JP2016085232A

JP2016085232A - ポリキャピラリー光学素子およびｘ線回折装置

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Publication number: JP2016085232A
Application number: JP2016025581A
Authority: JP
Inventors: 理絵小川; Rie Ogawa; 和夫小柳; Kazuo Koyanagi
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2016-02-15
Filing date: 2016-02-15
Publication date: 2016-05-19
Anticipated expiration: 2033-02-22
Also published as: JP6202116B2

Abstract

【課題】Ｘ線回折装置の平行ビーム光学系において、Ｋβ線カット用フィルターやモノクロメータを用いることなくＫβ線を除去するポリキャピラリーレンズを提供する。【解決手段】多数のポリキャピラリー２を円筒ハウジング３内に収容し、円筒ハウジング３の両端を、Ｋβ線を吸収する金属薄膜４、５で封止して円筒ハウジング３内を密閉状態に保持し、ポリキャピラリー２の一方側を、Ｘ線源（ターゲット１１）に向けて所定の曲率半径で曲げて、Ｘ線源から出たＸ線を大きい立体角で取り込み、反対側の出口で平行ビームを得るとともに、円筒ハウジング３の両端の金属薄膜４、５でＫβ線を除去するようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、Ｘ線源が発生するＸ線を平行ビームに形成するポリキャピラリーレンズなどのポリキャピラリーを用いた光学素子およびＸ線回折装置に関する。

Ｘ線回折装置は、大気雰囲気で物質を非破壊で分析でき、物質の定性分析、格子定数の決定や応力測定などができるほか、ピークの面積計算などから定量分析ができ、さらに、ピークの角度広がりやプロファイルなどから結晶粒子径・結晶化度・精密Ｘ線構造解析など、さまざまな分析ができるので、幅広い分野で用いられている。

一般的なＸ線回折装置の構成としては、通常、試料ホルダを用いて所定の大きさの平板状に成形された試料をθ軸上のゴニオメータの中心に載置し、Ｘ線管球のターゲットで発生したＸ線を所定の位置に配置された発散スリットでその広がりを１〜３°程度に規制して試料の表面に照射する。
ゴニオメータは、その２θ軸がθ軸に対して２倍の関係を維持しながら連動して回転駆動され、試料から放射される回折Ｘ線を２θ軸に搭載した検出スリットおよびＸ線検出器により検出する（特許文献１参照）。

特許文献１のＸ線回折装置では、光学系として集中法（Ｂｒａｇｇ−Ｂｒｅｎｔａｎｏ法）が用いられているが、図３の模式図に示すように、Ｘ線管球１０のターゲット１１（点光源）から出たＸ線が、大きい立体角でポリキャピラリーレンズ１２に取り込まれ、反対側の出口から平行ビーム２０としてθ軸１７上のゴニオメータ１９の中心に載置した試料１３に照射され、平行ビーム用ソーラスリット１４によって入射Ｘ線の角度と同一角度の試料１３からの回折Ｘ線を、平板結晶を用いたモノクロメータ１５で単色化して、その２θ軸１８がθ軸１７に対して２倍の関係を維持しながら連動して回転駆動されるゴニオメータ１９の２θ軸１８に搭載したＸ線検出器１６で検出するようにした平行ビーム光学系のＸ線回折装置も知られている。

このような平行ビーム光学系では、集中法の光学系（集中ビーム光学系）に比較して、Ｘ線管球１０から発生したＸ線を有効に利用できるため高い回折Ｘ線強度が得られる。また、集中ビーム光学系では試料の位置ずれなどにより、集中条件から外れた場合、回折角度に大きなずれが生じるとともに、回折Ｘ線強度が著しく減衰するが、平行ビーム光学系では数ｍｍのずれが生じても回折角度は変わらず、回折Ｘ線強度の減衰も大きなものにはならず、その結果、曲面や凹凸のある試料面でも高感度・高精度の測定ができる利点がある。

上記平行ビーム光学系に用いられるポリキャピラリーレンズ１２は、たとえば特許文献２に示されているとおり、多数のキャピラリー（たとえば極細のガラス管）を束ねたもので、それぞれのキャピラリーの内面においてＸ線が全反射を繰り返しながら進む。また、モノリシックタイプであって、軸方向に垂直な断面においてハニカム構造（蜂の巣構造）になっているものも知られている（特許文献２、図１（Ａ）参照）。
また、ポリキャピラリーレンズは、通常、ゴミなどコンタミがガラス管内面に付着してＸ線透過効率が減少するのを防止するため、円筒ハウジング内に収容するとともに、円筒ハウジングの両端を、たとえば金属ベリリウム（Ｂｅ）薄膜で封止し、円筒ハウジング内を真空状態に保持している。

平行ビーム用ソーラスリット１４は、たとえば、スペーサによって互いに間隔をおいて積層された複数の金属箔からなる構造である（特許文献３）。この平行ビーム用ソーラスリット１４は、試料からの回折Ｘ線以外の散乱Ｘ線がＸ線検出器１６に入るのを防止し、試料への入射Ｘ線と同一角度の試料からの回折Ｘ線のみをＸ線検出器１６に導くものである。

さらに、Ｘ線回折では、単一波長の特性Ｘ線を用いるため、通常、Ｘ線管球のターゲット材料によって決まる特性Ｘ線のＫα線を利用するが、ターゲット材料からは目的とするＫα線の他に、Ｋα線に波長の近いＫβ線も同時に発生するので、このＫβ線を除去し単色化しなければならず、金属箔でつくられたＫβ線カット用フィルターを検出スリットの前に挿入するか、またはモノクロメータを用いてＸ線ビームの単色化を行うことが知られている（特許文献４）。

Ｋβ線カット用フィルターは、Ｋα線とＫβ線との波長間でＸ線吸収係数が大きく変化する材料で作製され、これを検出スリットのＸ線入射側に設置して、Ｋα線はＸ線吸収の影響をあまり受けることなく透過し、一方、Ｋβ線は大きく吸収されて僅かしか透過しない（Ｋβ線の強度がＫα線の１／１００以下になるようにフィルターの厚みを選択する）ようにしたものである。このＫβ線カット用フィルターの材料には、ターゲット材料に使用する金属より原子番号が１つ小さい金属を使用することが知られている。

また、平板結晶を用いたモノクロメータ１５は、図３に示すとおり、平行ビーム用ソーラスリット１４とＸ線検出器１６との間のＸ線光軸上に設置され、Ｋα線（単色光）だけが反射されてＸ線検出器１６に入るようにするものである。また、平行ビーム用ソーラスリット１４は、モノクロメータ１５の前段において、Ｘ線の散乱角を規制して特定の角度の回折Ｘ線をモノクロメータ１５に導く。

特開平１０−１８５８４４号公報特開２００８−９６１８０号公報特開２０００−９８０９１号公報特開２００２−９８６５７号公報

しかしながら、従来のＫβ線カット用フィルターは主に集中ビーム光学系に用いられるもので、これを平行ビーム光学系に使用するには、当該フィルターをＸ線光軸上に配置する取り付け用アタッチメントが必要となるが、現状ではこのような適切なアタッチメントがなく、Ｋβ線カット用フィルターは平行ビーム光学系には使用されていなかった。
Ｋβ線を除去して単色化する場合、平板結晶を備えたモノクロメータを用いてＫα線のみをＸ線検出器に導入しているが、せっかく平行ビーム光学系を用いてＸ線源から発生したＸ線を有効に利用し高い回折Ｘ線強度を得るようにしても、モノクロメータによりＸ線強度が減衰され、平行ビーム光学系の利点を十分に生かすことができなかった。

また、平板結晶を備えたモノクロメータを用いる場合、Ｘ線光軸に対するモノクロメータの光軸調整の作業が必要となるなど煩雑な手間がかかり、また、モノクロメータを用いることによるＸ線回折装置のコストアップは避けられなかった。

本発明は、上述した従来技術の課題を解決するため、平行ビーム光学系において、モノクロメータを用いることなく、Ｋβ線を効果的に除去できるポリキャピラリー光学素子およびそのようなポリキャピラリー光学素子を用いたＸ線回折装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、請求項１記載の本発明の光学素子としてのポリキャピラリーレンズは、多数のガラス製中空チューブを筒状ハウジング内に収容し、筒状ハウジングの両端を、Ｘ線を透過する金属薄膜で封止して筒状ハウジング内を密閉状態に保持するとともに、多数のガラス製中空チューブの一方側の外方に位置するＸ線源から放射されたＸ線を取り込み、反対側の出口で平行ビームを得るポリキャピラリーレンズであって、前記金属薄膜の一方または両方を、前記Ｘ線源から放射されたＸ線のＫβ線を吸収する金属薄膜により形成したものである。
多数のガラス製中空チューブの一方側は、外方に位置するＸ線源から放射されたＸ線を取り込むため、Ｘ線源に向けて所定の曲率半径で曲げられている。

Ｋβ線を吸収する金属薄膜の材料としては、Ｘ線源となるＸ線管球のターゲットに使用する金属より原子番号が１つ小さい金属が使用される。たとえば、粉末Ｘ線回折においてターゲットとしてよく用いられるＣｕに対してはＮｉ薄膜が使用される。同様に、ターゲットＣｏにはＦｅ薄膜、ターゲットＦｅにはＭｎ薄膜、ターゲットＣｒにはＶ薄膜、ターゲットＭｏにはＺｒ薄膜がそれぞれ使用される。
また、多数のガラス製中空チューブが収容される筒状ハウジングには、ステンレス製の筒状容器が用いられ、筒状ハウジング内の密閉状態はゴミなどガラス内面にコンタミが付着してＸ線透過率が減少するのを防止することができれば十分であり、必ずしも筒状ハウジング内を真空状態としなくてもよい。

Ｋβ線を吸収する金属薄膜の厚みは、たとえば、ターゲットＣｕからのＣｕＫα線に対してＣｕＫβ線の強度が１／１００以下になるように選択される。この厚みは筒状ハウジングの両端を封止する金属薄膜の一方または両方の合計の厚みである。

請求項２記載の本発明の光学素子としてのポリキャピラリー平行ビーム用ソーラスリットは、多数の直線状ガラス製中空チューブを筒状ハウジング内に収容し、筒状ハウジングの両端を、Ｘ線を透過する金属薄膜で封止して筒状ハウジング内を密閉状態に保持するとともに、多数の直線状ガラス製中空チューブを互いに平行に配列して、Ｘ線の散乱角を規制し特定の角度の回折Ｘ線を透過させるポリキャピラリー平行ビーム用ソーラスリットであって、前記金属薄膜の一方または両方を、前記回折Ｘ線のＫβ線を吸収する金属薄膜で形成したものである。
すなわち、本発明のポリキャピラリー平行ビーム用ソーラスリットは、多数の直線状ガラス製中空チューブが筒状ハウジング内で互いに平行に配列されている構成において、一方側が所定の曲率半径で曲げられているポリキャピラリーレンズと相違する。

また、請求項３記載の本発明のＸ線回折装置は、Ｘ線発生部、試料室、Ｘ線検出部からなり、Ｘ線発生部と試料室との間のＸ線光軸上にポリキャピラリーレンズを備え、試料室とＸ線検出部との間のＸ線光軸上に平行ビーム用ソーラスリットを配置したＸ線回折装置であって、前記ポリキャピラリーレンズに、請求項１記載のポリキャピラリーレンズを用いたものである。

さらに、請求項４記載の本発明のＸ線回折装置は、Ｘ線発生部、試料室、Ｘ線検出部からなり、Ｘ線発生部と試料室との間のＸ線光軸上にポリキャピラリーレンズを備え、試料室とＸ線検出部との間のＸ線光軸上に平行ビーム用ソーラスリットを配置したＸ線回折装置であって、前記平行ビーム用ソーラスリットに、請求項２記載のポリキャピラリー平行ビーム用ソーラスリットを用いたものである。

本発明のポリキャピラリーレンズによれば、多数のガラス製中空チューブが収容されている筒状ハウジングの両端を密閉封止している金属薄膜の一方または両方を、Ｘ線源から放射されたＸ線のＫβ線を吸収する金属薄膜で形成したので、平行ビーム光学系であっても、効果的にＫβ線を除去することができる。したがって、高価なモノクロメータの設置が不要となり、光軸調整などの煩雑な作業も解消される。
とくに、従来、筒状ハウジングの両端を真空封止していた金属ベリリウム（Ｂｅ）薄膜は、人体に対して有害物質であるばかりでなく、薄膜にした場合、非常に壊れやすく、また筒状ハウジングの材料、たとえばステンレスとの真空封じ用ロー付け作業が難しく、高価になるなどの問題点があったが、Ｋβ線を吸収する金属薄膜の材料は一般的な金属であり、Ｂｅ薄膜に比べてそのような不都合がなくなる副次的効果もある。

また、本発明のポリキャピラリー平行ビーム用ソーラスリットによれば、多数の直線状ガラス製中空チューブを互いに平行に配列したものであり、より平行性の高い平行ビーム用ソーラスリットとなり分解能が向上するとともに、ゴニオメータのスキャン方向と直角方向の散乱Ｘ線がＸ線検出器に入るのを防止することができる。

さらに、本発明のＸ線回折装置によれば、本発明のポリキャピラリーレンズまたはポリキャピラリー平行ビーム用ソーラスリットを用いるので、モノクロメータの設置が不要となり、モノクロメータによりＸ線強度が減衰されることもなく、平行ビーム光学系を用いてＸ線発生部から出たＸ線を有効に利用し、高い回折Ｘ線強度を得る平行ビーム光学系の利点を十分に生かすことができる。

本発明のポリキャピラリー光学素子の実施形態を示す図で、図（Ａ）はポリキャピラリーレンズ、図（Ｂ）はポリキャピラリー平行ビーム用ソーラスリットである。図１に示した本発明のポリキャピラリー光学素子を用いた平行ビーム光学系のＸ線回折装置を示す模式図である。従来のポリキャピラリー光学素子を用いた平行ビーム光学系のＸ線回折装置を示す模式図である。

以下、図面を参照しながら、本発明のポリキャピラリー光学素子およびポリキャピラリー光学素子を用いたＸ線回折装置の実施形態の一例を説明する。
図１（Ａ）は、本発明のポリキャピラリー光学素子の実施態様であるポリキャピラリーレンズを示す図であり、図１（Ｂ）は、本発明のポリキャピラリー光学素子の他の実施態様であるポリキャピラリー平行ビーム用ソーラスリットを示す図である。

図１（Ａ）において、ポリキャピラリーレンズ１は、Ｘ線管球（図示せず）のターゲット１１（Ｘ線源）から出たＸ線を取り込み、反対側の出口から平行ビーム２０を得るもので、全反射を繰り返しながらＸ線を導く多数の小さな（数μｍ）チャネルをもつガラス製のポリキャピラリー２の一方側（Ｘ線入射側）を、Ｘ線管球のターゲット１１に向けてＸ線の全反射が継続できる曲率半径で屈曲させて、ポリキャピラリー２の一方側の外方に位置しているターゲット１１から出たＸ線を大きい立体角で取り込むようステンレス製円筒ハウジング３内に収容した構造である。
ガラス製のポリキャピラリー２を所定の曲率半径で屈曲させる方法としては、たとえば一体に束ねたポリキャピラリー２の一方側を一点（ターゲット１１のＸ線発生点）に向けて引き延ばすことにより作製することができる。

円筒ハウジング３の両端は、円筒ハウジング３内を所定の真空状態に保持するため、ターゲット１１から放射されたＸ線のＫβ線を吸収する金属薄膜４、５によりロー付けで封止されている。円筒ハウジング３内を密閉状態に加えて真空状態とすることにより、ゴミなどの混入を防止するだけでなく、空気によるＸ線の減衰を防ぐことも期待できる。
Ｋβ線を吸収する金属薄膜４、５の材料としては、Ｘ線管球のターゲット１１に使用する金属より原子番号が１つ小さい金属が使用される。たとえば、粉末Ｘ線回折でターゲットとしてよく用いられるＣｕに対してはＮｉ薄膜が使用される。同様に、ターゲットＣｏにはＦｅ薄膜、ターゲットＦｅにはＭｎ薄膜、ターゲットＣｒにはＶ薄膜、ターゲットＭｏにはＺｒ薄膜がそれぞれ使用される。
したがって、ステンレス製円筒ハウジング３の両端をターゲット１１から放射されたＸ線のＫβ線を吸収する金属薄膜４、５で封止する場合、これら金属薄膜４、５として使用されるＮｉ（ニッケル）、Ｆｅ（鉄）、Ｍｎ（マンガン）、Ｖ（バナジウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）などは一般的な金属であり、Ｂｅ薄膜に比べてロー付け等により容易に行うことができる。

Ｋβ線を吸収する金属薄膜４、５の厚みは、たとえば、ターゲットにＣｕを用い、金属薄膜としてＮｉ薄膜を使用した場合、ＣｕＫα線に対してＣｕＫβ線の強度が１／１００になるＮｉ薄膜の厚みを計算すれば１５μｍとなる。同様にＣｕＫβ線の強度がＣｕＫα線の１／６００になるＮｉ薄膜の厚みは２１μｍとなる。この厚みは円筒ハウジング３の両端を封止する金属薄膜４、５の合計の厚みであり、真空封じ用薄膜として使用できる十分な厚みである。
すなわち、本発明のポリキャピラリーレンズ１は、機能的には、平行ビームを形成する機能と、Ｋβ線を除去するフィルター機能を有する。

図１（Ｂ）において、ポリキャピラリー平行ビーム用ソーラスリット２１は、ポリキャピラリーレンズ１と同様に、多数のＸ線を導く小さな（数μｍ）チャネルをもつ直線状のガラス製ポリキャピラリー２を円筒ハウジング３内に互いに平行に配列して収容し、円筒ハウジング３の両端を、試料（図示せず）から放射された回折Ｘ線のＫβ線を吸収する金属薄膜４、５で封止して円筒ハウジング３内を真空状態に保持している。
このようなポリキャピラリー平行ビーム用ソーラスリット２１は、Ｘ線回折装置の平行ビーム２０の光学系において試料室（図示せず）の出射側のＸ線光軸上に配置され、試料から放射された回折Ｘ線の散乱角を規制し、特定の角度の回折Ｘ線を透過させるものである。
なお、図１（Ａ）、（Ｂ）の実施態様においては、ポリキャピラリー２を収容するハウジングの形状を円筒形（円筒ハウジング３）として説明したが、断面外形は円形に限定される必要はなく、断面が多角形の角筒形状であってもよい。

図２により、本発明のポリキャピラリーレンズ１またはポリキャピラリー平行ビーム用ソーラスリット２１を用いた平行ビーム光学系のＸ線回折装置の実施態様を説明する。
Ｘ線は、Ｘ線発生部を構成するＸ線管球１０内でフィラメント（図示せず）とターゲット１１の間に数十ｋＶの高電圧をかけた状態で、フィラメントに電流を流すことにより発生した熱電子が高電圧により加速され、ターゲット１１に衝突することで発生する。
ターゲット１１から出たＸ線は、大きい立体角でポリキャピラリーレンズ１に取り込まれ、反対側の出口から平行ビーム２０として取り出される。平行ビーム２０はポリキャピラリーレンズ１の両側のＫβ線を吸収する金属薄膜４、５により、Ｋβ線の強度がＫα線の１／１００以下になるよう吸収されてθ軸１７上のゴニオメータ１９の中心に載置した試料室の試料１３に照射される。

試料１３から放射された回折Ｘ線は、Ｘ線光軸上に配置されたポリキャピラリー平行ビーム用ソーラスリット２１でその散乱が規制され、両側の金属薄膜４、５でＫβ線を吸収して入射Ｘ線の角度と同一角度の回折Ｘ線をＸ線検出器１６（Ｘ線検出部）へ導く。
Ｘ線検出器１６としては、通常、シンチレーションカウンタがよく用いられ、その２θ軸１８がθ軸１７に対して２倍の関係を維持しながら連動して回転駆動されるゴニオメータ１９の２θ軸に搭載されている。
なお、図２のＸ線回折装置の実施態様では、本発明のポリキャピラリーレンズ１およびポリキャピラリー平行ビーム用ソーラスリット２１の両方をＸ線光軸上に配置した構成を示しているが、本発明のＸ線回折装置においては、少なくともポリキャピラリーレンズ１またはポリキャピラリー平行ビーム用ソーラスリット２１のいずれか一方のみを用いればよい。

すなわち、ポリキャピラリーレンズに本発明のポリキャピラリーレンズ１を用いた場合には、平行ビーム用ソーラスリットとして、たとえば複数の金属箔を積層した平行ビーム用ソーラスリットを用いることができる。他方、平行ビーム用ソーラスリットに本発明のポリキャピラリー平行ビーム用ソーラスリット２１を用いた場合には、ポリキャピラリーレンズとして、ポリキャピラリーを収容した円筒ハウジングの両端を、Ｋβ線を吸収する金属薄膜により封止する必要はない。

１ポリキャピラリーレンズ
２ポリキャピラリー
３円筒ハウジング
４金属薄膜
５金属薄膜
１０Ｘ線管球
１１ターゲット
１２ポリキャピラリーレンズ
１３試料
１４平行ビーム用ソーラスリット
１５モノクロメータ
１６Ｘ線検出器
１７ θ軸
１８２θ軸
１９ゴニオメータ
２０平行ビーム
２１ポリキャピラリー平行ビーム用ソーラスリット

Claims

多数のガラス製中空チューブを筒状ハウジング内に収容し、筒状ハウジングの両端を、Ｘ線を透過する金属薄膜で封止して筒状ハウジング内を密閉状態に保持するとともに、多数のガラス製中空チューブの一方側の外方に位置するＸ線源から放射されたＸ線を取り込み、反対側の出口で平行ビームを得るポリキャピラリー光学素子において、前記金属薄膜の一方または両方を、前記Ｘ線源から放射されたＸ線のＫβ線を吸収する金属薄膜で形成したことを特徴とするポリキャピラリーレンズ。
多数の直線状ガラス製中空チューブを筒状ハウジング内に収容し、筒状ハウジングの両端を、Ｘ線を透過する金属薄膜で封止して筒状ハウジング内を密閉状態に保持するとともに、多数の直線状ガラス製中空チューブを互いに平行に配列して、Ｘ線の散乱角を規制し特定の角度の回折Ｘ線を透過させるポリキャピラリー光学素子において、前記金属薄膜の一方または両方を、前記回折Ｘ線のＫβ線を吸収する金属薄膜で形成したことを特徴とするポリキャピラリー平行ビーム用ソーラスリット。
Ｘ線発生部、試料室、Ｘ線検出部からなり、Ｘ線発生部と試料室との間のＸ線光軸上にポリキャピラリーレンズを備え、試料室とＸ線検出部との間のＸ線光軸上に平行ビーム用ソーラスリットを配置したＸ線回折装置において、前記ポリキャピラリーレンズに、請求項１記載のポリキャピラリーレンズを用いたことを特徴とするＸ線回折装置。
Ｘ線発生部、試料室、Ｘ線検出部からなり、Ｘ線発生部と試料室との間のＸ線光軸上にポリキャピラリーレンズを備え、試料室とＸ線検出部との間のＸ線光軸上に平行ビーム用ソーラスリットを配置したＸ線回折装置において、前記平行ビーム用ソーラスリットに、請求項２記載のポリキャピラリー平行ビーム用ソーラスリットを用いたことを特徴とするＸ線回折装置。