Ｘ線屈折方法
【課題】簡単な構成で、ビームラインの方向をほとんど変えずに、Ｘ線の吸収による減衰を抑えながら、Ｘ線を集束又は平行化することができるＸ線屈折方法を提供する。
【解決手段】Ｘ線Ｂ１が入射又は出射する第１面２と、前記第１面２から離れた位置から当該第１面２の反対側へ前記第１面２に垂直にかつ互いに平行に延びる複数の第２面４及び各前記第２面４の先端からその内側に隣り合う他の第２面４の基端に至るように延びる複数の第３面５を有し、前記第２面４の基端を通り前記第１面２に平行な面、前記第２面４及び前記第３面５により規定される複数のプリズム部６を有する屈折部３と、を備えたＸ線屈折素子１を、前記第１面２がＸ線Ｂ１の入射又は出射軸Ｂｉｎに対して垂直な角度位置から前記第２面４に垂直なＺ軸の回りに所定角度θ回転した位置に配置する。
【解決手段】Ｘ線Ｂ１が入射又は出射する第１面２と、前記第１面２から離れた位置から当該第１面２の反対側へ前記第１面２に垂直にかつ互いに平行に延びる複数の第２面４及び各前記第２面４の先端からその内側に隣り合う他の第２面４の基端に至るように延びる複数の第３面５を有し、前記第２面４の基端を通り前記第１面２に平行な面、前記第２面４及び前記第３面５により規定される複数のプリズム部６を有する屈折部３と、を備えたＸ線屈折素子１を、前記第１面２がＸ線Ｂ１の入射又は出射軸Ｂｉｎに対して垂直な角度位置から前記第２面４に垂直なＺ軸の回りに所定角度θ回転した位置に配置する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線を集束又は平行化するためのＸ線屈折方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から粉末Ｘ線回折やＸ線小角散乱等のＸ線照射による構造分析法が知られている。このような構造分析法においては、試料へのＸ線の入射強度を高めて実験データの精度を高くするために、Ｘ線を集束することが望ましい。また、Ｘ線源から平行Ｘ線を生成する要請もある。
【０００３】
しかし、可視光等とは異なり、Ｘ線の屈折率は１より小さいため、可視光用の集光レンズ等をＸ線の集束又は平行化にそのまま用いることはできない。そこで、Ｘ線を集束する技術として、Ｘ線のビームラインに曲面の全反射ミラーを追加することが知られている。また、屈折レンズとして凹レンズを複数用いることによってＸ線を集束する構成も知られている（例えば特許文献１参照）。さらに、鋸歯状の複数の歯に順次Ｘ線を入射することによりＸ線を集束する構成も知られている（例えば特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２０７９６２号公報
【特許文献２】特表２００３−５０５６７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、曲面の全反射ミラーを追加する構成においては、Ｘ線を途中で反射させる必要があり、ビームラインの方向（Ｘ線の経路）が変わってしまうため、設備の大幅な変更が必要となる。また、特許文献１や特許文献２の構成においては、ビームラインの方向は変わらないが、以下のような問題がある。すなわち、特許文献１の構成においては、焦点距離を短くするためには、何段もの凹レンズを通過させる必要があり、構造が複雑になるとともに、Ｘ線が凹レンズを通過するたびに吸収されるため、所望のＸ線の強度を得ることが困難となる。特許文献２の構成においても同様に、焦点距離を短くするためには、複数の歯に順次Ｘ線を入射する必要があるため、Ｘ線が複数の歯を通過するたびに吸収されるため、所望のＸ線の強度を得ることが困難となる。さらに、特許文献２に記載の構成においては、鋸歯の先端部側を通過するＸ線と基端部側を通過するＸ線とでＸ線の吸収量が異なるため、先端部側を通過するＸ線に対し基端部側を通過するＸ線が暗くなってしまう問題も生じる。また、特許文献２の構成においては、鋸歯状の複数の歯が形成された部材の表面が互いに向かい合うように配置されているが、鋸歯状の複数の歯を精度よく位置合わせすることは大変困難であることが予想される。
【０００６】
本発明は、以上のような課題を解決すべくなされたものであり、簡単な構成で、ビームラインの方向をほとんど変えずに、Ｘ線の吸収による減衰を抑えながら、Ｘ線を集束又は平行化することができるＸ線屈折方法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】
【０００７】
本発明に係るＸ線屈折方法は、Ｘ線を集束又は平行化するためのＸ線屈折方法であって、Ｘ線が入射又は出射する第１面と、前記第１面から離れた位置から当該第１面の反対側へ前記第１面に垂直にかつ互いに平行に延びる複数の第２面及び各前記第２面の先端からその内側に隣り合う他の第２面の基端に至るように延びる複数の第３面を有し、前記第２面の基端を通り前記第１面に平行な面、前記第２面及び前記第３面により規定される複数のプリズム部を有する屈折部と、を備えたＸ線屈折素子を、前記第１面がＸ線の入射又は出射軸に対して垂直な角度位置から前記第２面に垂直な軸の回りに所定角度回転した位置に配置するものである。
【０００８】
上記方法によれば、Ｘ線が、その入射軸が第１面の法線に対し第２面に垂直な軸の回りに所定角度だけ傾斜した状態で（すなわち所定の入射角で）Ｘ線屈折素子の第１面に入射又は出射する。ここで、Ｘ線が第１面側から入射される場合、Ｘ線が、その入射軸が第１面の法線に平行に当該第１面に入射すると、プリズム部内に入射したＸ線は、プリズム部の第２面と第３面とのなす角度に等しい斜入射の角度で第３面に入射し、屈折される。ところが、このように傾斜した状態でＸ線が第１面側から入射すると、プリズム部内に入射したＸ線は、プリズム部の第２面と第３面とのなす角度より小さい斜入射の角度で第３面に入射し、屈折される。これにより、プリズム部と外部との境界面（第３面）における内部から外部への入射角をより大きくとることができる。従って、Ｘ線がプリズム部から出射された際のＸ線の出射軸の屈折による偏向角（屈折によりＸ線の出射軸が内側へ向く角度）が、第１面に垂直に入射された場合の偏向角に比べて大きくなる。このため、Ｘ線をプリズム部に一度通過させるだけで有効に集束させることができ、これによりＸ線屈折素子におけるＸ線の吸収を有効に抑制することができる。Ｘ線が第１面の反対側から当該第１面側へ出射される場合は、上述の場合と逆にビーム形状を変換することとなり、また、Ｘ線の入射又は出射方向がＸ線屈折素子の第１面に対して傾斜していてもＸ線のビームラインの方向はほとんど変わらないため、設備の大幅な変更を防止することができる。従って、簡単な構成で、ビームラインの方向をほとんど変えずに、Ｘ線の吸収による減衰を抑えながら、Ｘ線を集束又は平行化することができる。
【０００９】
上記方法において、前記プリズム部が以下の関係式（１）を満たすように前記Ｘ線屈折素子を作製し、前記第１面のＸ線の入射又は出射軸に対する傾斜角θが以下の関係式（２）を満たすように前記Ｘ線屈折素子を配置してもよい。
【００１０】
【数１】
ここで、φは、プリズム部の内部から外部への境界面（第３面）への斜入射角であり、ｗは、前記第２面及び前記第３面の基端部間の長さであり、ｔは、前記第２面の基端部と先端部との間の長さであり、Ｌは、前記プリズム部において第２面上を通過するＸ線の入射端から出射端までの長手方向についての長さであり、ｎ１は、前記Ｘ線屈折素子の屈折率の実数部である。
【００１１】
プリズム部の内部から外部への境界面（第３面）への斜入射角φを小さくすれば、境界面から外部へ出射されたＸ線の偏向角（第１面に垂直な軸とのなす角度）が大きくなり、焦点距離を短くすることができるが、加工難度が上昇する。また、特定の長さｗに対して長さｔを長くすることにより斜入射角φを小さくすると、Ｘ線がプリズム部内を通過する距離が長くなりＸ線の透過率が低下する。そこで、プリズム部を上記関係式を満たすように設計することにより、Ｘ線屈折素子の加工精度及びＸ線の透過率を高く保持しつつ焦点距離を短くすることができる。
【００１２】
また、前記Ｘ線屈折素子は、前記第１面のＸ線の入射又は出射軸に対する傾斜角を変更可能に構成されてもよい。これにより、Ｘ線の焦点距離の調整を行うことができる。
【００１３】
また、複数の前記Ｘ線屈折素子を前記プリズム部の配列方向が略直交するように配置し、前記複数のＸ線屈折素子のそれぞれを、前記第１面がＸ線の入射又は出射軸に対して前記第２面に垂直な軸回りに傾斜するように配置してもよい。これにより、第１面にＸ線を入射させた場合にはＸ線を二次元的に集束させることができる一方、第１面からＸ線を出射させた場合には点Ｘ線源から発散するＸ線を二次元的に平行化することができる。
【００１４】
また、前記Ｘ線屈折素子を、Ｘ線入射時において前記第２面の長手方向に移動させてもよい。これにより、Ｘ線の照射によるＸ線屈折素子の劣化を防止することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は以上に説明したように構成され、簡単な構成で、ビームラインの方向をほとんど変えずに、Ｘ線の吸収による減衰を抑えながら、Ｘ線を集束又は平行化することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は本発明の一実施形態に係るＸ線屈折方法に用いられるＸ線屈折システムを示す斜視図である。
【図２】図２は図１に示すＸ線屈折システムの平面図である。
【図３】図３は図１に示すＸ線屈折システムのＸ線屈折素子を示す斜視図である。
【図４】図４は図３に示すＸ線屈折素子のプリズム部を示す拡大斜視図である。
【図５】図５は図３に示すＸ線屈折素子の側面図である。
【図６】図６は図３に示すＸ線屈折素子の入射Ｘ線の第３面への入射面Ｓを示す図である。
【図７】図７はＸ線の焦点距離Ｆ及び平均透過率＜Ｔ＞のそれぞれについての先端角φについての変化を示すグラフである。
【図８】図８は本発明の他の実施形態に係るＸ線屈折方法に用いられるＸ線屈折システムを示す斜視図である。
【図９】図９は図１に示すＸ線屈折システムのＸ線屈折素子の変形例を示す斜視図である。
【図１０】図１０は本実施例において用いたＸ線屈折素子の電子顕微鏡写真である。
【図１１】図１１は本実施例のＸ線屈折素子の適用前後において、Ｘ線が集束状態を確認するためのＸ線のビーム径についてのＸ線カメラ像を示す図である。
【図１２】図１２は本実施例のＸ線屈折素子の傾斜角に対するピーク強度／半値全幅を示すグラフである。
【図１３】図１３は本実施例のＸ線屈折素子の適用前後におけるＸ線のビームプロファイルを示すグラフである。
【図１４】図１４は本実施例のＸ線屈折素子１にＸ線を照射した場合の照射時間に対するＸ線屈折素子により集束されたＸ線のビーム強度の測定値を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００１８】
図１及び図２は本発明の一実施形態に係るＸ線屈折方法に用いられるＸ線屈折システムを示す斜視図及び平面図である。また、図３は図１に示すＸ線屈折システムのＸ線屈折素子を示す斜視図であり、図４は図３に示すＸ線屈折素子のプリズム部を示す拡大斜視図であり、図５は図３に示すＸ線屈折素子の側面図である。図１及び図２に示すように、本実施形態のＸ線屈折システムは、平行Ｘ線からなるシンクロトロン放射光Ｘ線（以下、単に放射光Ｘ線と称する。これがＸ線屈折素子１に入射される入射Ｘ線となる）Ｂ１を放射するＸ線源１００と、Ｘ線のビーム形状を変換するＸ線屈折素子１と、を備えている。なお、回転軸１０とこの回転軸１０の回動装置１３とはこのＸ線屈折システムの必須の構成要素ではないので、後で説明する。本実施形態において、Ｘ線屈折素子１は、Ｘ線源１００からのＸ線Ｂ１を集束して出射Ｘ線Ｂ２として出射する。より具体的には、図１から図５に示すように、Ｘ線屈折素子１は、Ｘ線Ｂ１が入射する第１面２と、第１面２の反対側に設けられ、第１面２から入射したＸ線Ｂ１を屈折して出射する屈折部３とを有している。
【００１９】
屈折部３は、複数のプリズム部６により構成されている。複数のプリズム部６は、第１面２から所定距離離れた位置から当該第１面２の反対側へ当該第１面２に垂直にかつ互いに平行に所定長さで延びる複数の第２面４と各第２面４の先端からその隣りの他の第２面４の基端に至るように延びる複数の第３面５とを有しており、各プリズム部６は、第２面４の基端を通り第１面２に平行な面と１つの第２面４と当該第２面４より内側の第３面５とにより規定(define)されている。また、第１面２と第２面４の基端を通り第１面２に平行な面とにより基板部８が規定されている。すなわち、Ｘ線屈折素子１は、基板部８と複数のプリズム部６とで構成されている。そして、複数の第３面５は、Ｘ線屈折素子１の所定位置（ここでは、例えば、第１面２の中心）を通る第２面４に平行な仮想平面（以下、集束中心面という）１０１を向くように形成されている。換言すると、複数の第３面５は、各第２面４の先端から集束中心面１０１に近い側（以下、内側という場合がある）に隣り合う他の第２面４の基端に至るように延びて形成されている。このように、屈折部３は、複数のプリズム部６が、第１面２の反対側に各第２面４が互いに平行となるように複数配列されることにより構成されている。このとき、複数のプリズム部６は、第１面２の中央において第３面５の基端同士が接している。以下、第１面２の中心を通り第１面２に垂直な軸をＹ軸とし、このＹ軸に垂直な軸をＺ軸とする。Ｙ軸は上述の集束中心面１０１上の直線である。
【００２０】
本実施形態において、屈折部３は、第２面４と第３面５とのなす角度φ０が異なる複数組のプリズムアレイ７ａ，７ｂを有しており、集束中心面１０１に遠い側（以下、外側という場合がある）にあるプリズム部６（６ｂ）における角度φ０（φ０ｂ）が内側にあるプリズム部６（６ａ）における角度φ０（φ０ａ）より小さいように構成されている。従って、第１面２のＹ軸に近い側にあるプリズム部６ａに比べてＹ軸から遠い側にあるプリズム部６ｂの方が屈折角が大きくなるため、Ｘ線をより効率的に集束することができる。なお、本実施形態においては、第１面２の中央部を境にそれぞれ２つずつ（合計４つの）プリズムアレイ７ａ，７ｂを有する構成について説明しているが、これに限られず、例えば、３つ以上のプリズムアレイを備えてもよいし、隣り合うプリズム部について外側のプリズム部６が内側のプリズム部６より小さい角度φ０を有する（複数のプリズム部６における角度φ０が全て異なっていて、プリズム部６がＹ軸から遠い程、その角度φ０が小さい。）こととしてもよい。プリズムアレイの数を増やすことにより、集束効率を高め、集束されたＸ線のサイズをより小さくすることができる。
【００２１】
Ｘ線屈折素子１は、アクリル等の樹脂やベリリウム、アルミ等の軽元素材料（元素番号１４ぐらいまで）及び軽元素材料のポリマー（例えば、炭素、水素、場合によって酸素等を含む）から形成される。Ｘ線屈折素子１は、特に金属材料の場合には、ダイヤモンドバイト等による旋盤加工により形成され、特に樹脂材料の場合には、銅等をダイヤモンドバイト等により旋盤加工した金型を樹脂材料に押し付けて形成される。Ｘ線屈折素子１の材料は入射するＸ線のエネルギーに応じて適宜選択される。なお、エネルギーの高いＸ線に対しては、元素番号１４以上の材料を選択することによってより高い効率が得られる場合もあるため、軽元素材料には限定されない。
【００２２】
そして、図１から図５に示すように、Ｘ線屈折素子１を、第１面２がＸ線Ｂ１の入射軸Ｂｉｎに対して垂直な位置（１’で示す）から第２面４に垂直なＺ軸回りに所定角度θ回動させた位置に配置している。すなわち、Ｘ線Ｂ１は、第１面２に対して、Ｚ軸の回りに傾斜角θだけ傾くようにして入射する。すなわち、Ｘ線屈折素子１が第１面２の中心を通り、Ｘ線Ｂ１の入射軸Ｂｉｎに平行なＹ０軸に対してＹ軸が傾斜角θだけ傾いた状態で、Ｘ線Ｂ１が入射する。
【００２３】
上記方法によれば、Ｘ線Ｂ１が、その入射軸Ｂｉｎが第１面２の法線に対し第２面４に垂直なＺ軸の回りに傾斜角θだけ傾斜した状態で（すなわち入射角θで）Ｘ線屈折素子１の第１面２に入射する。ここで、Ｘ線Ｂ１が、その入射軸Ｂｉｎが第１面２の法線に平行に当該第１面２に入射すると、プリズム部６内に入射したＸ線は、プリズム部６の第２面４と第３面５とのなす角度φ０に等しい角度で第３面５に入射し、屈折される。ところが、このように傾斜した状態でＸ線Ｂ１が第１面２側から入射すると、プリズム部６内に入射したＸ線は、プリズム部６の第２面４と第３面５とのなす角度φ０より小さい角度φで第３面５に入射し、屈折される。これにより、図３及び図４に示すように、プリズム部６と外部（プリズム部６の外側の媒質（例えば空気又は真空））との境界面（第３面５）における内部から外部への入射角σｉｎをより大きくとる（境界面に対して水平（平行）に近い角度とする）ことができる。従って、Ｘ線がプリズム部６から出射された際のＸ線Ｂ２の出射軸Ｂｏｕｔの屈折による偏向角α（屈折によりＸ線Ｂ２の出射軸Ｂｏｕｔが内側（集束中心面１０１側）へ向く角度。入射角σｉｎ＝屈折角σｏｕｔ＋偏向角αとなる関係を有している）が、第１面２に垂直に入射された場合（角度φ０で出射された場合）の偏向角に比べて大きくなる。このため、Ｘ線Ｂ１をプリズム部６に一度通過させるだけで有効に集束させることができ、これによりＸ線屈折素子１におけるＸ線の吸収を有効に抑制することができる。また、Ｘ線Ｂ１の入射又は出射方向がＸ線屈折素子１の第１面２に対して傾斜していてもＸ線Ｂ１のビームラインの方向はほとんど変わらないため、設備の大幅な変更を防止することができる。
【００２４】
なお、Ｘ線Ｂ１が第１面２の反対側から当該第１面２側へ出射される場合は、上述の場合と逆にビーム形状を変換することとなり、Ｘ線源（点Ｘ線源等）からのＸ線Ｂ２を屈折部３側から入射させることにより、第１面２から平行化されたＸ線を出射させることができる。従って、簡単な構成で、ビームラインの方向をほとんど変えずに、Ｘ線の吸収による減衰を抑えながら、Ｘ線を集束又は平行化することができる。
【００２５】
ここで、Ｘ線屈折素子１の第１面２にＸ線Ｂ１を入射させる角度（傾斜角）θ、第２面４と第３面５とのなす角度φ０及びＸ線屈折素子１を傾斜させることによりプリズム部６において得られる先端角φ及び屈折によるＸ線Ｂ２の偏向角（屈折前後の角度差）αの関係を説明する。
【００２６】
図６は図３に示すＸ線屈折素子の入射Ｘ線の第３面への入射面Ｓを示す図である。図６に示すように、Ｘ線屈折素子１に入射されたＸ線Ｂ１は、Ｘ線屈折素子１から外部（ここでは空気中又は真空中と仮定する）に出射された際に屈折する。Ｘ線屈折素子１の屈折率ｎ１’＝１−δ−ｉβ（ｉは虚数単位）の実数部をｎ１（＝１−δ）とし、外部の屈折率をｎ＝１とすると、偏向角αは、屈折の法則により先端角φを用いて次式で表される。
【００２７】
【数２】
さらに、Ｘ線屈折素子１を通過したＸ線Ｂ２の焦点距離Ｆは、偏向角α、Ｘ線屈折素子１に入射されるＸ線の中央部（Ｙ軸）からの距離（Ｚ軸方向距離）ｒ、プリズム部６の最大幅（第２面４及び第３面５の基端部間距離）ｗ、最大厚さ（第２面４の基端部と先端部との間の距離）ｔ及びプリズム部６において第２面４上を通過するＸ線の入射端から出射端までの長手方向についての長さ（最大長さ）Ｌを用いて次式で表される。
【００２８】
【数３】
すなわち、Ｘ線屈折素子１を通過したＸ線Ｂ２の焦点距離Ｆは、上記（３）式及び（４）式より、上記距離ｒ，ｔ，ｗ，Ｌ及び先端角φで表わすことができる。
【００２９】
また、プリズム部６を通過することによるＸ線の平均の透過率＜Ｔ＞は、プリズム部６の最大幅（第２面４及び第３面５の基端部間距離）ｗ及び各距離ｔ，ｗ，Ｌを用いて次式で表される。
【００３０】
【数４】
ここで、μは線吸収係数であり、Ｘ線の波長をλ（Ｘ線のエネルギーＥ（ｋｅＶ）＝１．２４／λ（ｎｍ））としたときμ＝４πβ／λで表される。ただし、Ｘ線屈折素子１の形状保持上必要となるが屈折には寄与しない基板部厚さｔ０（図５参照）によるＸ線の吸収は考慮していない。
【００３１】
先端角φは、プリズム部６における各距離ｔ，ｗ，Ｌを用いて次式で表される。
【００３２】
【数５】
上記式（６）より上記式（５）は、次式のように変換できる。
【００３３】
【数６】
また、このときの第１面２にＸ線を入射させる角度（入射角）、すなわち、Ｘ線入射方向に対するプリズム部６の傾斜角θは、次式で表される。なお、下記式におけるθ’は第１面２における屈折角（図４参照）である。
【００３４】
【数７】
なお、Ｘ線屈折素子１の屈折率ｎ１’の実数部ｎ１は、１に非常に近いといえるため、第１面２における屈折角θ’は、プリズム部６の傾斜角θに略等しい。すなわち、θ＝θ’とすると、上記式（８）は、次式で表わすこともできる。
【００３５】
【数８】
また、このときの第２面４と第３面５とのなす角度φ０は、次式で表される。
【００３６】
【数９】
以上より、プリズム部６の内部から外部への境界面（第３面５）への入射角φを小さくすれば、式（３）に示すようにＸ線の偏向角αが大きくなり、式（４）から焦点距離Ｆを短くすることができるが、加工難度が上昇する。また、特定の長さｗに対して長さｔを長くすることにより入射角φを小さくすると、Ｘ線がプリズム部６内を通過する距離が長くなるため、式（７）に示すようにＸ線の平均透過率＜Ｔ＞が低下する。平均透過率＜Ｔ＞が減少するとプリズム部６によるＸ線の吸収量が増大するため、Ｘ線の強度が弱くなる。
【００３７】
図７はＸ線の焦点距離Ｆ及び平均透過率＜Ｔ＞のそれぞれについての先端角φについての変化を示すグラフである。図７においては、Ｘ線のエネルギーを１０ｋｅＶとし、焦点距離ＦはＸ線屈折素子１におけるＸ線の中心軸Ｙからの距離ｒ＝５００μｍ及びｒ＝２５０μｍの２つについて例示している。放射光Ｘ線の場合、入射Ｘ線の直径は概ね１ｍｍであるため、Ｘ線屈折素子１の距離ｒは、５００μｍ程度以下が好ましいが、特に限定されない。
【００３８】
また、図７においては、Ｘ線屈折素子１の材料としてアクリル（Ｃ５Ｈ８Ｏ２、密度は１．１９ｇ／ｃｍ３、１０ｋｅＶにおける屈折率ｎ１＝１−δ−ｉβは、δ＝２．６７×１０−６、β＝３．７１×１０−９である）を例示している。
【００３９】
また、図７においては、第２面４及び第３面５の基端部間の長さｗ，ｔを固定し、プリズム部５の長手方向の長さＬを変化させることにより先端角φを変化させている。ここで長さｗは、５０μｍを例示でき、第２面４と第３面５とのなす角度φ０は、２０°を例示できる（従って、この場合の長さｔは、１３７．４μｍとなる）。
【００４０】
粉末Ｘ線回折やＸ線小角散乱等のＸ線照射による構造分析法において用いられるＸ線のエネルギーＥは、１ｋｅＶ≦Ｅ≦２５０ｋｅＶであり、その中でも特によく用いられるのは５ｋｅＶ≦Ｅ≦２０ｋｅＶである。なお、図７においては、Ｘ線のエネルギーＥ＝１０ｋｅＶのときを例示している。また、Ｘ線を通過させたときのＸ線屈折素子１の焦点距離Ｆは、１００ｍ以下が好ましいが、３０ｍ以下がより好ましい。
【００４１】
一方、Ｘ線屈折素子１としての機能を果たすためには、プリズム部６を通過することによるＸ線の平均の透過率＜Ｔ＞は８０％以上が好ましい。
【００４２】
以上の条件から、焦点距離Ｆが３０ｍ以下で且つＸ線の平均透過率＜Ｔ＞が８０％以上となるようにＸ線を集束するための好適な先端角φは、図７に示すように、ｒ＝２５０μｍにおいて２．３°≦φ≦８．６°となり、ｒ＝５００μｍにおいて２．３°≦φ≦６．８°となる。厳密に集束する場合には、ｒに応じて先端角φの好適な範囲は異なるが、上記構造分析法に用いられる際、Ｘ線屈折素子１は厳密に点又は線に集束される必要はなく、ある程度の集束（粗集束）が期待できればよい。従って、ある程度の集束でよい場合には、ｒ＝２５０μｍより内側の領域におけるプリズム部６の先端角φを２．３°≦φ≦８．６°から１つ選択し、ｒ＝２５０μｍより外側の領域におけるプリズム部６の先端角φを２．３°≦φ≦６．８°から１つ選択する（プリズムアレイを２つずつとする）か、又は、すべてのプリズム部６についていずれかの範囲から１つ選択する（プリズムアレイを１つずつとする）こととしても十分な集束効果を得ることができる。
【００４３】
上記範囲内から選択された先端角φを実現可能なプリズム部６の寸法は、上記式（６）より得ることができる。すなわち、ｒ＝２５０μｍにおいて先端角φが好適な範囲となるようなプリズム部の各寸法の関係式は、次式で表される。
【００４４】
【数１０】
以上のような関係を有するようにプリズム部６の長さｗ，ｔ，Ｌを定めることにより、Ｘ線屈折素子１の加工精度及び上記エネルギーを有するＸ線の透過率を高く保持しつつ所望の焦点距離を得ることができる。なお、長さＬは上述の通り、プリズム部６において第２面４上を通過するＸ線の入射端から出射端までの長手方向についての長さであり、プリズム部６の寸法を直接的に規定するものではなく、プリズム部６の第２面４の長手方向の長さは、上記関係式におけるＬにＸ線Ｂ１の直径分（２ｒ）以上を加えた長さ以上であればよい。
【００４５】
また、このときのＸ線Ｂ１の第１面２への入射角（プリズム部６の傾斜角）θは上記（８）式から求められる。
【００４６】
以上のように求められた先端角φの範囲は、Ｘ線屈折素子１を傾斜させずに実現しようとすると（すなわち、第２面４と第３面５とのなす角度φ０が上記範囲となるようにプリズム部６を作製しようとすると）、プリズム部６の加工難度が上がり、製作が困難となる。すなわち、Ｘ線を第１面２に対して垂直に入射させたのでは、Ｘ線の焦点距離Ｆを３０ｍ以下にすることは困難である。従って、このような範囲の焦点距離Ｆを得るために、Ｘ線屈折素子１をＸ線の入射軸Ｂｉｎに対して傾斜角θだけ傾斜させる本実施形態の方法を用いることは特に有効である。
【００４７】
ここで、Ｘ線屈折素子１は、Ｘ線Ｂ１の入射軸Ｂｉｎに対する傾斜角θを変更可能に構成されてもよい。具体的には、例えば図１に示すように、Ｘ線屈折素子１は、Ｚ軸に平行な中心軸１０２を有する回転軸１０に軸支されており、回動装置１３によってＸ線屈折素子１が回転軸１０の中心軸１０２の回りに回転可能に構成されている。なお、回転軸１０は、入射するＸ線Ｂ１のビーム径よりＸ線屈折素子１のサイズが十分大きい場合には、図１に示すようにＸ線屈折素子１の側方にあってもよいし、中央部（後述する図８の回転軸１０ｂ参照）にあってもよい。式（６）及び式（８）より、傾斜角θと先端角φとの関係式は、次式のように表せる。
【００４８】
【数１１】
式（１１）に示すように、傾斜角θを調整することにより、先端角φも調整可能となるため、傾斜角θを調整することにより、Ｘ線の焦点距離Ｆの調整を容易に行うことができる。
【００４９】
また、図１及び図２に示すＸ線屈折システムにおいては、Ｘ線屈折素子１を１つ用い、入射Ｘ線Ｂ１を線状に集束する構成としているが、Ｘ線屈折素子１を複数（２つ）用い、入射Ｘ線Ｂ１を点状に集束する構成としてもよい。
【００５０】
図８は本発明の他の実施形態に係るＸ線屈折方法に用いられるＸ線屈折システムを示す斜視図である。図８の例においては、２つのＸ線屈折素子１ａ，１ｂをプリズム部６ａ，６ｂの配列方向（Ｚａ，Ｚｂ軸）が略直交するように配置し、複数のＸ線屈折素子１ａ，１ｂのそれぞれを、第１面２ａ，２ｂがＸ線の入射軸Ｂｉｎａ，Ｂｉｎｂに対して垂直な位置（１ａ’，１ｂ’で示す位置）から第２面４ａ，４ｂに垂直なＺａ，Ｚｂ軸回りに所定角度θａ，θｂだけ回動させた位置に配置している。
【００５１】
上記構成により、第１のＸ線屈折素子１ａの第１面２ａに入射されたＸ線Ｂ１の入射軸Ｂｉｎａは、第１のＸ線屈折素子１ａにおいてＺａ軸方向に集束されて第１の出射Ｘ線Ｂ２ａとなり、当該第１の出射Ｘ線Ｂ２ａによる第２のＸ線屈折素子１ｂへの入射軸Ｂｉｎｂが、さらに、第２のＸ線屈折素子１ｂの第１面２ｂに入射されて、Ｚａ軸方向に加えてＺｂ軸方向にも集束された出射軸Ｂｏｕｔを有するＸ線Ｂ２ｂを出射する。これによりＸ線を点状に集束させることができる。
【００５２】
本実施形態においても、入射軸Ｂｉｎａ，Ｂｉｎｂに対する傾斜角θａ，θｂを変更可能に構成されてもよい。具体的には、例えば図８に示すように、第１のＸ線屈折素子１ａは、Ｚａ軸に平行な中心軸１０２ａを有する回転軸１０ａに軸支されており、回動装置１３ａによって第１のＸ線屈折素子１ａが回転軸１０ａ回りに回転可能に構成されている。また、第２のＸ線屈折素子１ｂは、Ｚｂ軸に平行な中心軸１０２ｂを有する回転軸１０ｂに軸支されており、回動装置１３ｂによって第２のＸ線屈折素子１ｂが回転軸１０ｂ回りに回転可能に構成されている。回転軸１０ａ，１０ｂは、いずれもＸ線屈折素子１ａ，１ｂの側方に設けられてもよいし、中央部に設けられてもよい。これにより２つのＸ線屈折素子１ａ，１ｂの傾斜角θａ，θｂをそれぞれ個別に変化させることで、横方向及び縦方向の焦点距離を個別に調整及び変更することができる。
【００５３】
なお、図８の例において第１面２ａ，２ｂからＸ線を出射させてもよく、この場合には点Ｘ線源から発散するＸ線を二次元的に平行化することができる。
【００５４】
また、Ｘ線屈折素子１を、Ｘ線Ｂ１入射時において第２面４の長手方向に移動させてもよい。図９は図１に示すＸ線屈折システムのＸ線屈折素子の変形例を示す斜視図である。
【００５５】
図９に示す例におけるＸ線屈折素子１１が図１に示すＸ線屈折素子１と異なるのは、Ｘ線屈折素子１１の長手方向（Ｙ軸及びＺ軸にともに垂直なＶ軸方向）に十分長く、当該Ｖ軸方向に往復動可能とされていることである。具体的には、Ｘ線屈折素子１１は、Ｖ軸方向に２（Ｌ＋２ｒ）以上の長さを有しており、把持部材１２に固定されている。把持部材１２は、駆動装置１４によりＶ軸方向に往復動されるように構成されている。従って、把持部材１２が駆動装置１４によりＶ軸方向に往復動されることにより、Ｘ線屈折素子１１がＶ軸方向に往復動される。
【００５６】
特に、Ｘ線屈折素子１１がアクリル等の樹脂材料から形成される場合、Ｘ線屈折素子１１にＸ線が照射され続けると溶解等により劣化する場合がある。一般に、Ｘ線の照射によりＸ線屈折素子１１を構成する材料の溶解は、Ｘ線の照射量（時間あたりのＸ線量×時間）が所定のしきい値を超えることにより生じる。すなわち、しきい値を超える前に当該部分へのＸ線照射を止めれば、溶解は生じないと考えられる。そこで、上記構成において、Ｘ線屈折素子１１のある部分にＸ線を照射している時間がＸ線の照射量に関するしきい値を超える前に、Ｘ線屈折素子１１をＶ軸方向に移動させてＸ線屈折素子１１におけるＸ線の照射箇所を変更することにより、Ｘ線屈折素子１１のＸ線照射による溶解を有効に防止することができる。このような構成は、入射Ｘ線の光子束密度（photons/s/mm2）が１０１１程度以上である場合に、特に有効である。
【００５７】
なお、Ｘ線屈折素子１１を移動させる態様は、連続的に（常時）移動させる態様であってもよいし、非連続的に移動させる（複数のＸ線照射部毎に停止及び移動を繰り返す）態様であってもよい。また、移動させるタイミングは、Ｘ線屈折素子１１の材料とＸ線量（Ｘ線の輝度）に応じて適宜好適に設定される。
【実施例】
【００５８】
図３に示すようなＸ線屈折素子１を設計、作製し、放射光Ｘ線を用いるビームラインにおいて性能評価実験を行った。Ｘ線屈折素子１は、アクリル製とし、Ｘ線屈折素子１において、プリズム部６の全幅（２ｒ）が１ｍｍ、第２面４と第３面５とのなす角度φ０が２２．４°〜８２．０°（集束中心面１０１から遠いプリズム部６になるほど角度が小さくなるように段階的に設定されている）、傾斜角θが８０．５°となるように設計、製作した。このときの最小先端角φは３．６１°であり、偏向角αは０．００２４３°であり、焦点距離Ｆは１２．７ｍである。
【００５９】
図１０は本実施例において用いたＸ線屈折素子の電子顕微鏡写真である。図１０（ａ）は概要図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の領域ＶＩＩＩａを示す部分拡大図である。図１０に示すように本実施例のＸ線屈折素子においては、良好なプリズムアレイ構造が形成されている。
【００６０】
まず、このようなＸ線屈折素子１の配置の前後でＸ線屈折素子１を通過した後のＸ線が集束されているかどうかをＸ線カメラにより撮像したＸ線のビーム径を比較することにより確認した。
【００６１】
図１１は本実施例のＸ線屈折素子の適用前後において、Ｘ線が集束状態を確認するためのＸ線のビーム径についてのＸ線カメラ像を示す図である。図１１（ａ）はＸ線屈折素子から１６ｍ後方におけるビーム径を示し、図１１（ｂ）はＸ線屈折素子を適用しない場合のビーム径（比較例）を示している。本実施例においては図１に示すＸ線屈折システムと同様に、Ｘ線屈折素子１を１つ用いた構成であるため、図１１（ａ）に示すように、Ｘ線屈折素子を適用しない場合の図１１（ｂ）に比較して縦方向の集束（上下が扁平になり明るさが増加）が確認できた。
【００６２】
次に、本実施例のＸ線屈折素子１を図３に示す傾斜角θを変化させながら集束されたＸ線のピーク強度とサイズ（半値全幅）を測定した。ピーク強度が高いほどＸ線がよく集束されていることを示し、サイズが小さいほどＸ線がよく集束されていることを示す。従って、ピーク強度をサイズ（半値全幅）で除した指標が大きいほどＸ線がよく集束されていることを示すこととなる。
【００６３】
図１２は本実施例のＸ線屈折素子の傾斜角に対するピーク強度／半値全幅を示すグラフである。図１２に示すように、傾斜角θが設計値の８０．５°近傍で集束特性が最も良好となることが確認できた。
【００６４】
続いて、本実施例のＸ線屈折素子１の集束位置（傾斜角θは８０．５°）におけるＸ線のビームプロファイルを測定し、評価した。
【００６５】
図１３は本実施例のＸ線屈折素子の適用前後におけるＸ線のビームプロファイルを示すグラフである。ビームプロファイルの測定においては、所定のスリットにＸ線屈折素子１によるＸ線の集束後のビームを入射し、当該スリットの位置に対するＸ線のビームの強度を測定した。比較例としてＸ線屈折素子１を適用しない場合のＸ線をスリットに入射させた場合のＸ線のビームの強度もあわせて測定した。
【００６６】
図１３に示すように、Ｘ線屈折素子１により集束されたＸ線のビームの強度における半値全幅（約８０μｍ）内の全強度をＸ線屈折素子１を適用しない場合と比較すると、Ｘ線屈折素子１により集束されたＸ線のビームの強度の利得はＸ線屈折素子１を適用しない場合に比べて３．６倍となった。Ｘ線追跡による計算値（５．３倍）には及ばないものの、近い値となり、良好な集束特性が得られた。
【００６７】
さらに、図１１に示すビーム形状（断面形状）を測定した。Ｘ線屈折素子１を適用する前のＸ線のビーム形状は、略楕円形であり、縦方向における最長の長さが７３０μｍ、横方向における最長の長さが５５０μｍであったのに対し、Ｘ線屈折素子１を適用した後のＸ線のビーム形状は縦方向における最長の長さが８０μｍ、横方向における最長の長さが６００μｍとなった。この結果より、Ｘ線のビームの断面積で規格化したＸ線の強度（Ｘ線密度）の利得は、Ｘ線屈折素子１の適用前に比べて５．６倍となった。１次元（縦方向）のみの集束で５．６倍の強度利得が得られる結果となったため、図８に示すようなＸ線屈折素子を交差配置することによる２次元の集束を行えば、２０〜３０倍程度の強度利得が得られるものと推察できる。
【００６８】
以上のとおり、本実施例のＸ線屈折素子１をＸ線に適用することにより、有効な集束ビームが得られることが実証された。
【００６９】
さらに、光子束密度が６×１０１１（photons/s/mm2）であるＸ線をＸ線屈折素子１に照射して照射時間に対するＸ線屈折素子１により集束されたＸ線のビーム強度の変化を測定した。
【００７０】
図１４は本実施例のＸ線屈折素子１にＸ線を照射した場合の照射時間に対するＸ線屈折素子により集束されたＸ線のビーム強度の測定値を示すグラフである。本実験においては図９に示すようなＸ線屈折素子をＶ軸方向に往復動可能な構成（Ｘ線屈折素子のＶ軸方向の長さを２５ｍｍとする）を用いて、図１４に示すように、Ｘ線屈折素子を固定した状態でＸ線を照射し続けた場合と、Ｘ線屈折素子を往復動させた状態でＸ線を照射し続けた場合とを比較した。Ｘ線の光子束密度が６×１０１１程度の比較的高いＸ線を用いた場合においては、Ｘ線屈折素子を固定した状態でＸ線を照射すると、１０５分後にＸ線屈折素子を通過後のＸ線のピーク強度が６０％にまで減少してしまった。これは、事後の観察により、Ｘ線の照射によるＸ線屈折素子のプリズム部の変成（溶解）が原因であることが確認された。これに対し、Ｘ線の照射中にＸ線屈折素子を往復動させた場合、Ｘ線の照射から約１２時間が経過した後もＸ線屈折素子を通過後のＸ線のピーク強度が十分に保たれていることが確認された。この実験結果に基づいて、Ｘ線屈折素子を往復動させた場合のＸ線のピーク強度変化について減少指数関数により補間処理演算を行ったところ、４８時間経過後でも約８９％のピーク強度が得られることが推察される結果となった。一般的に、放射光施設での実験が２４時間単位で行われるため、Ｘ線の輝度が高い場合であっても、Ｘ線屈折素子を往復動させることにより放射光Ｘ線の実験に十分耐え得る耐放射線性能が得られることが分かった。さらに、Ｘ線屈折素子のＶ軸方向の長さをより長くすることにより（機械加工で切り出して作製するためＶ軸方向の長さを長くすることは比較的容易である）、耐用時間を長くすることは容易に実現できるものと推察される。
【００７１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更、修正が可能である。
【００７２】
例えば、上記実施形態においては複数のプリズム部６の第２面４の基端及び先端の位置を全てのプリズム部６において一定にしたが、入射するＸ線Ｂ１を集束可能な限り、これらを個々のプリズム部６毎に違えてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明のＸ線屈折方法は、簡単な構成で、ビームラインの方向をほとんど変えずに、Ｘ線の吸収による減衰を抑えながら、Ｘ線を集束又は平行化するために有用である。
【符号の説明】
【００７４】
１，１ａ，１ｂ，１１ Ｘ線屈折素子
２ 第１面
３ 屈折部
４，４ａ，４ｂ 第２面
５ 第３面
６，６ａ，６ｂ プリズム部
７ａ，７ｂ プリズムアレイ
８ 基板部
１０，１０ａ，１０ｂ 回転軸
１２ 把持部材
１３，１３ａ，１３ｂ 回動装置
１４ 駆動装置
１００ Ｘ線源
Ｂ１ 放射光Ｘ線
Ｂ２，Ｂ２ａ，Ｂ２ｂ 集束されたＸ線
Ｂｉｎ，Ｂｉｎａ，Ｂｉｎｂ Ｘ線の入射軸
Ｂｏｕｔ Ｘ線の出射軸
Ｆ 焦点距離
Ｌ プリズム部において第２面上を通過するＸ線の入射端から出射端までの長手方向についての長さ
ｒ Ｘ線屈折素子に入射されるＸ線の中央部からの距離
ｔ プリズム部の最大厚さ
＜Ｔ＞ Ｘ線の平均透過率
ｗ プリズム部の最大幅
α 偏向角
σｉｎ プリズム部の境界面における内部から外部への入射角
σｏｕｔ 屈折角
φ 先端角
φ０，φ０ａ，φ０ｂ 第２面と第３面とのなす角
θ，θａ，θｂ 傾斜角
θ’ 第１面における屈折角
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線を集束又は平行化するためのＸ線屈折方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から粉末Ｘ線回折やＸ線小角散乱等のＸ線照射による構造分析法が知られている。このような構造分析法においては、試料へのＸ線の入射強度を高めて実験データの精度を高くするために、Ｘ線を集束することが望ましい。また、Ｘ線源から平行Ｘ線を生成する要請もある。
【０００３】
しかし、可視光等とは異なり、Ｘ線の屈折率は１より小さいため、可視光用の集光レンズ等をＸ線の集束又は平行化にそのまま用いることはできない。そこで、Ｘ線を集束する技術として、Ｘ線のビームラインに曲面の全反射ミラーを追加することが知られている。また、屈折レンズとして凹レンズを複数用いることによってＸ線を集束する構成も知られている（例えば特許文献１参照）。さらに、鋸歯状の複数の歯に順次Ｘ線を入射することによりＸ線を集束する構成も知られている（例えば特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２０７９６２号公報
【特許文献２】特表２００３−５０５６７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、曲面の全反射ミラーを追加する構成においては、Ｘ線を途中で反射させる必要があり、ビームラインの方向（Ｘ線の経路）が変わってしまうため、設備の大幅な変更が必要となる。また、特許文献１や特許文献２の構成においては、ビームラインの方向は変わらないが、以下のような問題がある。すなわち、特許文献１の構成においては、焦点距離を短くするためには、何段もの凹レンズを通過させる必要があり、構造が複雑になるとともに、Ｘ線が凹レンズを通過するたびに吸収されるため、所望のＸ線の強度を得ることが困難となる。特許文献２の構成においても同様に、焦点距離を短くするためには、複数の歯に順次Ｘ線を入射する必要があるため、Ｘ線が複数の歯を通過するたびに吸収されるため、所望のＸ線の強度を得ることが困難となる。さらに、特許文献２に記載の構成においては、鋸歯の先端部側を通過するＸ線と基端部側を通過するＸ線とでＸ線の吸収量が異なるため、先端部側を通過するＸ線に対し基端部側を通過するＸ線が暗くなってしまう問題も生じる。また、特許文献２の構成においては、鋸歯状の複数の歯が形成された部材の表面が互いに向かい合うように配置されているが、鋸歯状の複数の歯を精度よく位置合わせすることは大変困難であることが予想される。
【０００６】
本発明は、以上のような課題を解決すべくなされたものであり、簡単な構成で、ビームラインの方向をほとんど変えずに、Ｘ線の吸収による減衰を抑えながら、Ｘ線を集束又は平行化することができるＸ線屈折方法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】
【０００７】
本発明に係るＸ線屈折方法は、Ｘ線を集束又は平行化するためのＸ線屈折方法であって、Ｘ線が入射又は出射する第１面と、前記第１面から離れた位置から当該第１面の反対側へ前記第１面に垂直にかつ互いに平行に延びる複数の第２面及び各前記第２面の先端からその内側に隣り合う他の第２面の基端に至るように延びる複数の第３面を有し、前記第２面の基端を通り前記第１面に平行な面、前記第２面及び前記第３面により規定される複数のプリズム部を有する屈折部と、を備えたＸ線屈折素子を、前記第１面がＸ線の入射又は出射軸に対して垂直な角度位置から前記第２面に垂直な軸の回りに所定角度回転した位置に配置するものである。
【０００８】
上記方法によれば、Ｘ線が、その入射軸が第１面の法線に対し第２面に垂直な軸の回りに所定角度だけ傾斜した状態で（すなわち所定の入射角で）Ｘ線屈折素子の第１面に入射又は出射する。ここで、Ｘ線が第１面側から入射される場合、Ｘ線が、その入射軸が第１面の法線に平行に当該第１面に入射すると、プリズム部内に入射したＸ線は、プリズム部の第２面と第３面とのなす角度に等しい斜入射の角度で第３面に入射し、屈折される。ところが、このように傾斜した状態でＸ線が第１面側から入射すると、プリズム部内に入射したＸ線は、プリズム部の第２面と第３面とのなす角度より小さい斜入射の角度で第３面に入射し、屈折される。これにより、プリズム部と外部との境界面（第３面）における内部から外部への入射角をより大きくとることができる。従って、Ｘ線がプリズム部から出射された際のＸ線の出射軸の屈折による偏向角（屈折によりＸ線の出射軸が内側へ向く角度）が、第１面に垂直に入射された場合の偏向角に比べて大きくなる。このため、Ｘ線をプリズム部に一度通過させるだけで有効に集束させることができ、これによりＸ線屈折素子におけるＸ線の吸収を有効に抑制することができる。Ｘ線が第１面の反対側から当該第１面側へ出射される場合は、上述の場合と逆にビーム形状を変換することとなり、また、Ｘ線の入射又は出射方向がＸ線屈折素子の第１面に対して傾斜していてもＸ線のビームラインの方向はほとんど変わらないため、設備の大幅な変更を防止することができる。従って、簡単な構成で、ビームラインの方向をほとんど変えずに、Ｘ線の吸収による減衰を抑えながら、Ｘ線を集束又は平行化することができる。
【０００９】
上記方法において、前記プリズム部が以下の関係式（１）を満たすように前記Ｘ線屈折素子を作製し、前記第１面のＸ線の入射又は出射軸に対する傾斜角θが以下の関係式（２）を満たすように前記Ｘ線屈折素子を配置してもよい。
【００１０】
【数１】
ここで、φは、プリズム部の内部から外部への境界面（第３面）への斜入射角であり、ｗは、前記第２面及び前記第３面の基端部間の長さであり、ｔは、前記第２面の基端部と先端部との間の長さであり、Ｌは、前記プリズム部において第２面上を通過するＸ線の入射端から出射端までの長手方向についての長さであり、ｎ１は、前記Ｘ線屈折素子の屈折率の実数部である。
【００１１】
プリズム部の内部から外部への境界面（第３面）への斜入射角φを小さくすれば、境界面から外部へ出射されたＸ線の偏向角（第１面に垂直な軸とのなす角度）が大きくなり、焦点距離を短くすることができるが、加工難度が上昇する。また、特定の長さｗに対して長さｔを長くすることにより斜入射角φを小さくすると、Ｘ線がプリズム部内を通過する距離が長くなりＸ線の透過率が低下する。そこで、プリズム部を上記関係式を満たすように設計することにより、Ｘ線屈折素子の加工精度及びＸ線の透過率を高く保持しつつ焦点距離を短くすることができる。
【００１２】
また、前記Ｘ線屈折素子は、前記第１面のＸ線の入射又は出射軸に対する傾斜角を変更可能に構成されてもよい。これにより、Ｘ線の焦点距離の調整を行うことができる。
【００１３】
また、複数の前記Ｘ線屈折素子を前記プリズム部の配列方向が略直交するように配置し、前記複数のＸ線屈折素子のそれぞれを、前記第１面がＸ線の入射又は出射軸に対して前記第２面に垂直な軸回りに傾斜するように配置してもよい。これにより、第１面にＸ線を入射させた場合にはＸ線を二次元的に集束させることができる一方、第１面からＸ線を出射させた場合には点Ｘ線源から発散するＸ線を二次元的に平行化することができる。
【００１４】
また、前記Ｘ線屈折素子を、Ｘ線入射時において前記第２面の長手方向に移動させてもよい。これにより、Ｘ線の照射によるＸ線屈折素子の劣化を防止することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は以上に説明したように構成され、簡単な構成で、ビームラインの方向をほとんど変えずに、Ｘ線の吸収による減衰を抑えながら、Ｘ線を集束又は平行化することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は本発明の一実施形態に係るＸ線屈折方法に用いられるＸ線屈折システムを示す斜視図である。
【図２】図２は図１に示すＸ線屈折システムの平面図である。
【図３】図３は図１に示すＸ線屈折システムのＸ線屈折素子を示す斜視図である。
【図４】図４は図３に示すＸ線屈折素子のプリズム部を示す拡大斜視図である。
【図５】図５は図３に示すＸ線屈折素子の側面図である。
【図６】図６は図３に示すＸ線屈折素子の入射Ｘ線の第３面への入射面Ｓを示す図である。
【図７】図７はＸ線の焦点距離Ｆ及び平均透過率＜Ｔ＞のそれぞれについての先端角φについての変化を示すグラフである。
【図８】図８は本発明の他の実施形態に係るＸ線屈折方法に用いられるＸ線屈折システムを示す斜視図である。
【図９】図９は図１に示すＸ線屈折システムのＸ線屈折素子の変形例を示す斜視図である。
【図１０】図１０は本実施例において用いたＸ線屈折素子の電子顕微鏡写真である。
【図１１】図１１は本実施例のＸ線屈折素子の適用前後において、Ｘ線が集束状態を確認するためのＸ線のビーム径についてのＸ線カメラ像を示す図である。
【図１２】図１２は本実施例のＸ線屈折素子の傾斜角に対するピーク強度／半値全幅を示すグラフである。
【図１３】図１３は本実施例のＸ線屈折素子の適用前後におけるＸ線のビームプロファイルを示すグラフである。
【図１４】図１４は本実施例のＸ線屈折素子１にＸ線を照射した場合の照射時間に対するＸ線屈折素子により集束されたＸ線のビーム強度の測定値を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００１８】
図１及び図２は本発明の一実施形態に係るＸ線屈折方法に用いられるＸ線屈折システムを示す斜視図及び平面図である。また、図３は図１に示すＸ線屈折システムのＸ線屈折素子を示す斜視図であり、図４は図３に示すＸ線屈折素子のプリズム部を示す拡大斜視図であり、図５は図３に示すＸ線屈折素子の側面図である。図１及び図２に示すように、本実施形態のＸ線屈折システムは、平行Ｘ線からなるシンクロトロン放射光Ｘ線（以下、単に放射光Ｘ線と称する。これがＸ線屈折素子１に入射される入射Ｘ線となる）Ｂ１を放射するＸ線源１００と、Ｘ線のビーム形状を変換するＸ線屈折素子１と、を備えている。なお、回転軸１０とこの回転軸１０の回動装置１３とはこのＸ線屈折システムの必須の構成要素ではないので、後で説明する。本実施形態において、Ｘ線屈折素子１は、Ｘ線源１００からのＸ線Ｂ１を集束して出射Ｘ線Ｂ２として出射する。より具体的には、図１から図５に示すように、Ｘ線屈折素子１は、Ｘ線Ｂ１が入射する第１面２と、第１面２の反対側に設けられ、第１面２から入射したＸ線Ｂ１を屈折して出射する屈折部３とを有している。
【００１９】
屈折部３は、複数のプリズム部６により構成されている。複数のプリズム部６は、第１面２から所定距離離れた位置から当該第１面２の反対側へ当該第１面２に垂直にかつ互いに平行に所定長さで延びる複数の第２面４と各第２面４の先端からその隣りの他の第２面４の基端に至るように延びる複数の第３面５とを有しており、各プリズム部６は、第２面４の基端を通り第１面２に平行な面と１つの第２面４と当該第２面４より内側の第３面５とにより規定(define)されている。また、第１面２と第２面４の基端を通り第１面２に平行な面とにより基板部８が規定されている。すなわち、Ｘ線屈折素子１は、基板部８と複数のプリズム部６とで構成されている。そして、複数の第３面５は、Ｘ線屈折素子１の所定位置（ここでは、例えば、第１面２の中心）を通る第２面４に平行な仮想平面（以下、集束中心面という）１０１を向くように形成されている。換言すると、複数の第３面５は、各第２面４の先端から集束中心面１０１に近い側（以下、内側という場合がある）に隣り合う他の第２面４の基端に至るように延びて形成されている。このように、屈折部３は、複数のプリズム部６が、第１面２の反対側に各第２面４が互いに平行となるように複数配列されることにより構成されている。このとき、複数のプリズム部６は、第１面２の中央において第３面５の基端同士が接している。以下、第１面２の中心を通り第１面２に垂直な軸をＹ軸とし、このＹ軸に垂直な軸をＺ軸とする。Ｙ軸は上述の集束中心面１０１上の直線である。
【００２０】
本実施形態において、屈折部３は、第２面４と第３面５とのなす角度φ０が異なる複数組のプリズムアレイ７ａ，７ｂを有しており、集束中心面１０１に遠い側（以下、外側という場合がある）にあるプリズム部６（６ｂ）における角度φ０（φ０ｂ）が内側にあるプリズム部６（６ａ）における角度φ０（φ０ａ）より小さいように構成されている。従って、第１面２のＹ軸に近い側にあるプリズム部６ａに比べてＹ軸から遠い側にあるプリズム部６ｂの方が屈折角が大きくなるため、Ｘ線をより効率的に集束することができる。なお、本実施形態においては、第１面２の中央部を境にそれぞれ２つずつ（合計４つの）プリズムアレイ７ａ，７ｂを有する構成について説明しているが、これに限られず、例えば、３つ以上のプリズムアレイを備えてもよいし、隣り合うプリズム部について外側のプリズム部６が内側のプリズム部６より小さい角度φ０を有する（複数のプリズム部６における角度φ０が全て異なっていて、プリズム部６がＹ軸から遠い程、その角度φ０が小さい。）こととしてもよい。プリズムアレイの数を増やすことにより、集束効率を高め、集束されたＸ線のサイズをより小さくすることができる。
【００２１】
Ｘ線屈折素子１は、アクリル等の樹脂やベリリウム、アルミ等の軽元素材料（元素番号１４ぐらいまで）及び軽元素材料のポリマー（例えば、炭素、水素、場合によって酸素等を含む）から形成される。Ｘ線屈折素子１は、特に金属材料の場合には、ダイヤモンドバイト等による旋盤加工により形成され、特に樹脂材料の場合には、銅等をダイヤモンドバイト等により旋盤加工した金型を樹脂材料に押し付けて形成される。Ｘ線屈折素子１の材料は入射するＸ線のエネルギーに応じて適宜選択される。なお、エネルギーの高いＸ線に対しては、元素番号１４以上の材料を選択することによってより高い効率が得られる場合もあるため、軽元素材料には限定されない。
【００２２】
そして、図１から図５に示すように、Ｘ線屈折素子１を、第１面２がＸ線Ｂ１の入射軸Ｂｉｎに対して垂直な位置（１’で示す）から第２面４に垂直なＺ軸回りに所定角度θ回動させた位置に配置している。すなわち、Ｘ線Ｂ１は、第１面２に対して、Ｚ軸の回りに傾斜角θだけ傾くようにして入射する。すなわち、Ｘ線屈折素子１が第１面２の中心を通り、Ｘ線Ｂ１の入射軸Ｂｉｎに平行なＹ０軸に対してＹ軸が傾斜角θだけ傾いた状態で、Ｘ線Ｂ１が入射する。
【００２３】
上記方法によれば、Ｘ線Ｂ１が、その入射軸Ｂｉｎが第１面２の法線に対し第２面４に垂直なＺ軸の回りに傾斜角θだけ傾斜した状態で（すなわち入射角θで）Ｘ線屈折素子１の第１面２に入射する。ここで、Ｘ線Ｂ１が、その入射軸Ｂｉｎが第１面２の法線に平行に当該第１面２に入射すると、プリズム部６内に入射したＸ線は、プリズム部６の第２面４と第３面５とのなす角度φ０に等しい角度で第３面５に入射し、屈折される。ところが、このように傾斜した状態でＸ線Ｂ１が第１面２側から入射すると、プリズム部６内に入射したＸ線は、プリズム部６の第２面４と第３面５とのなす角度φ０より小さい角度φで第３面５に入射し、屈折される。これにより、図３及び図４に示すように、プリズム部６と外部（プリズム部６の外側の媒質（例えば空気又は真空））との境界面（第３面５）における内部から外部への入射角σｉｎをより大きくとる（境界面に対して水平（平行）に近い角度とする）ことができる。従って、Ｘ線がプリズム部６から出射された際のＸ線Ｂ２の出射軸Ｂｏｕｔの屈折による偏向角α（屈折によりＸ線Ｂ２の出射軸Ｂｏｕｔが内側（集束中心面１０１側）へ向く角度。入射角σｉｎ＝屈折角σｏｕｔ＋偏向角αとなる関係を有している）が、第１面２に垂直に入射された場合（角度φ０で出射された場合）の偏向角に比べて大きくなる。このため、Ｘ線Ｂ１をプリズム部６に一度通過させるだけで有効に集束させることができ、これによりＸ線屈折素子１におけるＸ線の吸収を有効に抑制することができる。また、Ｘ線Ｂ１の入射又は出射方向がＸ線屈折素子１の第１面２に対して傾斜していてもＸ線Ｂ１のビームラインの方向はほとんど変わらないため、設備の大幅な変更を防止することができる。
【００２４】
なお、Ｘ線Ｂ１が第１面２の反対側から当該第１面２側へ出射される場合は、上述の場合と逆にビーム形状を変換することとなり、Ｘ線源（点Ｘ線源等）からのＸ線Ｂ２を屈折部３側から入射させることにより、第１面２から平行化されたＸ線を出射させることができる。従って、簡単な構成で、ビームラインの方向をほとんど変えずに、Ｘ線の吸収による減衰を抑えながら、Ｘ線を集束又は平行化することができる。
【００２５】
ここで、Ｘ線屈折素子１の第１面２にＸ線Ｂ１を入射させる角度（傾斜角）θ、第２面４と第３面５とのなす角度φ０及びＸ線屈折素子１を傾斜させることによりプリズム部６において得られる先端角φ及び屈折によるＸ線Ｂ２の偏向角（屈折前後の角度差）αの関係を説明する。
【００２６】
図６は図３に示すＸ線屈折素子の入射Ｘ線の第３面への入射面Ｓを示す図である。図６に示すように、Ｘ線屈折素子１に入射されたＸ線Ｂ１は、Ｘ線屈折素子１から外部（ここでは空気中又は真空中と仮定する）に出射された際に屈折する。Ｘ線屈折素子１の屈折率ｎ１’＝１−δ−ｉβ（ｉは虚数単位）の実数部をｎ１（＝１−δ）とし、外部の屈折率をｎ＝１とすると、偏向角αは、屈折の法則により先端角φを用いて次式で表される。
【００２７】
【数２】
さらに、Ｘ線屈折素子１を通過したＸ線Ｂ２の焦点距離Ｆは、偏向角α、Ｘ線屈折素子１に入射されるＸ線の中央部（Ｙ軸）からの距離（Ｚ軸方向距離）ｒ、プリズム部６の最大幅（第２面４及び第３面５の基端部間距離）ｗ、最大厚さ（第２面４の基端部と先端部との間の距離）ｔ及びプリズム部６において第２面４上を通過するＸ線の入射端から出射端までの長手方向についての長さ（最大長さ）Ｌを用いて次式で表される。
【００２８】
【数３】
すなわち、Ｘ線屈折素子１を通過したＸ線Ｂ２の焦点距離Ｆは、上記（３）式及び（４）式より、上記距離ｒ，ｔ，ｗ，Ｌ及び先端角φで表わすことができる。
【００２９】
また、プリズム部６を通過することによるＸ線の平均の透過率＜Ｔ＞は、プリズム部６の最大幅（第２面４及び第３面５の基端部間距離）ｗ及び各距離ｔ，ｗ，Ｌを用いて次式で表される。
【００３０】
【数４】
ここで、μは線吸収係数であり、Ｘ線の波長をλ（Ｘ線のエネルギーＥ（ｋｅＶ）＝１．２４／λ（ｎｍ））としたときμ＝４πβ／λで表される。ただし、Ｘ線屈折素子１の形状保持上必要となるが屈折には寄与しない基板部厚さｔ０（図５参照）によるＸ線の吸収は考慮していない。
【００３１】
先端角φは、プリズム部６における各距離ｔ，ｗ，Ｌを用いて次式で表される。
【００３２】
【数５】
上記式（６）より上記式（５）は、次式のように変換できる。
【００３３】
【数６】
また、このときの第１面２にＸ線を入射させる角度（入射角）、すなわち、Ｘ線入射方向に対するプリズム部６の傾斜角θは、次式で表される。なお、下記式におけるθ’は第１面２における屈折角（図４参照）である。
【００３４】
【数７】
なお、Ｘ線屈折素子１の屈折率ｎ１’の実数部ｎ１は、１に非常に近いといえるため、第１面２における屈折角θ’は、プリズム部６の傾斜角θに略等しい。すなわち、θ＝θ’とすると、上記式（８）は、次式で表わすこともできる。
【００３５】
【数８】
また、このときの第２面４と第３面５とのなす角度φ０は、次式で表される。
【００３６】
【数９】
以上より、プリズム部６の内部から外部への境界面（第３面５）への入射角φを小さくすれば、式（３）に示すようにＸ線の偏向角αが大きくなり、式（４）から焦点距離Ｆを短くすることができるが、加工難度が上昇する。また、特定の長さｗに対して長さｔを長くすることにより入射角φを小さくすると、Ｘ線がプリズム部６内を通過する距離が長くなるため、式（７）に示すようにＸ線の平均透過率＜Ｔ＞が低下する。平均透過率＜Ｔ＞が減少するとプリズム部６によるＸ線の吸収量が増大するため、Ｘ線の強度が弱くなる。
【００３７】
図７はＸ線の焦点距離Ｆ及び平均透過率＜Ｔ＞のそれぞれについての先端角φについての変化を示すグラフである。図７においては、Ｘ線のエネルギーを１０ｋｅＶとし、焦点距離ＦはＸ線屈折素子１におけるＸ線の中心軸Ｙからの距離ｒ＝５００μｍ及びｒ＝２５０μｍの２つについて例示している。放射光Ｘ線の場合、入射Ｘ線の直径は概ね１ｍｍであるため、Ｘ線屈折素子１の距離ｒは、５００μｍ程度以下が好ましいが、特に限定されない。
【００３８】
また、図７においては、Ｘ線屈折素子１の材料としてアクリル（Ｃ５Ｈ８Ｏ２、密度は１．１９ｇ／ｃｍ３、１０ｋｅＶにおける屈折率ｎ１＝１−δ−ｉβは、δ＝２．６７×１０−６、β＝３．７１×１０−９である）を例示している。
【００３９】
また、図７においては、第２面４及び第３面５の基端部間の長さｗ，ｔを固定し、プリズム部５の長手方向の長さＬを変化させることにより先端角φを変化させている。ここで長さｗは、５０μｍを例示でき、第２面４と第３面５とのなす角度φ０は、２０°を例示できる（従って、この場合の長さｔは、１３７．４μｍとなる）。
【００４０】
粉末Ｘ線回折やＸ線小角散乱等のＸ線照射による構造分析法において用いられるＸ線のエネルギーＥは、１ｋｅＶ≦Ｅ≦２５０ｋｅＶであり、その中でも特によく用いられるのは５ｋｅＶ≦Ｅ≦２０ｋｅＶである。なお、図７においては、Ｘ線のエネルギーＥ＝１０ｋｅＶのときを例示している。また、Ｘ線を通過させたときのＸ線屈折素子１の焦点距離Ｆは、１００ｍ以下が好ましいが、３０ｍ以下がより好ましい。
【００４１】
一方、Ｘ線屈折素子１としての機能を果たすためには、プリズム部６を通過することによるＸ線の平均の透過率＜Ｔ＞は８０％以上が好ましい。
【００４２】
以上の条件から、焦点距離Ｆが３０ｍ以下で且つＸ線の平均透過率＜Ｔ＞が８０％以上となるようにＸ線を集束するための好適な先端角φは、図７に示すように、ｒ＝２５０μｍにおいて２．３°≦φ≦８．６°となり、ｒ＝５００μｍにおいて２．３°≦φ≦６．８°となる。厳密に集束する場合には、ｒに応じて先端角φの好適な範囲は異なるが、上記構造分析法に用いられる際、Ｘ線屈折素子１は厳密に点又は線に集束される必要はなく、ある程度の集束（粗集束）が期待できればよい。従って、ある程度の集束でよい場合には、ｒ＝２５０μｍより内側の領域におけるプリズム部６の先端角φを２．３°≦φ≦８．６°から１つ選択し、ｒ＝２５０μｍより外側の領域におけるプリズム部６の先端角φを２．３°≦φ≦６．８°から１つ選択する（プリズムアレイを２つずつとする）か、又は、すべてのプリズム部６についていずれかの範囲から１つ選択する（プリズムアレイを１つずつとする）こととしても十分な集束効果を得ることができる。
【００４３】
上記範囲内から選択された先端角φを実現可能なプリズム部６の寸法は、上記式（６）より得ることができる。すなわち、ｒ＝２５０μｍにおいて先端角φが好適な範囲となるようなプリズム部の各寸法の関係式は、次式で表される。
【００４４】
【数１０】
以上のような関係を有するようにプリズム部６の長さｗ，ｔ，Ｌを定めることにより、Ｘ線屈折素子１の加工精度及び上記エネルギーを有するＸ線の透過率を高く保持しつつ所望の焦点距離を得ることができる。なお、長さＬは上述の通り、プリズム部６において第２面４上を通過するＸ線の入射端から出射端までの長手方向についての長さであり、プリズム部６の寸法を直接的に規定するものではなく、プリズム部６の第２面４の長手方向の長さは、上記関係式におけるＬにＸ線Ｂ１の直径分（２ｒ）以上を加えた長さ以上であればよい。
【００４５】
また、このときのＸ線Ｂ１の第１面２への入射角（プリズム部６の傾斜角）θは上記（８）式から求められる。
【００４６】
以上のように求められた先端角φの範囲は、Ｘ線屈折素子１を傾斜させずに実現しようとすると（すなわち、第２面４と第３面５とのなす角度φ０が上記範囲となるようにプリズム部６を作製しようとすると）、プリズム部６の加工難度が上がり、製作が困難となる。すなわち、Ｘ線を第１面２に対して垂直に入射させたのでは、Ｘ線の焦点距離Ｆを３０ｍ以下にすることは困難である。従って、このような範囲の焦点距離Ｆを得るために、Ｘ線屈折素子１をＸ線の入射軸Ｂｉｎに対して傾斜角θだけ傾斜させる本実施形態の方法を用いることは特に有効である。
【００４７】
ここで、Ｘ線屈折素子１は、Ｘ線Ｂ１の入射軸Ｂｉｎに対する傾斜角θを変更可能に構成されてもよい。具体的には、例えば図１に示すように、Ｘ線屈折素子１は、Ｚ軸に平行な中心軸１０２を有する回転軸１０に軸支されており、回動装置１３によってＸ線屈折素子１が回転軸１０の中心軸１０２の回りに回転可能に構成されている。なお、回転軸１０は、入射するＸ線Ｂ１のビーム径よりＸ線屈折素子１のサイズが十分大きい場合には、図１に示すようにＸ線屈折素子１の側方にあってもよいし、中央部（後述する図８の回転軸１０ｂ参照）にあってもよい。式（６）及び式（８）より、傾斜角θと先端角φとの関係式は、次式のように表せる。
【００４８】
【数１１】
式（１１）に示すように、傾斜角θを調整することにより、先端角φも調整可能となるため、傾斜角θを調整することにより、Ｘ線の焦点距離Ｆの調整を容易に行うことができる。
【００４９】
また、図１及び図２に示すＸ線屈折システムにおいては、Ｘ線屈折素子１を１つ用い、入射Ｘ線Ｂ１を線状に集束する構成としているが、Ｘ線屈折素子１を複数（２つ）用い、入射Ｘ線Ｂ１を点状に集束する構成としてもよい。
【００５０】
図８は本発明の他の実施形態に係るＸ線屈折方法に用いられるＸ線屈折システムを示す斜視図である。図８の例においては、２つのＸ線屈折素子１ａ，１ｂをプリズム部６ａ，６ｂの配列方向（Ｚａ，Ｚｂ軸）が略直交するように配置し、複数のＸ線屈折素子１ａ，１ｂのそれぞれを、第１面２ａ，２ｂがＸ線の入射軸Ｂｉｎａ，Ｂｉｎｂに対して垂直な位置（１ａ’，１ｂ’で示す位置）から第２面４ａ，４ｂに垂直なＺａ，Ｚｂ軸回りに所定角度θａ，θｂだけ回動させた位置に配置している。
【００５１】
上記構成により、第１のＸ線屈折素子１ａの第１面２ａに入射されたＸ線Ｂ１の入射軸Ｂｉｎａは、第１のＸ線屈折素子１ａにおいてＺａ軸方向に集束されて第１の出射Ｘ線Ｂ２ａとなり、当該第１の出射Ｘ線Ｂ２ａによる第２のＸ線屈折素子１ｂへの入射軸Ｂｉｎｂが、さらに、第２のＸ線屈折素子１ｂの第１面２ｂに入射されて、Ｚａ軸方向に加えてＺｂ軸方向にも集束された出射軸Ｂｏｕｔを有するＸ線Ｂ２ｂを出射する。これによりＸ線を点状に集束させることができる。
【００５２】
本実施形態においても、入射軸Ｂｉｎａ，Ｂｉｎｂに対する傾斜角θａ，θｂを変更可能に構成されてもよい。具体的には、例えば図８に示すように、第１のＸ線屈折素子１ａは、Ｚａ軸に平行な中心軸１０２ａを有する回転軸１０ａに軸支されており、回動装置１３ａによって第１のＸ線屈折素子１ａが回転軸１０ａ回りに回転可能に構成されている。また、第２のＸ線屈折素子１ｂは、Ｚｂ軸に平行な中心軸１０２ｂを有する回転軸１０ｂに軸支されており、回動装置１３ｂによって第２のＸ線屈折素子１ｂが回転軸１０ｂ回りに回転可能に構成されている。回転軸１０ａ，１０ｂは、いずれもＸ線屈折素子１ａ，１ｂの側方に設けられてもよいし、中央部に設けられてもよい。これにより２つのＸ線屈折素子１ａ，１ｂの傾斜角θａ，θｂをそれぞれ個別に変化させることで、横方向及び縦方向の焦点距離を個別に調整及び変更することができる。
【００５３】
なお、図８の例において第１面２ａ，２ｂからＸ線を出射させてもよく、この場合には点Ｘ線源から発散するＸ線を二次元的に平行化することができる。
【００５４】
また、Ｘ線屈折素子１を、Ｘ線Ｂ１入射時において第２面４の長手方向に移動させてもよい。図９は図１に示すＸ線屈折システムのＸ線屈折素子の変形例を示す斜視図である。
【００５５】
図９に示す例におけるＸ線屈折素子１１が図１に示すＸ線屈折素子１と異なるのは、Ｘ線屈折素子１１の長手方向（Ｙ軸及びＺ軸にともに垂直なＶ軸方向）に十分長く、当該Ｖ軸方向に往復動可能とされていることである。具体的には、Ｘ線屈折素子１１は、Ｖ軸方向に２（Ｌ＋２ｒ）以上の長さを有しており、把持部材１２に固定されている。把持部材１２は、駆動装置１４によりＶ軸方向に往復動されるように構成されている。従って、把持部材１２が駆動装置１４によりＶ軸方向に往復動されることにより、Ｘ線屈折素子１１がＶ軸方向に往復動される。
【００５６】
特に、Ｘ線屈折素子１１がアクリル等の樹脂材料から形成される場合、Ｘ線屈折素子１１にＸ線が照射され続けると溶解等により劣化する場合がある。一般に、Ｘ線の照射によりＸ線屈折素子１１を構成する材料の溶解は、Ｘ線の照射量（時間あたりのＸ線量×時間）が所定のしきい値を超えることにより生じる。すなわち、しきい値を超える前に当該部分へのＸ線照射を止めれば、溶解は生じないと考えられる。そこで、上記構成において、Ｘ線屈折素子１１のある部分にＸ線を照射している時間がＸ線の照射量に関するしきい値を超える前に、Ｘ線屈折素子１１をＶ軸方向に移動させてＸ線屈折素子１１におけるＸ線の照射箇所を変更することにより、Ｘ線屈折素子１１のＸ線照射による溶解を有効に防止することができる。このような構成は、入射Ｘ線の光子束密度（photons/s/mm2）が１０１１程度以上である場合に、特に有効である。
【００５７】
なお、Ｘ線屈折素子１１を移動させる態様は、連続的に（常時）移動させる態様であってもよいし、非連続的に移動させる（複数のＸ線照射部毎に停止及び移動を繰り返す）態様であってもよい。また、移動させるタイミングは、Ｘ線屈折素子１１の材料とＸ線量（Ｘ線の輝度）に応じて適宜好適に設定される。
【実施例】
【００５８】
図３に示すようなＸ線屈折素子１を設計、作製し、放射光Ｘ線を用いるビームラインにおいて性能評価実験を行った。Ｘ線屈折素子１は、アクリル製とし、Ｘ線屈折素子１において、プリズム部６の全幅（２ｒ）が１ｍｍ、第２面４と第３面５とのなす角度φ０が２２．４°〜８２．０°（集束中心面１０１から遠いプリズム部６になるほど角度が小さくなるように段階的に設定されている）、傾斜角θが８０．５°となるように設計、製作した。このときの最小先端角φは３．６１°であり、偏向角αは０．００２４３°であり、焦点距離Ｆは１２．７ｍである。
【００５９】
図１０は本実施例において用いたＸ線屈折素子の電子顕微鏡写真である。図１０（ａ）は概要図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の領域ＶＩＩＩａを示す部分拡大図である。図１０に示すように本実施例のＸ線屈折素子においては、良好なプリズムアレイ構造が形成されている。
【００６０】
まず、このようなＸ線屈折素子１の配置の前後でＸ線屈折素子１を通過した後のＸ線が集束されているかどうかをＸ線カメラにより撮像したＸ線のビーム径を比較することにより確認した。
【００６１】
図１１は本実施例のＸ線屈折素子の適用前後において、Ｘ線が集束状態を確認するためのＸ線のビーム径についてのＸ線カメラ像を示す図である。図１１（ａ）はＸ線屈折素子から１６ｍ後方におけるビーム径を示し、図１１（ｂ）はＸ線屈折素子を適用しない場合のビーム径（比較例）を示している。本実施例においては図１に示すＸ線屈折システムと同様に、Ｘ線屈折素子１を１つ用いた構成であるため、図１１（ａ）に示すように、Ｘ線屈折素子を適用しない場合の図１１（ｂ）に比較して縦方向の集束（上下が扁平になり明るさが増加）が確認できた。
【００６２】
次に、本実施例のＸ線屈折素子１を図３に示す傾斜角θを変化させながら集束されたＸ線のピーク強度とサイズ（半値全幅）を測定した。ピーク強度が高いほどＸ線がよく集束されていることを示し、サイズが小さいほどＸ線がよく集束されていることを示す。従って、ピーク強度をサイズ（半値全幅）で除した指標が大きいほどＸ線がよく集束されていることを示すこととなる。
【００６３】
図１２は本実施例のＸ線屈折素子の傾斜角に対するピーク強度／半値全幅を示すグラフである。図１２に示すように、傾斜角θが設計値の８０．５°近傍で集束特性が最も良好となることが確認できた。
【００６４】
続いて、本実施例のＸ線屈折素子１の集束位置（傾斜角θは８０．５°）におけるＸ線のビームプロファイルを測定し、評価した。
【００６５】
図１３は本実施例のＸ線屈折素子の適用前後におけるＸ線のビームプロファイルを示すグラフである。ビームプロファイルの測定においては、所定のスリットにＸ線屈折素子１によるＸ線の集束後のビームを入射し、当該スリットの位置に対するＸ線のビームの強度を測定した。比較例としてＸ線屈折素子１を適用しない場合のＸ線をスリットに入射させた場合のＸ線のビームの強度もあわせて測定した。
【００６６】
図１３に示すように、Ｘ線屈折素子１により集束されたＸ線のビームの強度における半値全幅（約８０μｍ）内の全強度をＸ線屈折素子１を適用しない場合と比較すると、Ｘ線屈折素子１により集束されたＸ線のビームの強度の利得はＸ線屈折素子１を適用しない場合に比べて３．６倍となった。Ｘ線追跡による計算値（５．３倍）には及ばないものの、近い値となり、良好な集束特性が得られた。
【００６７】
さらに、図１１に示すビーム形状（断面形状）を測定した。Ｘ線屈折素子１を適用する前のＸ線のビーム形状は、略楕円形であり、縦方向における最長の長さが７３０μｍ、横方向における最長の長さが５５０μｍであったのに対し、Ｘ線屈折素子１を適用した後のＸ線のビーム形状は縦方向における最長の長さが８０μｍ、横方向における最長の長さが６００μｍとなった。この結果より、Ｘ線のビームの断面積で規格化したＸ線の強度（Ｘ線密度）の利得は、Ｘ線屈折素子１の適用前に比べて５．６倍となった。１次元（縦方向）のみの集束で５．６倍の強度利得が得られる結果となったため、図８に示すようなＸ線屈折素子を交差配置することによる２次元の集束を行えば、２０〜３０倍程度の強度利得が得られるものと推察できる。
【００６８】
以上のとおり、本実施例のＸ線屈折素子１をＸ線に適用することにより、有効な集束ビームが得られることが実証された。
【００６９】
さらに、光子束密度が６×１０１１（photons/s/mm2）であるＸ線をＸ線屈折素子１に照射して照射時間に対するＸ線屈折素子１により集束されたＸ線のビーム強度の変化を測定した。
【００７０】
図１４は本実施例のＸ線屈折素子１にＸ線を照射した場合の照射時間に対するＸ線屈折素子により集束されたＸ線のビーム強度の測定値を示すグラフである。本実験においては図９に示すようなＸ線屈折素子をＶ軸方向に往復動可能な構成（Ｘ線屈折素子のＶ軸方向の長さを２５ｍｍとする）を用いて、図１４に示すように、Ｘ線屈折素子を固定した状態でＸ線を照射し続けた場合と、Ｘ線屈折素子を往復動させた状態でＸ線を照射し続けた場合とを比較した。Ｘ線の光子束密度が６×１０１１程度の比較的高いＸ線を用いた場合においては、Ｘ線屈折素子を固定した状態でＸ線を照射すると、１０５分後にＸ線屈折素子を通過後のＸ線のピーク強度が６０％にまで減少してしまった。これは、事後の観察により、Ｘ線の照射によるＸ線屈折素子のプリズム部の変成（溶解）が原因であることが確認された。これに対し、Ｘ線の照射中にＸ線屈折素子を往復動させた場合、Ｘ線の照射から約１２時間が経過した後もＸ線屈折素子を通過後のＸ線のピーク強度が十分に保たれていることが確認された。この実験結果に基づいて、Ｘ線屈折素子を往復動させた場合のＸ線のピーク強度変化について減少指数関数により補間処理演算を行ったところ、４８時間経過後でも約８９％のピーク強度が得られることが推察される結果となった。一般的に、放射光施設での実験が２４時間単位で行われるため、Ｘ線の輝度が高い場合であっても、Ｘ線屈折素子を往復動させることにより放射光Ｘ線の実験に十分耐え得る耐放射線性能が得られることが分かった。さらに、Ｘ線屈折素子のＶ軸方向の長さをより長くすることにより（機械加工で切り出して作製するためＶ軸方向の長さを長くすることは比較的容易である）、耐用時間を長くすることは容易に実現できるものと推察される。
【００７１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更、修正が可能である。
【００７２】
例えば、上記実施形態においては複数のプリズム部６の第２面４の基端及び先端の位置を全てのプリズム部６において一定にしたが、入射するＸ線Ｂ１を集束可能な限り、これらを個々のプリズム部６毎に違えてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明のＸ線屈折方法は、簡単な構成で、ビームラインの方向をほとんど変えずに、Ｘ線の吸収による減衰を抑えながら、Ｘ線を集束又は平行化するために有用である。
【符号の説明】
【００７４】
１，１ａ，１ｂ，１１ Ｘ線屈折素子
２ 第１面
３ 屈折部
４，４ａ，４ｂ 第２面
５ 第３面
６，６ａ，６ｂ プリズム部
７ａ，７ｂ プリズムアレイ
８ 基板部
１０，１０ａ，１０ｂ 回転軸
１２ 把持部材
１３，１３ａ，１３ｂ 回動装置
１４ 駆動装置
１００ Ｘ線源
Ｂ１ 放射光Ｘ線
Ｂ２，Ｂ２ａ，Ｂ２ｂ 集束されたＸ線
Ｂｉｎ，Ｂｉｎａ，Ｂｉｎｂ Ｘ線の入射軸
Ｂｏｕｔ Ｘ線の出射軸
Ｆ 焦点距離
Ｌ プリズム部において第２面上を通過するＸ線の入射端から出射端までの長手方向についての長さ
ｒ Ｘ線屈折素子に入射されるＸ線の中央部からの距離
ｔ プリズム部の最大厚さ
＜Ｔ＞ Ｘ線の平均透過率
ｗ プリズム部の最大幅
α 偏向角
σｉｎ プリズム部の境界面における内部から外部への入射角
σｏｕｔ 屈折角
φ 先端角
φ０，φ０ａ，φ０ｂ 第２面と第３面とのなす角
θ，θａ，θｂ 傾斜角
θ’ 第１面における屈折角
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線を集束又は平行化するためのＸ線屈折方法であって、Ｘ線が入射又は出射する第１面と、前記第１面から離れた位置から当該第１面の反対側へ前記第１面に垂直にかつ互いに平行に延びる複数の第２面及び各前記第２面の先端からその内側に隣り合う他の第２面の基端に至るように延びる複数の第３面を有し、前記第２面の基端を通り前記第１面に平行な面、前記第２面及び前記第３面により規定される複数のプリズム部を有する屈折部と、を備えたＸ線屈折素子を、前記第１面がＸ線の入射又は出射軸に対して垂直な角度位置から前記第２面に垂直な軸の回りに所定角度回転した位置に配置する、Ｘ線屈折方法。
【請求項２】
前記プリズム部が以下の関係式（１）を満たすように前記Ｘ線屈折素子を作製し、前記第１面のＸ線の入射又は出射軸に対する傾斜角θが以下の関係式（２）を満たすように前記Ｘ線屈折素子を配置する、請求項１に記載のＸ線屈折方法。
【数１】
ここで、φは、プリズム部の内部から外部への境界面（第３面）への斜入射角であり、ｗは、前記第２面及び前記第３面の基端部間の長さであり、ｔは、前記第２面の基端部と先端部との間の長さであり、Ｌは、前記プリズム部において第２面上を通過するＸ線の入射端から出射端までの長手方向についての長さであり、ｎ１は、前記Ｘ線屈折素子の屈折率の実数部である。
【請求項３】
前記Ｘ線屈折素子は、前記第１面のＸ線の入射又は出射軸に対する傾斜角を変更可能に構成される、請求項１又は２に記載のＸ線屈折方法。
【請求項４】
複数の前記Ｘ線屈折素子を前記プリズム部の配列方向が略直交するように配置し、前記複数のＸ線屈折素子のそれぞれを、前記第１面がＸ線の入射又は出射軸に対して垂直な位置から前記第２面に垂直な軸回りに所定角度回動させた位置に配置する、請求項１から３の何れかに記載のＸ線屈折方法。
【請求項５】
前記Ｘ線屈折素子を、Ｘ線入射時において前記第２面の長手方向に移動させる、請求項１から４の何れかに記載のＸ線屈折方法。
【請求項１】
Ｘ線を集束又は平行化するためのＸ線屈折方法であって、Ｘ線が入射又は出射する第１面と、前記第１面から離れた位置から当該第１面の反対側へ前記第１面に垂直にかつ互いに平行に延びる複数の第２面及び各前記第２面の先端からその内側に隣り合う他の第２面の基端に至るように延びる複数の第３面を有し、前記第２面の基端を通り前記第１面に平行な面、前記第２面及び前記第３面により規定される複数のプリズム部を有する屈折部と、を備えたＸ線屈折素子を、前記第１面がＸ線の入射又は出射軸に対して垂直な角度位置から前記第２面に垂直な軸の回りに所定角度回転した位置に配置する、Ｘ線屈折方法。
【請求項２】
前記プリズム部が以下の関係式（１）を満たすように前記Ｘ線屈折素子を作製し、前記第１面のＸ線の入射又は出射軸に対する傾斜角θが以下の関係式（２）を満たすように前記Ｘ線屈折素子を配置する、請求項１に記載のＸ線屈折方法。
【数１】
ここで、φは、プリズム部の内部から外部への境界面（第３面）への斜入射角であり、ｗは、前記第２面及び前記第３面の基端部間の長さであり、ｔは、前記第２面の基端部と先端部との間の長さであり、Ｌは、前記プリズム部において第２面上を通過するＸ線の入射端から出射端までの長手方向についての長さであり、ｎ１は、前記Ｘ線屈折素子の屈折率の実数部である。
【請求項３】
前記Ｘ線屈折素子は、前記第１面のＸ線の入射又は出射軸に対する傾斜角を変更可能に構成される、請求項１又は２に記載のＸ線屈折方法。
【請求項４】
複数の前記Ｘ線屈折素子を前記プリズム部の配列方向が略直交するように配置し、前記複数のＸ線屈折素子のそれぞれを、前記第１面がＸ線の入射又は出射軸に対して垂直な位置から前記第２面に垂直な軸回りに所定角度回動させた位置に配置する、請求項１から３の何れかに記載のＸ線屈折方法。
【請求項５】
前記Ｘ線屈折素子を、Ｘ線入射時において前記第２面の長手方向に移動させる、請求項１から４の何れかに記載のＸ線屈折方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−２２７０５７（Ｐ２０１１−２２７０５７Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３４１６６（Ｐ２０１１−３４１６６）
【出願日】平成２３年２月２１日（２０１１．２．２１）
【出願人】（５９２２１６３８４）兵庫県 (258)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２１日（２０１１．２．２１）
【出願人】（５９２２１６３８４）兵庫県 (258)
【Ｆターム（参考）】
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