(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速器からの所定エネルギーを有するイオンビームをビームコリメーターによって分析用のビームスポットに整形して試料に照射し，照射された試料から発生するＸ線のスペクトルをＸ線検出器により測定して元素分析を行う装置において，前記コリメータは高純度炭素材と，これを覆う重金属元素からなる被覆部とを備え、更に、前記イオンビームを輸送する真空容器と，前記真空容器の前記イオンビーム出口に設けられた薄膜とを備え，前記試料は大気中に水平に保持されるとともに前記薄膜を通過した前記イオンビームが照射され、前記薄膜は，試料分析値のバックグラウンドとなる当該薄膜からの原子核γ−線の発生を抑える，炭素元素を主成分とした膜からなり，前記薄膜から前記試料に入射するイオンビームの入射エネルギーは４Ｍｅｖ以下であり、前記試料は薄膜から所定の距離をおいて照射されるとともに、前記Ｘ線検出器と前記薄膜との間に配置され，前記薄膜内に含まれている不純物元素からのＸ線を前記検出器が測定しないようにＸ線吸収体を配置し、前記Ｘ線検出器は前記イオンビームを通る前記薄膜と隣合わせた位置の薄膜を通して試料を覗くことにより，真空中でＸ線を測定することにより，前記試料からのＸ線の大気による吸収を少なくするように構成したことを特徴とするイオンビームによる元素分析装置。
【請求項２】
請求項１記載のイオンビームによる元素分析装置において，前記イオンビームの方向を鉛直線方向に偏向させる電磁石を備え，前記イオンビームは，前記加速器から水平に発射され，前記電磁石により偏向されるとともに，前記試料は前記偏向された前記イオンビームが衝突する位置に保持されていることを特徴とするイオンビームによる元素分析装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載のイオンビームによる元素分析装置において，前記試料は液体であることを特徴とするイオンビームによる元素分析装置。
【請求項４】
請求項１から３の内のいずれか一つに記載のイオンビームによる元素分析装置において，前記薄膜は，その膜から発生するＸ線がＸ線検出器に測定されることのない酸素元素以下の軽元素の金属又は酸素元素以下の軽元素の化合物からなることを特徴とするイオンビームによる元素分析装置。
【請求項５】
請求項１から４の内のいずれか一つに記載のイオンビームによる元素分析装置において，前記試料は大気中でのイオンビーム照射により，前記試料中の元素からのＸ線の強度を大気中の稀ガス元素のＫ−Ｘ線の強度と比較することによって，当該試料中の元素を定量分析することを特徴とするイオンビームによる元素分析装置。
【請求項６】
請求項1から５の内のいずれか一つに記載のイオンビームによる元素分析装置において，前記試料は，前記薄膜によって散乱されたビームが前記試料以外の場所に当ってもＸ線スペクトル上にそこからのバックグラウンドは生じないように，酸素元素以下の軽い元素からなる化合物又は酸素元素以下の軽い元素からなる金属で作られた支持台に固定して測定されることを特徴とするイオンビームによる元素分析装置。
【請求項７】
請求項１から６の内のいずれか一つに記載のイオンビームによる元素分析装置において，前記試料が少量であり且つ前記イオンビームが前記試料を通り抜ける場合は，通り抜けたイオンビームは大気中で止まる様な中空の支持台を備えた構造とし，前記イオンビームの通る空間を囲む壁は，散乱ビームによって不用なＸ線が発生しない様に，酸素以下の軽元素からなる化合物又は酸素以下の軽元素からなる金属で作製されていることを特徴とするイオンビームによる元素分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は，イオンビーム衝撃によって発生するＸ線を測定して元素を分析する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
陽子，アルファ粒子，重イオンなどのイオンビームを試料に照射すると，試料に含まれている元素の原子の内殻電子がイオンによって衝撃され電離し，電離した空孔を外殻電子が埋めるときその元素固有のエネルギーを持つＸ線（特性Ｘ線）が放出される。この特性Ｘ線をＸ線検出器で測定し，そのＸ線スペクトルから試料中の元素を分析する方法は，Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｘ−ｒａｙ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  （以下，ＰＩＸＥ  と呼ぶ）  法又は粒子線励起Ｘ線法と呼ばれている。この方法は，試料中に含まれる酸素以上の元素を一度に，しかもｐｐｍの感度で分析できる優れた元素分析方法である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述の分析方法によると，いままでは，主として試料を真空散乱槽内に入れてイオンビームを照射して元素分析を行っていた。このため，試料を真空中に入れられるように調整する必要があること，液体を含んだ試料は分析できないし，真空内に必ず試料を収めなければならないため，連続的に試料を分析することはできないなどの欠点があり，基礎科学の分野でしか用いられていなかった。
【０００４】
一方，ビームを大気中に取り出す工夫も考え出されたが，ビームを水平に取り出す方法しか考え出されていなかったため，液体を少し含んだ試料は分析できるものの，斜めにすればこぼれてしまうような液体状の試料は分析できない。又，試料は落下しないように試料支持台に固定しなければならない等のため，大量の試料を分析することができない。更に，試料中の元素の濃度測定しようとした場合試料に標準元素を混入させたりする手間と，その操作によって不純物が混入したりして，定量法にかけていた。このような理由もあって，ＰＩＸＥの産業への応用が遅れていた。
【０００５】
そこで，本発明の技術的課題は，大気中でしかも試料に何の調整も施さないで，更に試料を固定しないで水平面に置いて，試料にイオンビームを照射し，試料に含まれる元素の定量分析を行うことができるイオンビームによる元素分析装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明においては，加速器から水平に輸送されてきた陽子，アルファ粒子，重イオンなどのイオンビームを電磁石により垂直に曲げ，試料を垂直にビーム照射できるように構成している。イオンビームを薄膜を用いて真空から大気に取り出し，大気中で試料を照射できるようにする。試料中の元素からのＸ線だけを測定するために，薄膜及びイオンビームの当るところは酸素より軽い元素の化合物又は金属の材質を用い余計なＸ線を生じさせないようにする。原子核γ−線の発生を防ぐために，材質として炭素を主体にしたものを用い，このとき入射エネルギーは４ＭｅＶ以下とする。薄膜中の不純物元素と試料中の元素とを混同して測定しないようにＸ線検出器は薄膜を直接覗かないような構成にする。また，高純度の酸素と窒素を混合して空気を作り，これに既知量の稀ガス（アルゴン，クリプトン，又はゼノン）を混入させ，その稀ガスのＫ一Ｘ線の強度と試料中の元素のＸ線の強度を比較することによって定量分析を行うものである。
【０００７】
即ち、本発明によれば、加速器からの所定エネルギーを有するイオンビームをビームコリメーターによって分析用のビームスポットに整形して試料に照射し，照射された試料から発生するＸ線のスペクトルをＸ線検出器により測定して元素分析を行う装置において，前記コリメータは高純度炭素材と，これを覆う重金属元素からなる被覆部とを備え、更に、前記イオンビームを輸送する真空容器と，前記真空容器の前記イオンビーム出口に設けられた薄膜とを備え，前記試料は大気中に水平に保持されるとともに前記薄膜を通過した前記イオンビームが照射され、前記薄膜は，試料分析値のバックグラウンドとなる当該薄膜からの原子核γ−線の発生を抑える，炭素元素を主成分とした膜からなり，前記薄膜から前記試料に入射するイオンビームの入射エネルギーは４Ｍｅｖ以下であり、前記試料は薄膜から所定の距離をおいて照射されるとともに、前記Ｘ線検出器と前記薄膜との間に配置され，前記薄膜内に含まれている不純物元素からのＸ線を前記検出器が測定しないようにＸ線吸収体を配置し、前記Ｘ線検出器は前記イオンビームを通る前記薄膜と隣合わせた位置の薄膜を通して試料を覗くことにより，真空中でＸ線を測定することにより，前記試料からのＸ線の大気による吸収を少なくするように構成したことを特徴とするイオンビームによる元素分析装置が得られる。ここで，本発明において，前記試料と前記薄膜との所定距離は５ｍｍ程度であることが好ましい。しかし，膜のビームによる熱破壊が考えられる場合には，アルミニウム膜を用いる。この場合，アルミニウムのＫ−Ｘ線スペクトルに混入する可能性がある。
【０００８】
また、本発明によれば、前記イオンビームによる元素分析装置において，前記イオンビームの方向を鉛直線方向に偏向させる電磁石を備え，前記イオンビームは，前記加速器から水平に発射され，前記電磁石により偏向されるとともに，前記試料は前記偏向された前記イオンビームが衝突する位置に保持されていることを特徴とするイオンビームによる元素分析装置が得られる。
【０００９】
また、本発明によれば、加速器からのイオンビームを試料に衝突させて，試料から発生するＸ線をＸ線検出器により測定して元素分析を行う装置において，前記イオンビームを輸送する真空容器と，前記真空容器の前記イオンビーム出口に設けられた薄膜とを備え，前記試料は大気中に水平に保持され，前記薄膜を通過した前記イオンビームが照射され、前記薄膜は，その膜から発生するＸ線がＸ線検出器に測定されることのない酸素元素以下の軽元素からなる金属又は酸素元素以下の軽元素からなる化合物からなるとともに試料分析値のバックグラウンドとなる当該薄膜からの原子核γ−線の発生を抑える，炭素元素を主成分とした膜からなり，前記薄膜から前記試料に入射するイオンビームの入射エネルギーは４Ｍｅｖ以下であることを特徴とするイオンビームによる元素分析装置が得られる。ここで，本発明においては，加速器からのイオンビームはエネルギー４ＭｅＶ以下を備えており，ビームコリメーターは高純度炭素材からなる。このビームコリメーターにより，分析したいビームスポットに整形して試料に照射し，試料から発生するＸ線を測定し，そのＸ線スペクトルより元素分析を行う。このような装置において，高純度炭素材の使用は，炭素のＫ−Ｘ線が発生しても物質による吸収が強くＸ線検出器に測定されないこと及び炭素原子核の第一励起状態は，１２Ｃが４．４３９ＭｅＶ，１３Ｃが３．０８８ＭｅＶであるので，入射エネルギーが前述したように４ＭｅＶ以下ならば，これらの励起状態からのγ−線が発生しないことにより，Ｘ線検出器に与えるバックグランドが極めて少ない。さらに，不純物元素からのＸ線及び炭素原子からの制動輻射Ｘ線は，この炭素コリメーターを鉛，ビスマスなどの重金属元素からなる被覆部で被って吸収させることにより，それらがＸ線検出器に入らないように構成したものである。
【００１１】
また，本発明によれば，前記薄膜は，その膜から発生するＸ線がＸ線検出器に測定されることのない酸素元素以下の軽元素からなる金属又は酸素元素以下の軽元素からなる化合物を含むことを特徴とするイオンビームによる大気中元素分析装置が得られる。
【００１５】
また，本発明によれば，前記イオンビームによる元素分析装置において，前記試料は大気中でのイオンビーム照射により，前記試料中の元素からのＸ線の強度を大気中の稀ガス元素のＫ−Ｘ線の強度と比較することによって前記試料中の元素を定量分析することを特徴とするイオンビームによる大気中元素分析装置が得られる。ここで，大気中の酸素，窒素，炭酸ガスなどは，そのＫ−Ｘ線が励起されても大気に吸収されるためＸ線検出器には測定されないが，稀ガス元素，例えば，アルゴン元素のＫ−Ｘ線は観測される。そこで，薄膜と試料との距離を一定にして，大気の圧力も一定にすることによって，試料中の元素からのＸ線の強度をアルゴン元素のＫ−Ｘ線の強度と比較することによって試料中の元素を定量分析することができる。なお，大気中のアルゴン元素の量が多すぎる場合，高純度の酸素ガス及び窒素ガスから空気を作りそれに微量の既知量の稀ガスを混入させ，この空気中に試料を置き，ビームで照射して元素分析する。このように稀ガス元素からのＫ−Ｘ線を測定し，その強度との比較により，試料中の元素の濃度を求める。つまり，試料にいずれの手を加えることなく定量分析できる。
【００１６】
また，本発明によれば、前記いずれか一つのイオンビームによる元素分析装置において，前記試料は，前記薄膜によって散乱されたビームが前記試料以外の場所に当ってもＸ線スペクトル上にそこからのバックグラウンドは生じないように，酸素元素以下の軽い元素からなる化合物又は酸素元素以下の軽い元素からなる金属で作られた支持台に固定して測定されることを特徴とするイオンビームによる元素分析装置が得られる。
【００１７】
また、本発明によれば、前記いずれか一つのイオンビームによる元素分析装置において，前記試料が少量であり且つ前記イオンビームが前記試料を通り抜ける場合は，通り抜けたイオンビームは大気中で止まる様な中空の支持台を備えた構造とし，前記イオンビームの通る空間を囲む壁は，散乱ビームによって不用なＸ線が発生しない様に，酸素以下の軽元素からなる化合物又は酸素以下の軽元素からなる金属で作製されていることを特徴とするイオンビームによる元素分析装置が得られる。
【００１８】
【実施例】
以下，本発明の実施例を図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は本発明の実施例に係る垂直イオンビームによる大気中元素分析装置の概略構成図である。
【００２０】
図１に示すように，加速器Ａ，電磁石１及び大気中元素分析装置３とが備えられている。加速器ＡからのイオンビームＢは水平の真空ダクト２内を輸送され，電磁石１によって曲げられ，真空ダクト２内を輸送され，鉛直線方向に大気中分析装置３に入射される。
【００２１】
大気中分析装置３は，真空ダクト２に接続された真空容器Ｃと，この真空容器Ｃに接続されたＸ線検出器５と，真空容器Ｃ下方に配置された試料Ｓを保持する試料ホルダー１１を有するターゲットフレーム１２とを備えている。
【００２２】
真空容器Ｃは，内部のビーム通路上に配置されたビームビュワー７と，このビームビュワー７の下方に配置された高純度炭素からなるビームコリメーター４と，ビームコリメーター４の一側部に隣接して配置された遮蔽６と，上側部に設けられたビーム窓８とビーム出口に設けられ，酸素元素より軽い元素でできた薄膜９，例えば，薄いマイラー膜とを備えている。この薄膜９と試料Ｓとの間は約５ｍｍ離されてイオンビームＢが照射される。
【００２３】
この高純度炭素からなるビームコリメータ４は，イオンビームＢのエネルギーが３ＭｅＶ以下ならば，炭素原子核１３及び炭素原子核１２の第一励起状態が３．０８８ＭｅＶ及び，４．４３９ＭｅＶなのでＸ線検出器５のバックグラウンドを生じるγ−線が発生しない。又，炭素原子のＫ−Ｘ線はエネルギーが低いので，ビーム照射によって発生したＸ線は自己吸収されてしまう。ところで，高純度炭素と言っても，イオウ，カルシウム，鉄などの元素が微量に混入していることがあり，この元素からＸ線が発生することがある。遮蔽６は，アルミニウム又は鉛などで形成されており，このＸ線がＸ線検出器５に入らないように遮蔽するものである。
【００２４】
Ｘ線検出器５は，一端部に真空容器Ｃを斜め方向に貫通するように一端にＸ線窓１０を備えたコリメーター１６を備え，このコリメーター１６から容器Ｃを斜め貫通して略直角に屈曲する形状を有している。これにより，Ｋ−Ｘ線検出器５は試料Ｓだけを覗くことによって，他のＸ線は検出しない。
【００２５】
図２（ａ）及び（ｂ）に示すように，試料ホルダー１１は，中心部に酸素以下の軽元素でできた薄膜，例えば，マイラー膜，ポリビニル膜等が張られており，その上に試料Ｓが載置されているる。ターゲットフレーム１２は，支持台１３上に水平に載置され，支持台１３はその底部を調整機１４により支持され，位置調整がなされる。ターゲット支持台１３の内側は，空洞に形成されており，内壁１３ａは酸素元素以下の軽元素でできた材質で被われている。これによって，大気で散乱されたイオンビーム２が内壁に当って，Ｘ線を発生させないようにしている。
【００２６】
この試料Ｓの置かれたターゲットフレーム１２，支持台１３，調整機１４等は，真空容器Ｃの底部とともに，ビニールの被い１５により覆われ，稀ガスの供給を行うガス供給部Ｄが接続されている。
【００２７】
次の本発明の実施例に係る垂直イオンビームによる大気中元素分析装置の動作を具体的に説明する。
【００２８】
加速器Ａから水平に発射されたイオンビームＢは，ビームコリメーター４によって，そのビームスポットは，分析するために必要な大きさに整形される。先に述べたように，ビームコリメーター４は高純度炭素製と言っても，微量な不純物が混入していることがあり，この元素から発生したＸ線を遮蔽６により検出器５に入らないようにしている。ここで，イオンビームＢを効率よくビームコリメーター４を通すためにビームコリメーター４の直前に，蛍光板を取り付けたビームビュワー７を置いて，イオンビームＢの芯とコリメーター４の中心とをビームビュワー７によりビーム窓８で覗きながら合わせる。但し，ビームビュワー７の中心とコリメーター４の中心を合わせてあり，ビームビュワー７は移動できるようにし，ビーム調整後ビームビュワー７を抜くことによってイオンビームＢをコリメーター４の中に入射させる。ビームコリメーター４を通過したイオンビームＢは，マイラー膜９を通して大気中に取り出され，試料Ｓに照射される。イオンビームＢの衝突により試料Ｓから発生したＸ線は，Ｘ線窓１０を通して真空中内に納められたＸ線検出器５で測定される。
【００２９】
図示のようにＸ線検出器５と薄膜９と試料Ｓを配置することによって，Ｘ線検出器５は薄膜９からのＸ線を測定しないようにすることができる。また，Ｘ線検出器５は，他からのＸ線が測定されないように，コリメーター１６によって試料Ｓだけを覗くように構成されている。
【００３０】
試料Ｓは，図２（ａ）及び（ｂ）に示すように，試料ホルダー１１の中心に載せ，更にターゲットフレーム１２にそれを固定し，これをターゲット支持台１３に取り付けて電動で移動することにより，自動的に試料の交換を行う。試料Ｓと薄膜９との位置は高さ調整機１４で支持台１３を垂直に動かすことによって行う。イオンビームＢが試料Ｓを通過できないくらい厚い場合は，支持台１３を取り外して高さ調整機１４に直に載せてイオンビームＢを照射して分析を行う。大気中分析装置３は，ビニールの被い１５で包み，被い１５内の大気のガスを高純度の酸素と窒素からなる空気で満たし，これに既知量の微量の稀ガス，例えば，アルゴン，クリプトン，又はゼノン等をガス供給部Ｄから混入させる。イオンビームＢは大気中の試料Ｓを共通にして通るから，Ｘ線検出器５では大気中の稀ガスのＫ−Ｘ線と試料に含まれている元素からのＸ線が同時に測定される。したがって，Ｘ線スペクトル上で，稀ガスのＫ−Ｘ線の強度と試料中に含まれる元素のＸ線の強度を比較することによって，試料中の元素の定量分析を行うことができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上，説明したように，本発明により，試料は無調整のままで大気中でしかも水平に置いたままで分析できるため幅広い分野でこの元素分析方法が応用されることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係るイオンビームによる元素分析装置の全体の構成を示す図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は図１の元素分析装置の試料部分を示す平面図である。
【符号の説明】
Ａ    加速器
Ｂ    イオンビーム
Ｃ    真空容器
Ｄ    稀ガス供給部
Ｓ    試料
１    電磁石
２    真空ダクト
３    大気中元素分析装置
４    ビームコリメーター
５    Ｘ線検出器
６    遮蔽
７    ビームビュワー
８    ビーム窓
９    薄膜
１０    Ｘ線窓
１１    試料ホルダー
１２    ターゲットフレーム
１３    支持台
１４    調整機
１５    被い
１６    コリメーター
【図１】
0003551327.tif 000002
【図２】
0003551327.tif 000003