JP4715345B2 - Ｘ線分析装置 - Google Patents

Description

本発明はＸ線分光装置に関し、更に詳しくは、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）、電子線プローブ微小分析装置（ＥＰＭＡ）、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）等、試料上の微小領域の分析を行うのに好適なＸ線分析装置に関する。

電子線プローブ微小分析装置（ＥＰＭＡ）では、２０〜３０ｋｅＶ程度の中エネルギーを有する微小径の電子線を励起線として試料に照射し、それによって試料の含有成分の内殻電子が励起された際に外部に放出される固有Ｘ線（特性Ｘ線）を分析することにより、元素の同定や定量を行ったり、元素の分布を調べたりする。また、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）では一般的には電子線の照射位置から発生した二次電子や反射電子を検出するが、最近は、エネルギー分散型Ｘ線検出部を併設することでＸ線分析を可能とした装置も開発されている。

この種のＸ線分析装置では、試料上のほぼ一点とみなせる微小領域から放出される固有Ｘ線を効率良く分光する必要がある。そこで、従来、特許文献１に記載の構成のＸ線分光装置が知られている。図６はこのＸ線分光装置の概略構成図、図７は図６中のマルチキャピラリＸ線レンズ３の入射側の拡大図、図８はマルチキャピラリＸ線レンズ３において１本のキャピラリ３ａ内のＸ線の通過状態を示す模式図である。

図７に示すように、マルチキャピラリ（ポリキャピラリと呼ばれることもある）Ｘ線レンズ３は例えば内径が２〜十数μｍ程度の微小径の硼珪酸ガラスから成る細管（キャピラリ）を多数（数百〜１００万本程度）束ねた基本構造を有しており、図８に示すように、１本のキャピラリ３ａの内側に入射されたＸ線がそのガラス壁の内周面を全反射しながら進行してゆく原理を利用して、Ｘ線を効率良く案内するものである（特許文献２、３など参照）。マルチキャピラリＸ線レンズには種々の形態があるが、ここで使用しているのは、入射端面側では点焦点を有し、殆ど点とみなし得るＸ線源Ｆから出たＸ線を大きな立体角で以て取り込み、出射側端面から平行ビームを出射するものである。

図６において、マルチキャピラリＸ線レンズ３はその入射側端面の点焦点が試料１上の微小領域２に来るように配置され、それにより、電子線の照射により微小領域２から放出された固有Ｘ線は効率良くマルチキャピラリＸ線レンズ３に取り込まれる。平行光化されてマルチキャピラリＸ線レンズ３から出射するＸ線は平板分光結晶４に導入されて波長分散されつつ反射され、この分散光をＸ線検出器６により検出する。この構成では、分光波長を走査する際には、平板分光結晶４は紙面に垂直な軸５を中心に角度θずつ回転駆動され、Ｘ線検出器６も軸５を中心にして平板分光結晶４の回転角θの２倍の角度２θを保つように回転駆動される。

しかしながら、この構成では次のような問題がある。即ち、図８（ａ）に示すように、マルチキャピラリＸ線レンズ３の各キャピラリ３ａの内部において、Ｘ線は臨界角以下の角度で全反射しながら進んで出射側端面に到達する。そのため、マルチキャピラリＸ線レンズ３の出射側端面から出射するＸ線は厳密には平行光ではなく、出射側端面から出射する時点で最大、臨界角程度の広がりを有している。このようにＸ線は或る程度の開き角を以て広がりながら平板分光結晶４に入射するため、それが波長分解能を低下させる一因となる。

また上記従来の構成では、平板分光結晶４の種類や上述したようなマルチキャピラリＸ線レンズ３からの出射Ｘ線の平行性などに依存して波長分解能が決まってしまうが、この種のＸ線分析装置では、分析目的によって高い波長分解能を必要とする場合とそうでない場合とがある。例えば試料の微小領域の精密な元素分析や化学状態分析などを行うためには波長分解能の高いスペクトルを取得する必要があるが、微量成分分析などを行う場合にはそれほど高い波長分解能は要求されないものの高い検出感度が必要となる。そこで、波長分解能を任意に設定可能であれば、分析目的等に応じてより的確な分析データを収集することができるようになる。

特開２００４−２９４１６８号公報 特公平７−１１６００号公報 特公平７−４００８０号公報 特開平１０−２３２２０９号公報

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その第１の目的とするところは、微小径に集束された電子線などの照射に応じて試料上の微小領域から放出されるＸ線を分光分析する際の波長分解能を向上させることができるＸ線分析装置を提供することである。

また本発明の第２の目的とするところは、簡単な構成で以てユーザーの要望に応じて波長分解能を適宜に設定できるようにしたＸ線分析装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明は、試料上のほぼ点とみなせる微小領域から放出されるＸ線を分光分析するＸ線分析装置であって、
a)試料に向いた入射端面側で点焦点を有し、出射端面側で略平行光を出射するマルチキャピラリＸ線レンズと、
b)該マルチキャピラリＸ線レンズで平行光化されたＸ線を波長分散するＸ線分光器と、
c)該Ｘ線分光器により分光されたＸ線を検出するＸ線検出器と、
d)前記マルチキャピラリＸ線レンズと前記Ｘ線分光器との間の分散前Ｘ線光路上及び前記Ｘ線分光器と前記Ｘ線検出器との間の分散後Ｘ線光路上にそれぞれ配置されたソーラースリットと、
を備えることを特徴としている。

本発明に係るＸ線分析装置において、分散前Ｘ線光路上と分散後Ｘ線光路上とにそれぞれ配置されたソーラースリットは、マルチキャピラリＸ線レンズから出射してＸ線分光器に向かうＸ線及びＸ線分光器で回折されてＸ線検出器に向かうＸ線束の中で平行でない成分をそれぞれ除去し、その平行性を高める。これにより、ソーラースリットは、分光分析には妨害となる散乱線を排除する機能と波長分解能を向上させる機能とを持つ。

したがって本発明に係るＸ線分析装置によれば、試料上のほぼ点とみなせる微小領域から放出されたＸ線を効率良く収集するマルチキャピラリＸ線レンズからの出射Ｘ線の広がりの影響を軽減し、従来のＸ線分析装置よりも波長分解能を向上させることができる。

また、ソーラースリットは入射した来たＸ線の中で平行でない成分を吸収することにより除去するから、少なくともその分だけＸ線強度は減衰することになり、Ｘ線の平行性を高めようとしてソーラースリットのスリット開き角を狭めるほどＸ線強度の減衰は大きくなって分析感度の低下をもたらす。即ち、この場合、分析感度と波長分解能とはトレードオフの関係にあるため、必要以上に波長分解能を上げようとしてスリット開き角の狭いソーラースリットを用いることは適当でない。

そこで、本発明に係るＸ線分析装置の一態様として、好ましくは、前記分散前Ｘ線光路上及び分散後Ｘ線光路上に配置されたソーラースリットはいずれも平行平板型構造であって、一方のソーラースリットのスリット開き角を切り換える切り換え手段をさらに備える構成とするとよい。

具体的に上記切り換え手段は、例えば、スリット開き角の異なる複数のソーラースリットを機械的に移動させることでＸ線光路上に選択的に挿入・退避させる構成とすることができる。この構成によれば、例えば試料の元素分析、化学状態分析などを行うために分析感度よりも波長分解能を優先したスペクトルを取得したいような場合には、スリット開き角が相対的に狭いソーラースリットをＸ線光路上に挿入すればよい。一方、例えば微量成分分析などを行うために波長分解能よりも分析感度を優先したい場合には、スリット開き角が相対的に広いソーラースリットをＸ線光路上に挿入すればよい。

このように上記構成によるＸ線分析装置によれば、分析目的や試料の種類などに応じてユーザーが波長分解能と分析感度とのバランスを考慮して適宜の条件を設定することができる。それによって、分析目的等に応じた的確なデータを得ることができる。

また、一方のソーラースリットのスリット開き角を固定し、他方のソーラースリットのスリット開き角を可変とする場合には、分散後Ｘ線光路上のソーラースリットのスリット開き角を固定とし、分散前Ｘ線光路上のソーラースリットのスリット開き角を上記切り換え手段により切り換え可能とした構成とするとよい。なお、このとき分散後Ｘ線光路上のソーラースリットのスリット開き角は中程度のものに固定しておくとよい。

この構成によれば、波長分解能を相対的に下げる代わりに分析感度を上げたい場合に、Ｘ線分光器の手前でソーラースリットのスリット開き角が広げられてＸ線強度の減衰が抑えられるため、特に分析感度を高くするのに有利である。

もちろん、上記構成とは逆に、分散前Ｘ線光路上のソーラースリットのスリット開き角を固定とし、分散後Ｘ線光路上のソーラースリットのスリット開き角を上記切り換え手段により切り換え可能な構成としても構わない。

またソーラースリットのスリット開き角を切り換える構成においてＸ線分光器の分光結晶は同じであってもよいが、好ましくは、Ｘ線分光器は分光特性の相違する複数の分光結晶とこれを切り換える結晶切り換え手段とを含み、該結晶切り換え手段による分光結晶の切り換えと上記切り換え手段によるソーラースリットのスリット開き角の切り換えとを対応付けて行えるような構成とするとよい。

この構成では、波長分解能より分析感度を優先する分析を行いたい場合、或いは逆に分析感度より波長分解能を優先する分析を行いたい場合、のそれぞれにおいて、最適分光結晶を選択するとともにそれに応じてソーラースリットのスリット開き角の設定を行う。これにより、同一の分光結晶を用いる場合に比べて同じ波長分解能でも分析感度を高めることができる。

なお、本発明に係るＸ線分析装置では、分散後Ｘ線光路上のソーラースリットがＸ線検出器と一体化されている構成とすることができる。これによれば、Ｘ線検出器の直近にソーラースリットが配置されるので散乱Ｘ線等の影響をより確実に除去することができる。また、ソーラースリットとＸ線検出器との相対位置が決まっているので、本装置の組立や位置調整などの作業が行い易くなる。

［実施例１］
本発明に係るＸ線分析装置の一実施例（実施例１）について説明する。図１は本実施例によるＸ線分析装置のＸ線光学系の概略構成図である。既に説明した図６中に記載の構成要素と同一の構成要素については同一符号を付して詳しい説明を省略する。

この実施例１によるＸ線分析装置では、試料１上の微小領域２付近に入射側端面の点焦点を有するマルチキャピラリＸ線レンズ３と本発明におけるＸ線分光器である平板分光結晶４との間の分散前Ｘ線光路上に第１ソーラースリット７が挿入され、平板分光結晶４とＸ線検出器６との間の分散後Ｘ線光路上に第２ソーラースリット８が挿入されている。第１ソーラースリット７はマルチキャピラリＸ線レンズ３の出口に固定されて一体化され、一方、第２ソーラースリット８はＸ線検出器６の入口に固定されて一体化されている。第１及び第２ソーラースリット７、８はいずれもステンレス等、Ｘ線を吸収する材料から成る薄板（スリット板）を所定間隔離して多数枚重ねた平行平板型構造である。通常、スリット開き角は重なったスリット板の開口幅とＸ線の通過方向の長さとによって決まる。

図１の構成において、電子銃１０から出射された電子線は位置走査のための偏向コイル１１を介して試料１上の微小領域２に照射される。この電子線により励起されて微小領域２から放出された固有Ｘ線はマルチキャピラリＸ線レンズ３により効率良く収集されて平行光に変換される。マルチキャピラリＸ線レンズ３から出射するＸ線は上述したような理由により完全な平行光ではなく或る程度の広がり角度を有しているが、第１ソーラースリット７を通過する際に平行でない成分はスリット板に吸収されるため、平行性の高まったＸ線が平板分光結晶４に当たり波長分散される。これにより、或る回折角で以て反射してＸ線検出器６に向かうＸ線の波長のばらつきは小さくなり、つまり高い波長分解能を有する分光Ｘ線となる。

この分光Ｘ線はＸ線検出器６の手前にある第２ソーラースリット８を通過するが、その際に、所望の分光Ｘ線と平行でない方向から入射する散乱Ｘ線はスリット板に吸収される。したがって、こうした不要なＸ線は除去され、所望の分光Ｘ線の純度が高まってＸ線検出器６に到達し、Ｘ線検出器６により検出される。
以上のように、実施例１の構成のＸ線分析装置では、平板分光結晶４の上手側と下手側とにそれぞれ挿入された２つのソーラースリット７、８の作用により波長分解能が向上する。

上記実施例１によるＸ線分析装置では平板分光結晶４の上手側と下手側とにそれぞれ第１、第２ソーラースリット７、８を備えていたが、いずれか一方だけでも図６に示した従来の構成に比べれば波長分解能を改善することが可能である。図２は本発明には含まれない参考例によるＸ線分析装置の概略構成図であり、この構成では、平板分光結晶４とＸ線検出器６との間の分散後Ｘ線光路上にのみソーラースリット８を設けている。この場合、マルチキャピラリＸ線レンズ３から出射した或る程度の広がりを有するＸ線が平板分光結晶４に当たるものの、平板分光結晶４で回折された分光Ｘ線の中で目的波長のＸ線とは平行でないＸ線はソーラースリット８で除去されるので波長分解能を高めることができる。

［実施例２］
上記実施例１では波長分解能は固定である。それに対し、以下の実施例２〜４はいずれも波長分解能とこれとトレードオフの関係にある感度とを選択できるようにしたものである。図３は実施例２によるＸ線分析装置のＸ線光学系の概略構成図である。実施例２のＸ線分析装置では、実施例１と同様に分散前Ｘ線光路と分散後Ｘ線光路とのそれぞれに第１、第２ソーラースリット７、８を配置しているが、その第１、第２ソーラースリット７、８ではいずれも、スリット開き角の相違する２種類のソーラースリット７ａ、７ｂ（又は８ａ、８ｂ）が切り換え機構１０、１１により切り換え可能とされている。

切り換え機構１０、１１としては各種の形態が考え得るが、例えば、直線状スライド移動機構や回転移動機構などにより２つのソーラースリットのいずれかを選択的にＸ線光路上に挿入又は退避させる構成とすればよく、その機構はツマミ等の操作体をユーザーが操作することで手動で動作するものでも、或いは、モータ等の駆動機構を利用してユーザーのスイッチ操作に応じて自動的に動作するものでもよい。ソーラースリットのスリット開き角が広いほど通過するＸ線の平行性は悪化するため波長分解能は下がるものの、通過するＸ線の減衰は小さくなるためＸ線検出器６で検出されるＸ線の強度は高くなり感度は上がる。したがって、ユーザーは分析目的等に応じて所定の操作を行うことで各ソーラースリット７、８で適当なスリット開き角のソーラースリットを選択し、その選択条件の下で分光分析を実行すればよい。

［実施例３］
図４は実施例３によるＸ線分析装置のＸ線光学系の概略構成図である。この実施例３のＸ線分析装置では、分散前Ｘ線光路上に配置した第１ソーラースリット７のみをスリット開き角変更可能とし、分散後Ｘ線光路上に配置した第２ソーラースリット８はスリット開き角を固定としている。この場合、第２ソーラースリット８のスリット開き角は第１ソーラースリット７のスリット開き角に比べて相対的に大きくなるように決め、第１ソーラースリット７でスリット開き角の異なる２つのソーラースリット７ａ、７ｂを適宜に選択することで波長分解能と感度とを決めることができる。

なお、図４の構成とは逆に、第１ソーラースリット７のスリット開き角を固定し、第２ソーラースリット８のスリット開き角を可変とする構成としてもよい。但し、分散前Ｘ線光路においてＸ線強度が或る程度減衰されてしまうと第２ソーラースリット８のスリット開き角の変更によるＸ線強度の調節幅が小さくなって、分析感度を上げるには不利である。したがって、図４の構成のように分散前Ｘ線光路上でＸ線強度の減衰を調節したほうが、分析感度を上げるには有利である。

［実施例４］
図５は実施例４によるＸ線分析装置のＸ線光学系の概略構成図である。この実施例４のＸ線分析装置は実施例２と同様に分散前Ｘ線光路上と分散後Ｘ線光路上とのそれぞれにスリット開き角可変のソーラースリット７、８が設けられているが、次の２点において実施例２とは異なる。即ち、その１つは、ホルダ４１に装着された異なる分光特性を有する複数（ここで４個）の平板分光結晶４２、４３、４４、４５が、切り換え機構１２により切り換え可能になっていることである。分光結晶としては、例えばＬＳＡ（人工多層膜）、ＰｂＳＴ（鉛ステアレート）、ＬＩＦ、ＡＤＰ、ＲＡＰ、ＰＥＴなどを利用することができる。例えば同一の波長領域を分光するＬＳＡとＰｂＳＴとでは波長分解能が相違し、後者のほうが波長分解能が高い。また、実施例２と異なる他の１つは、第２ソーラースリット８にあってスリット開き角の相違するソーラースリット８ａ、８ｂ毎に検出特性の相違するＸ線検出器６ａ、６ｂが設けられていることである。例えばスリット開き角が相対的に広いソーラースリット８ｂに対応したＸ線検出器６ｂとしてガスフロータイプの比例計数管、スリット開き角が相対的に狭いソーラースリット８ａに対応したＸ線検出器６ａとしてガス封入型の比例計数管が用いられる。

ユーザーは分析目的等に応じて、切り換え機構１２により適当な分光特性の分光結晶を選択してマルチキャピラリＸ線レンズ３から到来するＸ線が当たる位置にセットし、その分光結晶の特性に合わせて各ソーラースリット７、８でスリット開き角を選択する。これによって、それぞれの分光結晶の分光特性を活かした分光分析が行え、実施例３の構成よりもさらに波長分解能を高めつつ、可能な範囲で分析感度も確保することができる。

ｓ
なお、上記実施例は本発明の一例であるから、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正又は追加を行っても本願請求項に包含されることは当然である。
例えば、上記実施例１〜５に対応した図１〜図５ではマルチキャピラリＸ線レンズ３をほぼ直線状の形態で描いているが、マルチキャピラリＸ線レンズ３はその特性上湾曲させることができるから、試料１に対する平板分光結晶４の位置はかなり自由に決めることができる。

本発明の一実施例であるＸ線分析装置のＸ線光学系の概略構成図。 本発明には含まれない参考例であるＸ線分析装置のＸ線光学系の概略構成図。 本発明の他の実施例であるＥＭＰＡのＸ線光学系の概略構成図。 本発明の他の実施例であるＥＭＰＡのＸ線光学系の概略構成図。 本発明の他の実施例であるＥＭＰＡのＸ線光学系の概略構成図。 従来のＥＭＰＡのＸ線光学系の概略構成図。 図６中のマルチキャピラリＸ線レンズの入射側の拡大図。 マルチキャピラリＸ線レンズにおいて１本のキャピラリ内のＸ線の通過状態を示す模式図。

符号の説明

１…試料
１０…電子銃
１１…偏向コイル
２０、２１、２２…切り換え機構
２…微小領域
３…マルチキャピラリＸ線レンズ
４、４２、４３、４４、４５…平板分光結晶
４１…ホルダ
６、６ａ、６ｂ…Ｘ線検出器
７、７ａ、７ｂ、８、８ａ、８ｂ…ソーラースリット

Claims (5)

1. 試料上のほぼ点とみなせる微小領域から放出されるＸ線を分光分析するＸ線分析装置であって、
   a)試料に向いた入射端面側で点焦点を有し、出射端面側で略平行光を出射するマルチキャピラリＸ線レンズと、
   b)該マルチキャピラリＸ線レンズで平行光化されたＸ線を波長分散するＸ線分光器と、
   c)該Ｘ線分光器により分光されたＸ線を検出するＸ線検出器と、
   d)前記マルチキャピラリＸ線レンズと前記Ｘ線分光器との間の分散前Ｘ線光路上及び前記Ｘ線分光器と前記Ｘ線検出器との間の分散後Ｘ線光路上にそれぞれ配置されたソーラースリットと、
   を備えることを特徴とするＸ線分析装置。
2. 前記分散前Ｘ線光路上及び分散後Ｘ線光路上に配置されたソーラースリットはいずれも平行平板型構造であって、分散後Ｘ線光路上のソーラースリットのスリット開き角を固定とし、分散前Ｘ線光路上のソーラースリットのスリット開き角を切り換え手段により切り換え可能としたことを特徴とする請求項１に記載のＸ線分析装置。
3. 前記分散前Ｘ線光路上及び分散後Ｘ線光路上に配置されたソーラースリットはいずれも平行平板型構造であって、分散前Ｘ線光路上のソーラースリットのスリット開き角を固定とし、分散後Ｘ線光路上のソーラースリットのスリット開き角を切り換え手段により切り換え可能としたことを特徴とする請求項１に記載のＸ線分析装置。
4. 前記Ｘ線分光器は分光特性の相違する複数の分光結晶とこれを切り換える結晶切り換え手段とを含み、該結晶切り換え手段による分光結晶の切り換えと前記切り換え手段によるソーラースリットのスリット開き角の切り換えとを対応付けて行えるようにしたことを特徴とする請求項２又は３に記載のＸ線分析装置。
5. 前記分散後Ｘ線光路上のソーラースリットは前記Ｘ線検出器と一体化されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のＸ線分析装置。

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