(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に照射すべき波長のＸ線を含むＸ線群を出射する管球形のＸ線発生装置であるＸ線源と、
試料が励起されることで試料から放射された蛍光を検知して対応する電気信号を出力するＸ線検出器と、
所定の厚さのグラファイトを円筒状またはトロイダル状に整形した中空体を、その中心軸を含む平面に並行に切断した少なくとも円弧状部を伴ったＸ線反射体であって、前記グラファイトの反射面の任意の一点とグラファイトによって特性Ｘ線が最も収束された点と前記グラファイトの他の反射面の任意の一点によって定義される角の最大値として定義される特性Ｘ線の発散角Δαが、３°以下に設定されて、前記Ｘ線源から試料に向かうＸ線群のうちの所定波長の特性Ｘ線を試料に集束させるＸ線集束素子と、
を有することを特徴とする蛍光Ｘ線ホログラフィー装置。
【請求項２】
試料に照射すべき波長のＸ線を含むＸ線群を出射する管球形のＸ線発生装置であるＸ線源と、試料が励起されることで試料から放射された蛍光を検知して対応する電気信号を出力するＸ線検出器と、を有する蛍光Ｘ線ホログラフィー装置において、
所定の厚さのグラファイトを円筒状またはトロイダル状に整形した中空体を、その中心軸を含む平面に並行に切断した少なくとも円弧状部を伴ったＸ線反射体であって、前記グラファイトの反射面の任意の一点とグラファイトによって特性Ｘ線が最も収束された点と前記グラファイトの他の反射面の任意の一点によって定義される角の最大値として定義される特性Ｘ線の発散角Δαが、３°以下に設定されているＸ線集束素子を用いて、前記Ｘ線源から試料に向かうＸ線群のうちの所定波長の特性Ｘ線を試料に集束させることを特徴とする蛍光Ｘ線ホログラフィー。
【請求項３】
試料に照射すべき波長のＸ線を含むＸ線群を出射する管球形のＸ線発生装置であるＸ線源と、試料が励起されることで試料から放射された蛍光を検知して対応する電気信号を出力するＸ線検出器と、Ｘ線検出器から出力された電気信号を画像処理して３次元画像を得る局所構造解析方法において、
所定の厚さのグラファイトを円筒状またはトロイダル状に整形した中空体を、その中心軸を含む平面に並行に切断した少なくとも円弧状部を伴ったＸ線反射体であって、前記グラファイトの反射面の任意の一点とグラファイトによって特性Ｘ線が最も収束された点と前記グラファイトの他の反射面の任意の一点によって定義される角の最大値として定義される特性Ｘ線の発散角Δαが、３°以下に設定されているＸ線集束素子を用いて、前記Ｘ線源から試料に向かうＸ線群のうちの所定波長の特性Ｘ線を試料に集束させることを特徴とする局所構造解析方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、蛍光Ｘ線ホログラフィー装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｘ線による評価技術は、例えばＸ線の透過能を利用して人体や構造物等の物質内部の構造を非破壊で調べるレントゲン写真（ラジオグラフ）、回折現象を利用して原子構造を調べるＸ線回折、元素固有の蛍光Ｘ線を計測して化学組成を分析する蛍光Ｘ線化学（分光）分析等が広く知られている。
【０００３】
なかでも、試料に高強度のＸ線を照射して励起させ、試料から放出される蛍光Ｘ線を検出して、物質の局所構造を解析する蛍光Ｘ線ホログラフィーが注目を浴びている。
【０００４】
蛍光Ｘ線ホログラフィーでは、近年の測定技術の向上により、他の構造解析技術を用いても評価が困難な半導体中の微量ドーパントの置換サイトの決定や、準結晶の構造解析への適用が進んでいる。
【０００５】
将来的には、磁性薄膜の短範囲構造や超伝導体の局所歪み等に代表される機能性材料の局所構造解析にも応用が期待されている。
【０００６】
なお、今日でも、強度の高いＸ線を用い、長時間に亘って蛍光Ｘ線ホログラムを計測可能な条件下では、計測されたホログラムパターンを３次元フーリエ変換して得られる干渉パターンから、原子像を３次元で観測することが可能である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、蛍光Ｘ線ホログラフィーは、非常に微弱なホログラムの信号を測定することから、これまでは、高輝度の入射Ｘ線を利用可能な大規模な放射光施設以外での測定は、困難である。
【０００８】
また、大規模な放射光施設を利用することは、その利用時間および利用コストから制限を受けるため、基礎研究レベルで、手軽に多くの材料の構造解析が可能な実験設備の開発が切望されている。
【０００９】
なお、通常、試料から放射される蛍光Ｘ線のホログラムパターンの強度は、そのバックグランドとなる蛍光Ｘ線の強度の１／１０００程度であり、ホログラムパターンを得ることが可能であっても、研究室レベルでは数週間ないし２ヶ月程度の時間が要求される場合が一般的である。
【００１０】
このことから、発明者を含む研究グループでは、文献「まてりあ，第３８巻第１号（１９９９）」に示したような特定形状のＸ線集光素子を用いて試料に照射されるＸ線の強度を高め、周知の管球形のＸ線発生装置から出射されるＸ線強度に比較して、２００倍程度のＸ線強度を得ている。
【００１１】
しかしながら、Ｘ線集光素子を用いたとしても、所定カウント数の蛍光Ｘ線を得るためには、研究室レベルでは、依然として数週間程度の日数が必要である。
【００１２】
この発明の目的は、短時間で所定カウント数の蛍光Ｘ線を取得してホログラム（Ｘ線干渉）パターンを得ることのできる蛍光Ｘ線ホログラフィー装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明は、試料に照射すべき波長のＸ線を含むＸ線群を出射する管球形のＸ線発生装置であるＸ線源と、試料が励起されることで試料から放射された蛍光を検知して対応する電気信号を出力するＸ線検出器と、所定の厚さのグラファイトを円筒状またはトロイダル状に整形した中空体を、その中心軸を含む平面に並行に切断した少なくとも円弧状部を伴ったＸ線反射体であって、前記グラファイトの反射面の任意の一点とグラファイトによって特性Ｘ線が最も収束された点と前記グラファイトの他の反射面の任意の一点によって定義される角の最大値として定義される特性Ｘ線の発散角Δαが、３°以下に設定されて、前記Ｘ線源から試料に向かうＸ線群のうちの所定波長の特性Ｘ線を試料に集束させるＸ線集束素子と、を有することを特徴とする蛍光Ｘ線ホログラフィー装置を提供するものである。
【００１４】
またこの発明は、試料に照射すべき波長のＸ線を含むＸ線群を出射する管球形のＸ線発生装置であるＸ線源と、試料が励起されることで試料から放射された蛍光を検知して対応する電気信号を出力するＸ線検出器と、を有する蛍光Ｘ線ホログラフィー装置において、
所定の厚さのグラファイトを円筒状またはトロイダル状に整形した中空体を、その中心軸を含む平面に並行に切断した少なくとも円弧状部を伴ったＸ線反射体であって、前記グラファイトの反射面の任意の一点とグラファイトによって特性Ｘ線が最も収束された点と前記グラファイトの他の反射面の任意の一点によって定義される角の最大値として定義される特性Ｘ線の発散角Δαが、３°以下に設定されているＸ線集束素子を用いて、前記Ｘ線源から試料に向かうＸ線群のうちの所定波長の特性Ｘ線を試料に集束させることを特徴とする蛍光Ｘ線ホログラフィーを提供するものである。
【００１５】
さらにこの発明は、試料に照射すべき波長のＸ線を含むＸ線群を出射する管球形のＸ線発生装置であるＸ線源と、試料が励起されることで試料から放射された蛍光を検知して対応する電気信号を出力するＸ線検出器と、Ｘ線検出器から出力された電気信号を画像処理して３次元画像を得る局所構造解析方法において、所定の厚さのグラファイトを円筒状またはトロイダル状に整形した中空体を、その中心軸を含む平面に並行に切断した少なくとも円弧状部を伴ったＸ線反射体であって、前記グラファイトの反射面の任意の一点とグラファイトによって特性Ｘ線が最も収束された点と前記グラファイトの他の反射面の任意の一点によって定義される角の最大値として定義される特性Ｘ線の発散角Δαが、３°以下に設定されているＸ線集束素子を用いて、前記Ｘ線源から試料に向かうＸ線群のうちの所定波長の特性Ｘ線を試料に集束させることを特徴とする局所構造解析方法を提供するものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１７】
図１は、この発明の実施の形態が適用可能なＸ線ホログラフィー装置の一例を示す概略図である。
【００１８】
Ｘ線ホログラフィー装置１は、連続した波長のＸ線および所定波長の特性Ｘ線を放射するＸ線源すなわちＸ線発生装置３、測定対象である試料Ｏを保持し、所定の回転数で回転させる回転ステージ５および試料Ｏから出射されるＸ線（蛍光Ｘ線）の干渉（ホログラム）パターンを検出するＸ線検出器７を有している。Ｘ線検出器７の出力は、画像処理装置、例えばパーソナルコンピュータＰＣに図示しないインタフェースを介して記憶される。
【００１９】
回転ステージ５とＸ線発生装置３との間の所定位置には、Ｘ線発生装置３から試料Ｏに向けられる連続した波長のＸ線のうちの所定の波長のＸ線すなわち特性Ｘ線を、試料Ｏの所定の領域（任意の一点）に集束させるＸ線集束素子９が設けられている。なお、Ｘ線集束素子９と試料Ｏ（回転ステージ５）との間に、試料（測定対象）Ｏに照射されるＸ線の強度をモニタするモニタ装置（Ｉ０モニタ）が設けられてもよい。また、回転テーブル５とＸ線検出器７を、詳述しないが２軸ステージまたはターンテーブル上に配置することで、以下に説明する入射Ｘ線と試料Ｏとのなす角、すなわち試料Ｏに照射されるＸ線の角度（励起Ｘ線の照射角）を所定の範囲内で任意に設定可能である。
【００２０】
Ｘ線発生装置３は、例えば回転対陰極型のＸ線管である。図１に示した蛍光Ｘ線ホログラフィー装置では、マックサイエンス社製で、陽極ターゲットにＭｏを用いた定格出力が２１ｋＷのＸ線発生装置を利用している。もちろん、所定強度以上のＸ線を発生可能であれば、特に回転対陰極型のＸ線管に限定されないことはいうまでもない。また、Ｘ線発生装置３とＸ線集束素子９との間には、図示しないが、Ｘ線集束素子９に入射するＸ線束の断面形状を所定の形状に設定可能なストッパが設けられている。
【００２１】
なお、Ｘ線発生装置３から放射される特性Ｘ線の波長は、ターゲットにＭｏを用いることで得られるＭｏＫα線の波長は、０．０７１ｎｍである。また、ターゲットがＭｏである場合は、ＭｏＫβ線も利用可能である。ＭｏＫβ線の波長は、０．０６３ｎｍである。なお、Ｋα線およびＫβ線の双方を用いることで、試料Ｏに照射される２波長のＸ線でホログラムを記録することができ、より高精度に原子像を再生させることが可能となる。
【００２２】
また、Ｘ線発生装置３から放射される特性Ｘ線の波長は、ターゲットにＷを用いることで得られるＷＬα線の波長は、０．１４７ｎｍである。また、ターゲットがＷである場合は、ＷＬβ線およびＷＬγ線も利用可能である。ＷＬβ線およびＷＬγ線の波長は、それぞれ、０．１２８ｎｍ，０．１１０ｎｍである。すなわち、ターゲットにＷを用いる場合には、試料Ｏから蛍光を放射させるために利用可能な特性Ｘ線が３波長であるから、２波長のものよりさらに精度よい原子像イメージングが可能となる。
【００２３】
回転ステージ５は、周知のモータの回転軸に、測定対象Ｏすなわち試料が固定可能なマウントテーブル５Ａが一体的に設けられたもので、モータ自体は、入手可能な汎用モータである。なお、モータ５Ｂの回転数は、試料Ｏの組成比、形状（重量や厚さ）およびＸ線検出器７のカウントレートリミットに支配されるが、０．１°／秒程度が利用可能である。
【００２４】
Ｘ線検出器７は、例えばＳＳＤ（半導体検出器）である。なお、今日カウントレートが、例えば１０５ｃｐｓ（カウント／秒）程度の検出器が容易に入手できる。また、Ｘ線検出器７に要求されるエネルギー分解能ΔＥは、図１に示したＸ線ホログラフィー装置１では、Ｋα線とＫβ線を区分して検出する必要がないので、１０００ｅＶ程度（ΔＥ＜１０００ｅＶ）でよい。なお、Ｘ線検出器７に、上記のＳＳＤよりもさらに高速のエネルギー分散型Ｘ線検出器を用いてもよい。
【００２５】
Ｘ線集束素子９は、所定の厚さのグラファイトを円筒状またはトロイダル状に整形した中空体を、その中心軸を含む平面に並行に切断した少なくとも円弧状部を伴ったＸ線反射体である。なお、今回は、曲率半径が２１ｍｍで長さが４０ｍｍの円筒状のグラファイト（松下電器産業製、湾曲グラファイトモノクロメータ）を用い、Ｋα線のみを、資料〇に照射（収束）させている。
【００２６】
次に、図２を用いて、図１に示したＸ線ホログラフィー装置１の各要素の配置について詳細に説明する。
【００２７】
図２は、Ｘ線ホログラフィー装置１を、試料Ｏに向けられるＸ線束と試料Ｏが励起されることで試料Ｏから放射される蛍光（Ｘ線）とにより定義される平面に垂直な方向から見た概略図である。
【００２８】
図２に示される通り、Ｘ線発生装置３と回転テーブル５のマウントテーブル５Ａの回転中心との間の距離は、Ｘ線集束素子９の集束力の影響を受けるが、この例では、概ね４００ｍｍである。
【００２９】
図２において、Ｘ線発生装置３から試料Ｏに照射される特性Ｘ線とモータ５Ｂの回転軸を延長した軸線とのなす角すなわち入射角θ１は、例えば７０°ないし９０°の範囲から、試料Ｏの形状等の条件に基づいて選択される。なお、入射角θ１の最小値は、通常０°である。
【００３０】
モータ５Ｂの回転軸を延長した軸線とＸ線検出器７の図示しないＸ線入力面の中心軸とのなす角すなわち試料Ｏから放射された蛍光Ｘ線を検出する際の検出角θ２は、例えば３０°ないし８０°である。なお、検出角θ２は、個々のθ１に関して、固定される。すなわち、ある入射角θ１で試料Ｏに特性Ｘ線が照射されている間は、試料に対するＸ線検出器７の相対Ｘ線検出器７の位置が変化されることはない。
【００３１】
Ｘ線集束素子９は、図１および図２に示した蛍光Ｘ線ホログラフィー装置１においては、曲率半径が２１ｍｍで長さが４０ｍｍに成形された湾曲グラファイトである。しかしながら、曲率半径および長さは、試料の種類やＸ線の波長およびＸ線発生装置の出力等に応じて最適化される。また、Ｘ線集束素子９に入射されるＸ線束の断面形状は、上述した通り、図示しないストッパにより予め大まかに定義される。なお、Ｘ線集束素子（グラファイト）９の反射面（内面）の任意の一点とグラファイト９によって特性Ｘ線が最も収束された点（回転ステージ５のテーブル５Ａの中心）ともうひとつのグラファイトの反射面の任意の一点によって定義される角の最大値として定義される特性Ｘ線の発散角Δαは、例えば３°以下に設定される。
【００３２】
次に、図１および図２に示したＸ線ホログラフィー装置１を用いて、銅の局所構造を解析する手順およびその結果得られるホログラムパターンと３次元原子像（３次元原子配列）の一例を説明する。
【００３３】
回転テーブル５のマウントテーブル５Ａに、例えば板状のＣｕ（銅）単結晶を固定し、Ｘ線集束素子９で単色化した所定波長のＸ線を、試料すなわち銅に照射する。このとき、回転テーブル５は、図示しないモータドライバから供給される所定の電圧あるいは駆動パルスにより定義される所定の回転量φ、例えばφ＝０．１°／秒の速度で連続して回転される。また、一点（試料の任意の位置）当たりでカウントされるフォトンの数が所定数に達するまでの所定時間の間、試料Ｏに向けて特性Ｘ線が照射される。
【００３４】
試料（銅）Ｏからは、所定の確率で蛍光（Ｘ線）が放射される。試料から発生した蛍光は、Ｘ線検出器７の図示しないＸ線入力面に、所定の確率で到達する。なお、一般に、Ｘ線検出器７に入射される試料からの蛍光の量は、例えば全放射量の１０％前後である。なお、希に、入射角θ１で試料Ｏに照射された特性Ｘ線が、試料Ｏから放射される蛍光と同じ軌跡を通って、Ｘ線検出器７に入射される場合がある。しかしながら、反射Ｘ線が生じる条件（ブラッグ条件）は、かなり厳密であり、反射Ｘ線は、スポット的（散発的）にしか生じ得ない。なお、検出角θ２を最適化することで、反射Ｘ線がＸ線検出器７へ入射されることが実質的に抑止できる。
【００３５】
試料に照射される単色Ｘ線の強度は、例えばフォトン数で、１０８フォトン／ｓｅｃ程度である。これに対し、試料Ｏが励起されて蛍光が放射される程度は、照射された特性Ｘ線強度に比較して概ね１／１０００程度である。なお、Ｘ線検出器７の入力面に入力されるＸ線の数（効率）は、前に説明した入射角θ１および検出角θ２ならびに試料Ｏに照射される特性Ｘ線の強度及び試料の状態（大きさや組成）から、概ね推定できる。
【００３６】
Ｘ線検出器７に到達した蛍光Ｘ線すなわち干渉（ホログラム）パターンは、Ｘ線検出器７に内蔵されたあるいは別体の図示しないＡ／Ｄコンバータにより電圧変換され、図示しないインタフェースを経由してパーソナルコンピュータＰＣに入力される。通常は、ステップ角φの範囲を０°ないし３６０°として０．５°ステップ、入射角θ１の範囲を７０°ないし９０°として１°ステップで、試料Ｏから放射される蛍光Ｘ線（フォトン）を２次元的にため込こんだ結果が、パーソナルコンピュータＰＣで画像処理される。なお、画像処理には、モータの回転数φ及び入射角θ１の角度走査における任意の一点当たり１０６カウント程度が必要である。
【００３７】
Ｘ線検出器７の図示しないＸ線入力面に入射されたＸ線（回折）パターンすなわちホログラムパターンは、試料Ｏの回転量（テーブル５Ａの回転角）φと特性Ｘ線の入射角θ１のそれぞれ、または少なくとも一方が変化された際に試料から放射される蛍光のＸ線強度の変化またはその関数である。試料Ｏに照射されるＸ線のＸ線強度を高めるとともにカウントレートの高い（高速の）Ｘ線検出器が利用可能であれば、高速度で原子像および３次元原子像を得ることができることはいうまでもない。
【００３８】
パーソナルコンピュータＰＣに取り込まれた試料Ｏからの蛍光Ｘ線（干渉パターン）は、パーソナルコンピュータＰＣにより、例えば図３に示すような原子像として可視化される。また、容易に入手できる蛍光Ｘ線ホログラフィー向けのアルゴリズム（３次元フーリエ変換）により、図４に示すような３次元原子像が得られる（図４は、特許出願のために白黒を反転して表示した模式図である）。
【００３９】
なお、上述した蛍光Ｘ線ホログラフィー装置を用いることで、従来２ヶ月程度必要だった蛍光Ｘ線ホログラムの測定が、１日程度で可能となる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の実施の形態を蛍光Ｘ線ホログラフィー装置に適用することで、大規模な放射光施設を利用することなく、研究室レベルでも、容易に、局所解析原子像を取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態が適用可能な蛍光Ｘ線ホログラフィー装置の一例を説明する概略図。
【図２】図１に示した蛍光Ｘ線ホログラフィー装置の各要素の配置の一例を説明する概略図。
【図３】図１および図２を用いて説明した蛍光Ｘ線ホログラフィー装置により得られたホログラムパターンを可視化した銅の原子像を示す写真。
【図４】図１および図２を用いて説明した蛍光Ｘ線ホログラフィー装置により得られたホログラムパターンを３次元フーリエ変換して得られる銅の原子像の局所解析像の一例を示す模式図。
【符号の説明】
１・・・Ｘ線ホログラフィー装置、
３・・・Ｘ線発生装置、
５・・・回転ステージ、
７・・・Ｘ線検出器、
９・・・Ｘ線集束素子、
ＰＣ・・・画像処理装置。
【図１】
0003699998.tif 000002
【図２】
0003699998.tif 000003
【図３】
0003699998.tif 000004
【図４】
0003699998.tif 000005