に基づいてこの出願の発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１９】
図１に、この出願の発明に係るＸ線回折分析装置の概念図を示す。
【００２０】
試料（１）は、試料支持部（２）によって固定保持されており、測定中に動かされることはない。
【００２１】
二次元に配列された複数の検出素子からなる二次元位置敏感型検出器（３）は、検出器支持部（４）によって、試料表面の観察しようとする被測定領域（Ａ）と同一面内で被測定領域（Ａ）の中心を通って延びる回転軸線（５）のまわりで回動（旋回）可能に保持されており、あらゆる回動位置において二次元位置敏感型検出器（３）の検出器面（すべての検出素子の検出面によって形成される二次元の面）が常に被測定領域（Ａ）を見込む。試料（１）と二次元位置敏感型検出器（３）との間には、試料（１）で発生して試料表面の被測定領域（Ａ）内の各部位から出射する回折Ｘ線（６）の角度発散を制限することによって被測定領域（Ａ）内の異なる部位から出射する回折Ｘ線（６）を二次元位置敏感型検出器（３）の別々の検出素子で区別して検出できるようにするコリメータ（例えば合成石英製キャピラリを集合させたキャピラリプレート、リソグラフィ技術により軽金属に同様の加工を施したもの）等の角度発散制限手段（７）が設けられている。角度発散制限手段（７）は、二次元位置敏感型検出器（３）と一体的に回転軸線（５）のまわりで回動させられる。したがって、二次元位置敏感型検出器（３）がどの回動位置にある場合にも、それぞれの検出素子は被測定領域（Ａ）内の別々の特定の一つの部位から出射する回折Ｘ線（６）だけを検出する。二次元位置敏感型検出器（３）と角度発散制限手段（７）は一体構成となっていてもよい。
【００２２】
図１には示していないが、二次元位置敏感型検出器（３）は、各検出素子で検出した回
折Ｘ線強度を各画素値とする二次元の回折Ｘ線画像を生成して記録するための画像形成記録部を内部もしくは外部に有している。
【００２３】
所定の元素の特性Ｘ線を発生させ、細い長方形断面（線状焦点）を有する特性Ｘ線ビームを入射Ｘ線（８）として出射するＸ線管（９）は、入射Ｘ線（８）の長方形断面の長軸が回転軸線（５）と平行に位置するようにＸ線管支持部（１０）によって固定保持される。Ｘ線管（９）から出射するＸ線は発散光であるが、Ｘ線管（９）の狭いＸ線取り出し窓から出射する時点では入射Ｘ線（８）はほぼ線状の細い長方形断面を有するＸ線ビームである。仮に入射Ｘ線（８）の長方形断面が出射時と同程度のサイズのままで入射Ｘ線（８）が試料（１）に入射したとしても、試料表面に対して低角で入射すれば、試料表面の広い領域を均一に照らすことができる。したがって、入射Ｘ線（８）が試料表面に入射する入射角度が試料表面に対して０〜３度程度の低角（ただし、必ず３度より小さい角度でなければならないというものではない）であるいわゆる薄膜配置となるようにＸ線管（９）が固定保持される。
【００２４】
Ｘ線管（９）と試料（１）との間の入射Ｘ線光路上には単色化のためのモノクロメータや平行化するための光学素子等は一切設けない。それによって、Ｘ線管（９）は試料（１）ないし試料支持部（２）と接触しない範囲で限りなく被測定領域（Ａ）に接近させて配置することができる。実際にどこまでＸ線管（９）を被測定領域（Ａ）に近づけて配置するかは、試料（１）やその支持部分あるは二次元位置敏感型検出器（３）がＸ線管（９）とどこで物理的に接触するかによって決まるが、例えば、５０ｍｍ〜７０ｍｍ程度に設定することができる。このとき、上記の薄膜配置の採用は、Ｘ線管（９）を試料（１）に近接させても入射Ｘ線（８）で被測定領域（Ａ）全体を均一に照らすことができるという点で有利である。このようにＸ線管（９）と試料（１）とを極めて近接させて配置することにより、真空パスを導入しなくても、大気による入射Ｘ線の減衰を極力抑制することができる。また、入射Ｘ線光路上に一切光学素子を配置しないことにより、光学素子を経ることによる強度減衰を排除できることも大きな利点である。光学素子を経ないため、入射Ｘ線（８）はＸ線管（９）で発生した発散光のままであるが、Ｘ線管（９）を試料（１）に極めて近接させて配置するので、入射Ｘ線（８）が発散光であることが取得される回折Ｘ線図形に及ぼす影響は無視することができる。
【００２５】
上述の被測定領域（Ａ）とは、試料表面を二次元の面としてみたときに、二次元位置敏感型検出器（３）が見込む領域、つまり、二次元位置敏感型検出器（３）によって検出され得る回折Ｘ線（６）が出射する地点が形成する領域のことをさしている。すなわち、入射Ｘ線（８）が試料内部に侵入して試料内部で回折Ｘ線（６）が発生し、その回折Ｘ線（６）が試料表面から出射するときに、試料表面を二次元の面としてみたときの被測定領域（Ａ）内のいずれかの部位から出射する回折Ｘ線（６）だけが検出器（３）の検出素子で検出される。また、その出射部位（出射位置）が回折Ｘ線（６）の発生位置と判断される。その際、試料内での実際の発生位置と出射位置との試料面上でのずれは検出器の分解能に対して無視できる程度の誤差にすぎない。二次元位置敏感型検出器（３）は角度発散制限手段（７）を経てきた回折Ｘ線（６）だけを検出するので、被測定領域（Ａ）は、二次元位置敏感型検出器（３）の検出器面とほぼ同じ大きさである。例えば二次元位置敏感型検出器（３）の検出器面が１０ｍｍ角であれば被測定領域（Ａ）もまたほぼ１０ｍｍ角となる。したがって、この場合には入射Ｘ線（８）が１０ｍｍ角の領域を一度に均一に照らすようにＸ線管（９）と試料（１）との間の距離を、またこの距離をできるだけ接近させられるように入射Ｘ線（８）の試料表面に対する入射角度を決める必要がある。よって、Ｘ線管支持部（１０）がそのためのＸ線管位置調整機構を備えていると有利である。ただし、ほぼ同じサイズで同じ形状の試料ばかりを測定対象とする場合など、Ｘ線管位置調整機構がなくてもよい場合もある。検出器位置を角度走査しながら測定している最中は試料が動かされることはないので、Ｘ線管（９）と試料（１）との間の距離も測定中は固定さ
れる。
【００２６】
試料表面と検出器面との間の距離（試料・検出器間距離）は近ければ近いほど回折Ｘ線（６）を効率よく検出し、短時間で回折Ｘ線画像を取得することができるが、試料表面と検出器面とを限りなく近接させないと測定ができないというものではない。したがって、この距離は二次元位置敏感型検出器（３）およびそれと一体的に回動する角度発散制限手段（７）が入射Ｘ線（８）をさえぎらない範囲で最も試料表面に近接した位置を基準とするが、装置の他の部材との接触を回避することなどを考慮してそれより離れた位置を選んでもよい。
【００２７】
この出願の発明に係るＸ線回折分析装置は、回折Ｘ線強度分布画像を取得することにより試料中に存在する異なる構造の分布の情報を得ることを第一の目的とする装置であるので、通常の粉末Ｘ線回折法で行うように広い散乱角度範囲の走査を行って回折角度とそこでの回折Ｘ線強度を取得するという使い方よりも、特定の格子面間隔をもつ構造に注目して、その格子面間隔に対応する理論上の回折角度位置近傍で角度の連続走査ないしステップ走査を行うことにより、当該格子面間隔を有する構造の試料中での分布や理論上の回折角度と実際の回折角度とのずれなどを観察する使い方のほうがより効果的である。特に、後者のような使い方に特化する場合には、二次元位置敏感型検出器（３）の回動角度範囲を制限することができるので、装置を小型化できるという利点もある。
【００２８】
この出願の発明に係るＸ線回折分析装置を用いて、後者のような使い方をする方法、すなわち試料中での特定の結晶構造の分布をあらわす回折Ｘ線画像を取得するための一つの方法を示すと以下のようになる。まず、その結晶構造の特定の格子面に着目し、当該格子面の面間隔に対応する理論上の回折角度に相当する散乱角度（入射Ｘ線の光軸と回折Ｘ線の光軸のなす角度）位置へ二次元位置敏感型検出器（３）を移動させる。入射Ｘ線（８）を照射した状態でこの位置を中心として二次元位置敏感型検出器（３）の回動位置（散乱角度位置）を連続走査しながら最適角度位置を探し、最適角度位置で回折Ｘ線画像を取得すると、注目する格子面についての回折Ｘ線強度分布が得られる。その画像から、注目している結晶構造が試料（１）のどの部位に観察されるのかを特定することができる。他方、二次元位置敏感型検出器（３）による角度走査をステップ走査として、理論上の回折角度に対応する検出器回動角度位置のまわりの複数の検出器回動角度位置でそれぞれ回折Ｘ線画像を得るということも考えられる。散乱角度位置を走査するのは、理論上の回折角度と実際の回折角度とが厳密に一致するとはかぎらないからである。ここで、回折角度は入射Ｘ線（８）の光軸に対する角度であるので、入射Ｘ線（８）の入射角度が０度でない限り回折Ｘ線（６）の試料表面に対する出射角度とは一致しない。
【００２９】
試料・検出器間距離の決定は、目的に応じて範囲の大小はあるものの上述のように検出器の角度走査を行う必要があることと角度走査中は試料・検出器間距離が固定されることを念頭において、角度走査範囲の最大角度および最小角度で部材間の接触が生じたり入射Ｘ線（８）を遮ったりしないように注意して行う必要がある。薄膜配置の場合には、試料・検出器間距離は二次元位置敏感型検出器（３）の検出器面が試料表面に正対する場合（回折Ｘ線（６）の試料表面に対する出射角が９０度）に入射Ｘ線（８）を妨げず且つ部材間の接触なしに最も近づけることができるので、このような配置がこの出願の発明に係るＸ線回折分析装置において最も検出効率がよい配置である。使用する装置の構造、試料の形状やサイズにもよるが、この配置では２〜５ｍｍ程度まで試料・検出器間距離を短くすることができる。一方、この位置から検出し得る回折Ｘ線（６）の出射角度が大きくなるようにあるいは小さくなるように二次元位置敏感型検出器（３）を回動させていくと、試料表面と検出器面との距離を離さなければ試料（１）、試料支持部（２）、Ｘ線管（９）、Ｘ線管支持部（１０）等の部材との接触や入射Ｘ線（８）を遮るという問題が生じてしまう。したがって、試料表面に正対する位置から二次元位置敏感型検出器（３）を約±３
０度回動させた位置では、試料・検出器間距離は１２〜１５ｍｍ程度が目安となる。ただし、それより離れたら測定が行えないというものではない。試料・検出器間距離が離れすぎないということを考慮すると、試料表面に対して６０〜１２０度の範囲の出射角度をもつ回折Ｘ線（６）だけを利用するという選択、すなわち、二次元位置敏感型検出器（３）の回動角度範囲をこの範囲に限定してしまうということも十分に考え得る。注目する格子面としてこの角度範囲内で回折Ｘ線（６）を検出できる格子面を選べばよいのである。
【００３０】
Ｘ線管（９）は交換可能であるので、複数のＸ線管の中から測定対象に応じた適切なＸ線エネルギー（波長）をもつ特性Ｘ線を発生させるＸ線管を選んで使用すれば、二次元位置敏感型検出器（３）の回動角度範囲が制限されていても十分に広範囲の試料に対応できる。たとえば、クロム管からのクロムＫα線（５４１４ｅＶ）、鉄管からの鉄Ｋα線（６４０３ｅＶ）、銅管からの銅Ｋα線（８０４７ｅＶ）等を次の２つの基準で選択する。第１には、二次元位置敏感型検出器（３）が動くことのできる回転軸線（５）のまわりでの回動角度範囲内で注目している格子面の面間隔に対応する回折角（入射Ｘ線（８）と回折Ｘ線（６）がなす角、すなわち散乱角）を有する回折Ｘ線（６）を検出できるように選ぶ。回折Ｘ線（６）の強度の点から目安としては、目的とする格子面からの回折Ｘ線（６）の試料表面に対する出射角度が６０〜１２０度、有利には９０度近傍となるような波長の特性Ｘ線を発生させるＸ線管（９）を選択するとよい。第２には、試料中の主成分元素の吸収端に留意し、蛍光Ｘ線によるバックグラウンドに回折像が埋もれないように、吸収端波長よりも長波長（低いＸ線エネルギー）の特性Ｘ線を発生させるＸ線管（９）を選ぶ。
【００３１】
Ｘ線管（９）が発生させる特性Ｘ線はＫα線のほかにＫβ線等も含んでいる。Ｋβ線を含むことで、取得されるＸ線回折図形に不都合な影響が生じる場合にはＸ線管９の取り出し窓としてＫβ線を吸収するフィルター材を用いることによりＫβ線を排除するとよい。このとき、Ｘ線管（９）と試料（１）とを近接配置するためには、入射Ｘ線の光路上にＫβ線を吸収する光学素子を設けるのではなく、Ｘ線管（９）の一部であるＸ線取り出し窓をＫβ線を吸収する材料で形成することが重要である。フィルター材としては、クロム管ではチタン、鉄管ではマンガン、銅管ではニッケルの金属箔等が有望である。
【００３２】
図１では、この出願の発明に係るＸ線回折分析装置を実験室で使用することを想定して試料支持部（２）を図示しているが、試料支持部（２）の役割は試料（１）を動かないように固定保持することであるので、試料（１）が固定された構造物の一部であれば試料支持部（２）は当然に不要である。そのような場合には試料の位置は定まった位置から移動させることができないので、観察しようとする被測定領域の場所に応じてＸ線管（９）、二次元位置敏感型検出器（３）等を最適な位置に据えることとなる。一方、実験室で使用することを念頭においた装置の場合には、二次元位置敏感型検出器（３）の回動に関する回転軸線（５）の位置を定めておいて、回転軸線（５）が被測定領域（Ａ）と同一面内で被測定領域（Ａ）の中心を通る位置関係となるように試料位置を調整し、最後にＸ線管（９）の位置を定めるという手順をとってもよい。実験室で使用するための装置では、試料（１）の表面が水平になるように装置を構成すると、溶液からの析出物等のように液体に浮いているような不安定な試料をも測定対象とすることができる。
【００３３】
二次元位置敏感型検出器（３）としては、多素子の半導体検出器、Ｘ線検出能力を有するＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳイメージセンサー等を用いることができる。Ｘ線を直接検出することができるＣＣＤカメラあるいはＣＭＯＳイメージセンサーでは、発生する電荷量から検出したＸ線のエネルギーを決定することにより、回折Ｘ線と蛍光Ｘ線を区別することも可能となる。他方、Ｘ線を直接検出するのではなく、Ｘ線によって発光するシンチレータを有し、そのシンチレータの発光を検知するような検出器であってもこの出願の発明を実施するうえではなんら問題はない。
【００３４】
画像形成記録部は、一般的にはコンピュータをその一部として有するが、コンピュータの機能をマイクロチップとして二次元位置敏感型検出器（３）に内蔵させて構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】この出願の発明に係るＸ線回折分析装置の概念図である。
【符号の説明】
【００３６】
１ 試料
２ 試料支持部
３ 二次元位置敏感型検出器
４ 検出器支持部
５ 二次元位置敏感型検出器の回動に関する回転軸線
６ 回折Ｘ線
７ 角度発散制限手段
８ 入射Ｘ線
９ Ｘ線管
１０ Ｘ線管支持部
Ａ 被測定領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定保持されている不均一な結晶構造を有する試料の局所構造情報を含んだＸ線回折図形を、試料を照らす入射Ｘ線として所定の元素の特性Ｘ線を発生させるＸ線管と、二次元に配列された複数の検出素子からなる二次元位置敏感型検出器とを用いて取得するためのＸ線回折分析装置において、
前記Ｘ線管を、前記入射Ｘ線が試料表面の観察しようとする被測定領域全体を照らすことのできる位置であって且つ前記試料と接触しない範囲で限りなく前記試料に接近した位置に固定保持し、
前記二次元位置敏感型検出器を、試料表面に前記被測定領域の中心を通って入射Ｘ線の光軸に垂直に延在する回転軸線のまわりで回動可能に配置し、
前記試料で回折されて前記被測定領域内の各部位から出射する回折Ｘ線をそれぞれ前記二次元位置敏感型検出器の異なる検出素子で区別して検出するために当該回折Ｘ線の角度発散を制限する角度発散制限手段を、前記回転軸線のまわりで前記二次元位置敏感型検出器と一体的に回動するように設け、
前記検出素子でそれぞれ検出した回折Ｘ線の強度を各画素値とする二次元の回折Ｘ線画像を形成し記録すること
を特徴とするＸ線回折分析装置。
【請求項２】
前記Ｘ線管が、線状の細い長方形断面を有するＸ線ビームを発生させるＸ線管であり、前記長方形断面の長軸が前記回転軸線に平行に延在し且つ試料表面と前記入射Ｘ線の光軸とがなす角度が０〜３度となるように前記Ｘ線管が固定保持されていること、を特徴とする請求項１に記載のＸ線回折分析装置。
【請求項３】
前記Ｘ線管が、交換可能であり、異なる元素の特性Ｘ線を発生させる複数のＸ線管の中からＸ線管を選択して使用可能であることを特徴とする、請求項１または２に記載のＸ線回折分析装置。
【請求項４】
前記Ｘ線管と前記試料との間の距離および試料表面と前記入射Ｘ線の光軸とがなす角度を調整するための機構が設けられていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のＸ線回折分析装置。
【請求項５】
前記Ｘ線管のＸ線取り出し窓が、前記Ｘ線管で発生する特性Ｘ線のうちのＫβ線を吸収するフィルター材からなることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のＸ線回折分析装置。
【請求項６】
前記二次元位置敏感型検出器および前記角度発散制限手段の回動角度範囲が、試料表面に対して６０度の位置から１２０度の位置までであることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のＸ線回折分析装置。
【請求項７】
試料表面と前記二次元位置敏感型検出器との間の距離を調整する機構が設けられていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のＸ線回折分析装置。
【請求項８】
固定保持されている不均一な結晶構造を有する試料の局所構造情報を含んだＸ線回折図形を、試料を照らす入射Ｘ線として所定の元素の特性Ｘ線を発生させるＸ線管と、二次元に配列された複数の検出素子からなる二次元位置敏感型検出器とを用いて取得するためのＸ線回折分析方法において、
試料に近接して配置されたＸ線管から出射して一切の光学素子を介さずに試料に入射する入射Ｘ線によって試料表面の観察しようとする被測定領域全体を照らすこと、
試料で回折されて前記被測定領域内の各部位から出射する回折Ｘ線の角度発散を制限す
ることにより、各部位から出射する回折Ｘ線をそれぞれ二次元位置敏感型検出器の異なる検出素子で区別して検出すること、および
試料表面に被測定領域の中心を通って入射Ｘ線の光軸に垂直に延在する回転軸線のまわりで二次元位置敏感型検出器を回動移動させて所望の角度位置に二次元位置敏感型検出器を保持し、その位置で各検出素子が検出した回折Ｘ線の強度を各画素値とする二次元の回折Ｘ線画像を形成して記録すること
を特徴とするＸ線回折分析方法。
【請求項１】
固定保持されている不均一な結晶構造を有する試料の局所構造情報を含んだＸ線回折図形を、試料を照らす入射Ｘ線として所定の元素の特性Ｘ線を発生させるＸ線管と、二次元に配列された複数の検出素子からなる二次元位置敏感型検出器とを用いて取得するためのＸ線回折分析装置において、
前記Ｘ線管を、前記入射Ｘ線が試料表面の観察しようとする被測定領域全体を照らすことのできる位置であって且つ前記試料と接触しない範囲で限りなく前記試料に接近した位置に固定保持し、
前記二次元位置敏感型検出器を、試料表面に前記被測定領域の中心を通って入射Ｘ線の光軸に垂直に延在する回転軸線のまわりで回動可能に配置し、
前記試料で回折されて前記被測定領域内の各部位から出射する回折Ｘ線をそれぞれ前記二次元位置敏感型検出器の異なる検出素子で区別して検出するために当該回折Ｘ線の角度発散を制限する角度発散制限手段を、前記回転軸線のまわりで前記二次元位置敏感型検出器と一体的に回動するように設け、
前記検出素子でそれぞれ検出した回折Ｘ線の強度を各画素値とする二次元の回折Ｘ線画像を形成し記録すること
を特徴とするＸ線回折分析装置。
【請求項２】
前記Ｘ線管が、線状の細い長方形断面を有するＸ線ビームを発生させるＸ線管であり、前記長方形断面の長軸が前記回転軸線に平行に延在し且つ試料表面と前記入射Ｘ線の光軸とがなす角度が０〜３度となるように前記Ｘ線管が固定保持されていること、を特徴とする請求項１に記載のＸ線回折分析装置。
【請求項３】
前記Ｘ線管が、交換可能であり、異なる元素の特性Ｘ線を発生させる複数のＸ線管の中からＸ線管を選択して使用可能であることを特徴とする、請求項１または２に記載のＸ線回折分析装置。
【請求項４】
前記Ｘ線管と前記試料との間の距離および試料表面と前記入射Ｘ線の光軸とがなす角度を調整するための機構が設けられていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のＸ線回折分析装置。
【請求項５】
前記Ｘ線管のＸ線取り出し窓が、前記Ｘ線管で発生する特性Ｘ線のうちのＫβ線を吸収するフィルター材からなることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のＸ線回折分析装置。
【請求項６】
前記二次元位置敏感型検出器および前記角度発散制限手段の回動角度範囲が、試料表面に対して６０度の位置から１２０度の位置までであることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のＸ線回折分析装置。
【請求項７】
試料表面と前記二次元位置敏感型検出器との間の距離を調整する機構が設けられていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のＸ線回折分析装置。
【請求項８】
固定保持されている不均一な結晶構造を有する試料の局所構造情報を含んだＸ線回折図形を、試料を照らす入射Ｘ線として所定の元素の特性Ｘ線を発生させるＸ線管と、二次元に配列された複数の検出素子からなる二次元位置敏感型検出器とを用いて取得するためのＸ線回折分析方法において、
試料に近接して配置されたＸ線管から出射して一切の光学素子を介さずに試料に入射する入射Ｘ線によって試料表面の観察しようとする被測定領域全体を照らすこと、
試料で回折されて前記被測定領域内の各部位から出射する回折Ｘ線の角度発散を制限す
ることにより、各部位から出射する回折Ｘ線をそれぞれ二次元位置敏感型検出器の異なる検出素子で区別して検出すること、および
試料表面に被測定領域の中心を通って入射Ｘ線の光軸に垂直に延在する回転軸線のまわりで二次元位置敏感型検出器を回動移動させて所望の角度位置に二次元位置敏感型検出器を保持し、その位置で各検出素子が検出した回折Ｘ線の強度を各画素値とする二次元の回折Ｘ線画像を形成して記録すること
を特徴とするＸ線回折分析方法。
【図１】
【公開番号】特開２００６−２５０６４６（Ｐ２００６−２５０６４６Ａ）
【公開日】平成１８年９月２１日（２００６．９．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−６６１２０（Ｐ２００５−６６１２０）
【出願日】平成１７年３月９日（２００５．３．９）
【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 平成１６年９月２５日 文部科学省科学技術振興調整費ホームページ（ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｈｏｕｓｅｉ−ｓｅｉｋａ．ｃｏｍ／ｓｅａｒｃｈ／ｉｎｆｏ／ｉｎｆｏｒｅｓｕｌｔ．ａｓｐｘ？ｓｅｎｄｎｏ＝１）にて発表
【出願人】（３０１０２３２３８）独立行政法人物質・材料研究機構 (1,333)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年９月２１日（２００６．９．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月９日（２００５．３．９）
【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 平成１６年９月２５日 文部科学省科学技術振興調整費ホームページ（ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｈｏｕｓｅｉ−ｓｅｉｋａ．ｃｏｍ／ｓｅａｒｃｈ／ｉｎｆｏ／ｉｎｆｏｒｅｓｕｌｔ．ａｓｐｘ？ｓｅｎｄｎｏ＝１）にて発表
【出願人】（３０１０２３２３８）独立行政法人物質・材料研究機構 (1,333)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]