(57)【要約】【課題】  試料から軟Ｘ線分光装置に向う軟Ｘ線をできるだけ多く回折格子に入射させて、検出される軟Ｘ線の強度を高めた軟Ｘ線分光装置を提供する。【解決手段】  入射する軟Ｘ線を回折する回折格子と、回折格子によって回折された軟Ｘ線を検出する検出器とを備える軟Ｘ線分光装置おいて、回折格子に入射する軟Ｘ線の中心光線を挟み、回折格子に垂直で中心光線を含む平面に平行かつ中心光線に垂直な方向の曲率が０の一対のミラーを備えて、回折格子の傍らに向って進む軟Ｘ線を、ミラーによって反射して回折格子に入射させる。【選択図】      図１
2010160034.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射する軟Ｘ線を回折する回折格子と、前記回折格子によって回折された軟Ｘ線を検出する検出器とを備える軟Ｘ線分光装置であって、
前記回折格子に入射する軟Ｘ線の中心光線を挟み、前記回折格子に垂直で前記中心光線を含む平面に平行かつ前記中心光線に垂直な方向の曲率が０の一対のミラーを備えることを特徴とする軟Ｘ線分光装置。
【請求項２】
前記一対のミラーが、前記平面に平行かつ前記中心光線に垂直な方向に軸を有する円筒凹面ミラーであることを特徴とする請求項１記載の軟Ｘ線分光装置。
【請求項３】
前記一対のミラーが前記平面に関して対称であることを特徴とする請求項１または２記載の軟Ｘ線分光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軟Ｘ線分光装置に関し、特に、軟Ｘ線分光装置における入射軟Ｘ線の利用効率を向上させる分光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
軟Ｘ線発光分光法は、Ｘ線または電子線を試料に照射して、発生する軟Ｘ線を分光分析する方法であり、試料に含まれる物質の電子状態を知ることができる。しかしながら、試料における軟Ｘ線発光は等方的に生じる発光現象、つまり、光学的には発散光源となる。このため、分析に用いられる軟Ｘ線分光装置では、試料が発する全軟Ｘ線のうち、限れた方向に進む一部のみが検出されることになる。
【０００３】
軟Ｘ線分光装置には、分光を行うための回折格子と、分光後の軟Ｘ線を検出するための検出器とが備えられる（たとえば特許文献１参照）。従来の軟Ｘ線分光装置の構成を図９に示す。軟Ｘ線分光装置は、回折格子９１と検出器９２とを備え、試料Ｓに対してＸ線または電子線が照射される。図９において、（ａ）は回折格子９１に垂直な平面に沿って見た平面図、（ｂ）は側面図である。可視光に比べて遥かに短波長である軟Ｘ線（波長１ｎｍ程度）のための回折格子９１は、図９（ｂ）に示したように、入射角が極めて大きい（９０°に近い）斜入射配置にする必要がある。
【０００４】
なお、図示しないが、分解能を高めるために、試料から回折格子９１に至る軟Ｘ線の光路に、軟Ｘ線の線束の幅を回折方向（回折格子に垂直な方向）において制限するスリットを配置したり、励起のために照射するＸ線または電子線を微小なスポットに収束させる光学系を、試料の前に配置したりしている。後者は、スリットレス分光装置と呼ばれており、スリットを備える構成と同等の分解能でありながら、試料からの軟Ｘ線の利用効率が高く、したがって検出感度が高い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−１８６１７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
軟Ｘ線分光装置では、回折格子を図９（ｂ）に示したような斜入射配置にせざるを得ないが、このような配置では原理的に回折効率は低く、試料における軟Ｘ線発光が等方的であることとあいまって、検出器に入射する分光後の軟Ｘ線の強度は低くなる。この強度の低下が、高感度での分析の障害となっており、スリットレス分光装置においても、さらなる感度向上が望まれている。
【０００７】
本発明は、試料から軟Ｘ線分光装置に向う軟Ｘ線をできるだけ多く回折格子に入射させることによって、検出される軟Ｘ線の強度を高め、検出感度を高めることができる軟Ｘ線分光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】
【０００８】
本発明は、入射する軟Ｘ線を回折する回折格子と、前記回折格子によって回折された軟Ｘ線を検出する検出器とを備える軟Ｘ線分光装置であって、前記回折格子に入射する軟Ｘ線の中心光線を挟み、前記回折格子に垂直で前記中心光線を含む平面に平行かつ前記中心光線に垂直な方向の曲率が０の一対のミラーを備える軟Ｘ線分光装置である。
【０００９】
また本発明は、前記一対のミラーが、前記平面に平行かつ前記中心光線に垂直な方向に軸を有する円筒凹面ミラーであることを特徴とする。
【００１０】
さらにまた本発明は、前記一対のミラーが前記平面に関して対称であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の軟Ｘ線分光装置によれば、回折格子に入射する軟Ｘ線の中心光線を挟み、回折格子に垂直で前記中心光線を含む平面に平行かつ前記中心光線に垂直な方向の曲率が０の一対のミラーを備えるので、回折格子の傍らに向って進み、ミラーが存在しなければ回折格子に入射しないはずの軟Ｘ線を、ミラーによって反射させて回折格子に入射させることが可能である。したがって、回折格子に入射する軟Ｘ線の量が多くなり、回折格子によって回折され、検出器によって検出される軟Ｘ線の強度が高まる。
【００１２】
また本発明によれば、一対のミラーは、回折格子に垂直で前記中心光線を含む平面に平行かつ前記中心光線に垂直な方向に曲率を有していないから、回折格子に対する軟Ｘ線の角度を前記平面に平行な方向には変化させない。したがって、ミラーは回折格子による回折に影響を及ぼさない。このため、既存の軟Ｘ線分光装置に一対のミラーを付加して本発明の軟Ｘ線分光装置とする場合でも、光学系の設計変更は不要である。
【００１３】
また本発明によれば、一対のミラーが、前記平面に平行かつ前記中心光線に垂直な方向に軸を有する円筒凹面ミラーである構成では、発散しつつある軟Ｘ線をミラーによって収束させることが可能であり、ミラーを大きくして反射する軟Ｘ線を多くしながら、反射した軟Ｘ線を全て回折格子に入射させることが容易になる。
【００１４】
一対のミラーが前記平面に関して対称である構成では、設計が容易である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態の軟Ｘ線分光装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明の一実施形態の軟Ｘ線分光装置の光学系全体、回折格子および検出器を規定するパラメータを示す図である。
【図３】本発明の一実施形態の軟Ｘ線分光装置の一対のミラーを規定するパラメータを示す図である。
【図４】本発明の一実施形態の軟Ｘ線分光装置の設置における可変因子を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態の軟Ｘ線分光装置の設置における可変因子の誤差と、検出される軟Ｘ線の強度およびピーク幅との関係を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態の軟Ｘ線分光装置についてのレイトレースによる分解能計算の結果を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態の軟Ｘ線分光装置において、水を試料とした場合の、検出器上の軟Ｘ線の像を示す図である。
【図８】図７の領域Ａにおける強度分布を示す図である。
【図９】従来の軟Ｘ線分光装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら、本発明の軟Ｘ線分光装置について説明する。図１に、本発明の一実施形態の軟Ｘ線分光装置１の構成を模式的に示す。この軟Ｘ線分光装置１は、試料Ｓに電子線またはＸ線を照射して、試料Ｓから軟Ｘ線を発生させる軟Ｘ線発光装置と共に、軟Ｘ線発光分光システムの一部を構成する。軟Ｘ線分光装置１は、回折格子２および検出器３を備えており、試料Ｓからの軟Ｘ線を回折格子２によって回折し、回折した軟Ｘ線を検出器３で検出する。なお、本実施形態の軟Ｘ線分光装置１はスリットレス分光装置であるが、本発明は、試料Ｓから回折格子２に至る軟Ｘ線の光路上にスリットを備える軟Ｘ線分光装置にも、適用可能である。
【００１７】
図１において、（ａ）は回折格子２に垂直な平面に沿って見た平面図、（ｂ）は側面図である。なお、図示したように、回折格子２に入射する軟Ｘ線の中心光線Ｘ０の進行方向をＺ方向、回折格子２に入射する軟Ｘ線の中心光線Ｘ０を含み回折格子２に垂直な面内で、Ｚ方向に垂直な方向をＹ方向、Ｚ方向およびＹ方向に垂直な方向をＸ方向と定義する。
【００１８】
回折格子２は、エネルギが２００〜１４００ｅＶ（６〜０．９ｎｍの波長に相当）の範囲の軟Ｘ線を回折するように設計されている。回折格子２の各格子（刻線）はＸ方向に延在しており、回折格子２はＹ方向にのみ回折能を有する。回折格子２に入射する軟Ｘ線には、そのエネルギ（波長）に応じた回折角での回折が生じ、これによって分光がなされる。
【００１９】
検出器３は、上記エネルギ範囲の軟Ｘ線に対して感度を有し、入射した軟Ｘ線を電荷に変換する微小な素子が、軟Ｘ線の入射面に２次元に多数配列された、ＣＣＤ型の検出器である。検出器３は、その出力信号を処理する信号処理装置（不図示）に接続されている。
【００２０】
軟Ｘ線分光装置１は、一対のミラー５を備えている。ミラー５は、試料Ｓと回折格子２との間に、回折格子２に入射する軟Ｘ線の中心光線Ｘ０を挟むように、配置されている。これらのミラー５は、回折格子２に垂直で中心光線Ｘ０を含む平面（Ｙ−Ｚ平面）に平行かつ中心光線Ｘ０に垂直な方向の曲率が、０である。つまり、ミラー５はＹ方向には曲率を有していない。また、ミラー５は、回折格子２に垂直で中心光線Ｘ０を含む前記平面（Ｙ−Ｚ平面）に関して、対称である。ミラー５は、試料Ｓ寄りの端部よりも回折格子２寄りの端部の間隔が広くなるように、概ね対向する形態で配設されている。
【００２１】
ミラー５は、Ｘ方向において回折格子２の傍らに向う軟Ｘ線を反射して、回折格子２に入射させる。したがって、ミラー５が存在しなければ回折格子２には入射しないはずの軟Ｘ線も、ミラー５により反射されて、回折格子２に入射することになる。その結果、回折格子２で回折され検出器３によって検出される軟Ｘ線の強度が、ミラー５を設けない構成に比べて向上する。
【００２２】
ミラー５の反射面は、試料Ｓ寄りの端部から回折格子２寄りの端部にわたる範囲で反射した軟Ｘ線の全てが、回折格子２に入射するように、曲面とされている。ただし、ミラー５は、前述のようにＹ方向については曲率を有しておらず、円筒ミラーである。このため、回折格子２に対する軟Ｘ線のＹ方向における角度が、ミラー５で反射されることによって変化することはない。したがって、ミラー５を経ることなく直接回折格子２に入射する軟Ｘ線と、ミラー５で反射されて回折格子２に入射する軟Ｘ線とで、Ｙ方向については、回折格子２上の入射位置に差異は生じず、また、回折格子２に対する入射角も同じである。したがって、分解能をはじめとする回折格子２の回折特性は、理論的にミラー５の存在にかかわらず不変である。
【００２３】
これは、既存の軟Ｘ線分光装置に、設計変更を伴うことなく、ミラー５を取付け得ることを意味しており、既存の軟Ｘ線分光装置の簡便な改良方法を提供する。
【００２４】
軟Ｘ線分光装置１の光学系全体、回折格子２および検出器３を規定するパラメータを図２に示し、パラメータの値を表１に示す。図２および表１において、ｒは、試料Ｓから回折格子２の中心までの距離（回折格子２に入射する軟Ｘ線の中心光線Ｘ０の光路長）を表し、ｒ’は回折格子２の中心から検出器３の中心までの距離を現す。なお、検出器３の中心には、４５０ｅＶの軟Ｘ線が入射するように、設定されている。
【００２５】
αは、試料Ｓと回折格子２の中心とを結ぶ直線（回折格子２に入射する軟Ｘ線の中心光線Ｘ０の光路）と回折格子２の中心における法線との成す角を表し、β０は、回折格子２の中心と検出器３の中心とを結ぶ直線と回折格子２の中心における法線との成す角を表す。θは、回折格子２の中心と検出器３の中心とを結ぶ直線と検出器３の法線との成す角を表す。
【００２６】
【表１】
2010160034.tif 000003
【００２７】
回折格子２は、下記式（１）に従って定義される円筒不等間隔刻線回折格子である。
ｄ（ｗ）＝ｄ０／｛１＋（２ｂ２／Ｒ）ｗ＋（３ｂ３／Ｒ）ｗ２
＋（４ｂ４／Ｒ）ｗ３｝                                …（１）
【００２８】
ここで、ｗは、刻線の並び方向（個々の刻線に対して垂直な方向）における中心からの距離（出射側が正、入射側が負）であり、ｄ（ｗ）は、距離ｗの位置における刻線本数であり、ｄ０は、中心における刻線本数であり、Ｒは曲率半径である。また、ｈは、回折格子２の格子の高低差（刻線の深さ）を表す。なお、回折格子２のパラメータは、検出器３への入射角も含めて、最適化されている。
【００２９】
ミラー５を規定するパラメータを図３に示し、パラメータの値を表２に示す。図３および表に２おいて、ｒｍは、試料Ｓから一対のミラー５の中心間の中点までの距離を表し、αｍは、ミラー５の中心における接線のＸ方向の傾きを表し、Ｄは、中心におけるミラー５の間隔を表す。また、Ｒｍは、曲率半径を表している。
【００３０】
【表２】
2010160034.tif 000004
【００３１】
なお、本実施形態においては、ミラー５をＹ方向に軸を有する円筒ミラーとしているが、ミラー５に代えて一対の平面ミラーを採用してもよい。しかし、円筒ミラーとする方が、同じ大きさであっても回折格子２に入射する軟Ｘ線の量を多くすることができるので、好ましい。
【００３２】
ミラー５および試料Ｓの設置誤差が、検出器３による検出に及ぼす影響について説明する。ミラー５および試料Ｓの設置における可変因子を図４に示す。試料ＳのＸ方向の位置ΔＸ、ミラー５のＹ方向周りの角ΔθｙおよびＺ方向周りの角Δθｚが、調整可能である。分解能および検出効率は他の因子の誤差には鈍感なので、位置ΔＸ、角Δθｙ、Δθｚ以外の因子は固定する。上記３因子の誤差と、検出器３によって検出される軟Ｘ線の強度およびピーク幅との関係を、図５に示す。
【００３３】
試料ＳのＸ方向の位置の誤差ΔＸは、図５（ａ）に示すように、効率への影響が大きく、±１．０ｍｍの誤差で強度が半減する。±０．５ｍｍの精度で調整することで、約８５％の強度を確保することが可能である。
【００３４】
ミラー５のＹ方向周りの角の誤差Δθｙも、図５（ｂ）に示すように、効率への影響が大きい。±０．３°の誤差で強度は半減する。±０．２５°の精度で調整することで、約８５％の強度を確保することが可能である。
【００３５】
ミラー５のＺ方向周りの角の誤差Δθｚは、図５（ｃ）に示すように、ピーク幅つまり分解能への影響が大きい。±０．４°の誤差でピーク幅は倍増（分解能は半減）する。±０．１°の精度で調整することで、分解能の低下をほとんど防止することが可能である。
【００３６】
なお、上記３因子は、検出器３で検出される光量および像を観察しながら、調整することが可能である。ミラー５は、角度調整後に固定する。
【００３７】
レイトレースによる分解能計算の結果を図６に示す。図６において、（ａ）は、ミラー５を備えたときと備えないときの、スポットサイズを１０μｍ，５μｍおよび１μｍとした場合のエネルギ分解能を示しており、（ｂ）は、ミラー５を備えスポットサイズを１μｍとしたとき（（ａ）の曲線Ｂの条件）の、検出器３上での距離と強度分布の関係を表している。図６（ａ）から明らかなように、分解能を特に高くする場合を除いて、ミラー５を備えることに起因する分解能の大きな低下はない。また、図６（ｂ）から明らかなように、収差が現れるものの、充分な分解能が達成される。
【００３８】
水を試料Ｓとした場合の、検出器３上の軟Ｘ線の像を図７に示す。図７において、（ａ）はミラー５を備える場合、（ｂ）はミラー５を備えない場合を表している。領域Ａに、水分子の酸素原子の１ｓ軌道の発光が現れている。領域Ｂに現れているのは、試料の容器の窓の構成材料であるＳｉ３Ｎ４の窒素原子の１ｓ軌道の発光である。図７（ａ）の直線Ｃ付近の強度が高くなっており、ここにミラー５によって反射された軟Ｘ線が集中していることが判る。
【００３９】
図７の領域Ａの強度分布を図８に示す。図８において、曲線（ａ）がミラー５を備えた図７（ａ）に対応し、曲線（ｂ）がミラー５を備えない図７（ｂ）に対応する。曲線下の面積で表した強度は（ａ）の方が約４倍高く、ミラー５を備えることの効果が顕著に現れている。
【符号の説明】
【００４０】
１  軟Ｘ線分光装置
２  回折格子
３  検出器
５  ミラー
Ｓ  試料
Ｘ０  中心光線
【図１】
2010160034.tif 000005
【図２】
2010160034.tif 000006
【図３】
2010160034.tif 000007
【図４】
2010160034.tif 000008
【図５】
2010160034.tif 000009
【図６】
2010160034.tif 000010
【図８】
2010160034.tif 000011
【図９】
2010160034.tif 000012
【図７】
2010160034.tif 000013