(57)【要約】【課題】発散Ｘ線源に用いる集光効率の高いＸ線集光装置を提供する。【解決手段】本発明に係るＸ線集光装置では、発散Ｘ線光源からの発散Ｘ線が照射される領域に設置され、反射面が少なくとも３以上の反射部の集合体であり、この反射部の断面が数学的に不連続であるＸ線反射鏡を備える。発散Ｘ線をｎ個のサブ光軸に分割し、このサブ光軸ぞれぞれの発散角の合計が発散Ｘ線の全体の発散角を構成する場合に、Ｘ線反射鏡の反射部の一つは、サブ光軸から入射する発散Ｘ線を反射する際に、反射したＸ線の方向と別のサブ光軸からその反射部よりも集光点に近い別の反射部に入射するＸ線の方向が等しくなるように、反射部の角度を設定する。このように設計することにより、発散Ｘ線源からの発散Ｘ線は、鏡面上を繰り返し反射しながら集光点方向に進み、発散Ｘ線を効率よく集光することができる。【選択図】  図１
2015014491.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発散Ｘ線光源からの発散Ｘ線が照射される領域に設置され、反射面が少なくとも３以上の反射部の集合体であり、前記反射部の断面が数学的に不連続であるＸ線反射鏡を備え、
前記発散Ｘ線の全部又は一部を、前記発散Ｘ線源から前記発散Ｘ線の集光点に向かう主光軸とのなす角度をθｉとするｎ個のサブ光軸Ｓｉ（ｉ＝１〜ｎ）に分割し、前記サブ光軸Ｓｉを中心とするぞれぞれの発散角ΔθｉのＸ線を前記Ｘ線反射鏡で反射する場合において、
前記Ｘ線反射鏡の前記反射部の一つであって、前記主光軸とのなす角度θｊのサブ光軸Ｓｊから、斜入射角度αｊで入射する前記発散Ｘ線を反射する反射部Ｍｊ（ｊ＝１〜ｎ−１）は、反射部Ｍｊで反射された前記発散Ｘ線が別の反射部Ｍｋ（ｋ＝ｊ＋１〜ｎ）に入射する際の方向ベクトルの向きと、前記主光軸とのなす角度θｋのサブ光軸Ｓｋから前記反射部Ｍｋに入射する発散Ｘ線の方向ベクトルの向きが等しくなるような角度で配置され、
前記発散Ｘ線が前記反射部Ｍｊで反射された後に、又は前記反射部Ｍｊと反射部Ｍｎ間の少なくとも一つの反射部Ｍｋでさらに反射された後に、反射部Ｍｎに入射するように前記反射部を配置する
Ｘ線集光装置。
【請求項２】
前記サブ光軸に垂直かつ前記サブ光軸上に起点を持つすべてのベクトルと前記反射鏡の交点の数は１であり、前記反射部Ｍｊの形状は、前記主光軸に対し、前記角度θｊ−αｊで傾いている平面、もしくはその平面を接平面とする凹球面又は非球面であること
を特徴とする請求項１記載のＸ線集光装置。
【請求項３】
前記Ｘ線反射鏡又は前記発散Ｘ線を最後に反射する反射部を複数個設置するか、あるいは前記反射部を複数個組み合わせて配置し、光軸方向に多角形状を構成することにより、マルチスポット、放射状、環形状、矩形形状等の集光形状を形成すること
を特徴とする前記請求項１又は請求項２に記載のＸ線集光装置。
【請求項４】
前記反射部の基板として、高精度に研磨されたガラス基板、シリコン基板、結晶基板、金属基板であって、前記発散Ｘ線の波長に応じて選択された全反射の臨界角の大きい単元素もしくは化合物からなる薄膜がコーティングされている基板を用いること
を特徴とする前記請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載のＸ線集光装置。
【請求項５】
前記反射部の基板として、高精度に研磨されたガラス基板、シリコン基板、結晶基板上に、前記発散Ｘ線の波長に応じて選択された単元素もしくは化合物からなる複数種類の薄膜を交互に積層した薄膜がコーティングされている人工フラッグ素子を用いること
を特徴とする前記請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載のＸ線集光装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一つに記載のＸ線集光装置に、利用する前記発散Ｘ線の波長に応じて選択された単元素もしくは化合物の固体、液体もしくは気体に粒子もしくは電磁波を照射することによりＸ線を発生させるＸ線光源装置をさらに備えたこと
を特徴とするＸ線装置。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれか一つに記載のＸ線集光装置に、前記Ｘ線反射鏡と前記集光点の間、もしくは、前記集光点にピンホール、スリット、フレネルゾーンプレート、積層型フレネルゾーンプレート、反射型フレネルゾーンプレートの光学素子をさらに備えたこと
を特徴とするＸ線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＸ線管球やレーザープラズマ光源に代表される発散Ｘ線源からのＸ線を高効率に集光するＸ線集光装置およびＸ線装置に関し、半導体材料の組成、構造解析やたんぱく質をはじめとするソフトマテリアルの構造解析、創薬病理検査等を目的とした分析装置、評価装置や加工装置に用いられる。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線（波長が３０ｎｍ程度以下）の高い透過力を生かした様々な観察、分析手法が開発されているが、Ｘ線領域における固体物質の屈折率はほぼ１に近く、かつ１よりも小さな数であるため、可視光に比べ屈折、反射が容易ではないという課題があった。Ｘ線集光素子の代表的なものとして、フレネルゾーンプレート、積層型多層膜ゾーンプレート、Ｘ線屈折レンズ、Ｘ線反射鏡および反射鏡を組み合わせて実現するＸ線集光装置、および、キャピラリー、等の光学素子がある。
【０００３】
フレネルゾーンプレート（例えば、非特許文献１参照）はその集光原理として回折を利用したものであり、他の光学素子に比べ光学系の調整が簡単なため、回折限界に近い分解能が比較的容易に得られる特徴を持つが高い集光効率は得られていない。また、その主たる製造方法はＥＢ描画を基盤とする超微細加工技術を用いているため、直径数ｎｍを超えるフレネルゾーンプレートを製造することが困難であり、平行光でない入射Ｘ線に用いる素子では、その構造が複雑になるために製造が困難である等の理由により、放射光などの発散角の小さなＸ線光源では非常に優位に利用できる光学素子でありながらも、発散角の大きなＸ線光源では利用が難しいという状況がある。
【０００４】
積層型フレネルゾーンプレート（例えば、非特許文献２参照）は、集光原理はゾーンプレートと同様であるが、その形状は円筒状の基板の周辺に二種類の材質で構成された積層膜が形成されており、その積層部にて回折現象が生じることによりＸ線を集光させている。積層型フレネルゾーンプレートの場合には、基板の大きさを変えることで直径の大きなフレネルゾーンプレートを作製することは可能であるが、実際にＸ線を集光させることが出来る領域は積層部であり、その膜厚は現状数十μｍ程度が限界であるため発散角の大きなＸ線源の集光に用いることは難しい。
【０００５】
Ｘ線屈折レンズ（例えば、非特許文献３参照）は、屈折現象をその集光原理として利用している。Ｘ線領域での固体元素の屈折率は１よりわずかに小さいため、可視光領域とＸ線領域では入射角に対して屈折の方向は逆転する。そのため可視光領域での凸レンズと同じ役割を持たせるレンズは、凹面レンズの形状であるが、その屈折角は極小であるためＸ線を集光させるには凹面形状を多数個配列する構造を有しなければならない。従って、Ｘ線屈折レンズにおいても、発散角の小さい光源から発されるＸ線に対しては有効であるが、発散角の大きな光源については利用されていない。
【０００６】
Ｘ線領域における反射鏡（例えば、非特許文献４参照）の反射現象には可視光同様全反射が利用されるが、可視光領域の光線と比べて、極端な斜入射角で入射させる必要がある。比較的臨界角が大きな材料はＰｔ、Ｒｕ、Ａｕなどの重元素であるが、Ａｕの場合でも波長０．８３ｎｍのＸ線では臨界角は２．５３°、波長０．１５ｎｍでは０．５５°と極端に小さい。
【０００７】
他方、軽元素と重元素を交互に積層された人工ブラッグ素子すなわちＸ線多層膜を用いることで臨界角を超える角度で反射させることが可能になる。人工ブラッグ素子は多層膜の各膜層で反射されるＸ線の干渉を利用しており、ブラッグの条件２ｄsinθ＝ｍλ（ｄ：多層膜周期長、θ：斜入射角、ｍ：次数、λ：Ｘ線の波長）をみたす角度θでＸ線を反射させることが出来る。このときＸ線の波長λが短くなると、斜入射角θもしくは多層膜周期長ｄの値が小さくなる。特に多層膜周期長は、その製造の限界からｄ＝１ｎｍ程度が最小であるため、利用条件の制限が生じる（例えば、非特許文献５参照）。これらの多層膜や単層膜を平面基板、球面基板、非球面基板にコーティングされた反射鏡を用いることにより、Ｘ線を反射、集光することが可能になる。
【０００８】
一般的に光を１枚の反射鏡で集光する方法として回転放物面反射鏡や回転楕円面反射鏡が利用されているが、その臨界角の小ささのため設計上反射鏡の口径が数ｍｍ以下と非常に小さいものであり、その設計を満たす反射鏡の製造は非常に困難である。
【０００９】
反射鏡を組み合わせた集光光学系としてKirkpatrick-Baez光学系、Wolter光学系がある（例えば、非特許文献６参照）。これらは２枚以上の斜入射鏡を用いてＸ線を集光させる光学系であり、放射光を用いた様々な分析手法に利用されている。発散角の大きなＸ線を集光する場合の問題点のひとつは反射鏡が大きくなりやすい点である。反射鏡に入射するときのＸ線の広がりは発散光源から反射鏡までの距離ｄと発散角θの積であるｄθで表される。そのＸ線は反射鏡に斜入射角αで入射する必要があるため、反射鏡の大きさはｄθ／ｓｉｎαと非常に大きなものになり、実用的に利用され難い。別の問題点は、反射鏡面上での入射角が連続的に大きく変わることである。発散角の小さい場合では反射鏡上の面内において入射角は大きく変わらないが、発散角の大きい場合には入射角が大きく変わる。特に多層膜をコーティングする場合には、面内における多層膜周期長を調整する必要があり、その作製が難しくなる。さらには光線の向きと光軸となす角が大きいＸ線を如何に集光に寄与させるかという点もある。Ｘ線は非常に浅い角度でしか反射させることが出来ず、発散角の大きい場合には一回の反射で設計した集光点に導くことは難しい。Ｘ線を多重反射させ集光させる方法としてAdvanced  Kirkpatrick-Baez光学系（例えば、非特許文献７参照）がある。この光学系は複数回数反射させることにより集光サイズを小さくすることを目的としている。その際１枚目の反射鏡に入射したＸ線は、残りの３枚すべての反射鏡に入射するため、反射を繰り返す毎に光の強度は落ちていく。
【００１０】
発散Ｘ線源から１３．５ｎｍの光を集光するための集光装置として、薄板の反射鏡を複数枚重ねたシェル型反射集光素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。波長十ｎｍ以上の比較的波長の長いＸ線では臨界角が１０°程度まで取ることができる。異なる形状の楕円面反射鏡を並列に配置することにより集光効率を向上させることが可能になる。一方で、反射鏡の端面や反射鏡を並列に配置するための治具が光線の障害物となり集光効率の低下原因となる。また、波長が短いＸ線では、反射鏡への入射角が一桁小さくなり、反射鏡の口径も非常に小さくなるため、多重に反射鏡を配置すること自体難しい。
【００１１】
キャピラリー（例えば、非特許文献８参照）は、細い管状の内面をＸ線が全反射を繰り返しながら進行していくことによりＸ線を伝搬させる方法である。キャピラリーは発散光の光軸からの角度に応じて自由に配置可能であり、発散角の大きな光源に対して取り込み角を大きく出来る。一方、実用的に利用されているキャピラリーはガラス材で出来ており、臨界角は波長０．０７ｎｍ(Ｅ＝１７ｋｅＶ)のＸ線に対して約０．１°程度と極めて小さい。その結果全反射を起こすためにキャピラリーの口径は数十μｍと小さいものでなくてはならない。現在の技術では口径の小さく長さのあるキャピラリー内面に高反射率材の薄膜を形成することは不可能である。そのためＸ線の強度は反射率回数の累乗で強度が減衰していくため、キャピラリーの全長は数ｍｍとなっている。さらには口径が小さいため発散Ｘ線源の中に直径の小さなキャピラリーを多数個配置しなければならず、キャピラリー外周部に照射したＸ線は集光には寄与しないため効率低下の一因となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特表２０１０−５０３８８２号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】「Ｘ線結像光学」波岡武・山下廣順共編（培風館）、p.96
【非特許文献２】“Circular Multilayer Zone Plate for High-Energy X-Ray Nano-Imaging”T. Koyama et al, Rev. Sci. Instrum., 83, 013705 (2012)
【非特許文献３】”The birth of the X-ray refractive lens”, T. Tomie, Spectrochimica Acta Part B, 65, 192 (2010)
【非特許文献４】「Ｘ線結像光学」波岡武・山下廣順共編（培風館）、p.69
【非特許文献５】”Status of small d-spacing x-ray multilayers development at Osmic”, Yuriy Y. Platonov et al, Proc. SPIE, Vol.4782, 152 (2002)
【非特許文献６】「Ｘ線結像光学」波岡武・山下廣順共編（培風館）、p.112
【非特許文献７】”Development of an advanced Kirkpatrick-Baez microscope”, R. Kodama et al, Opt. Lett., 21, 17, 1321 (1996)
【非特許文献８】“Overview of polycapillary X-ray optics”, P. J. Schields et al, Power Diffr., 17, 2 (2002)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
以上のように、発散角の小さなＸ線を集光する光学素子は複数種利用されているが、発散角の大きなＸ線を集光する場合には、可視光と比べて、反射角度および屈折角が大きく出来ず、Ｘ線の進行方向を大きく曲げることができないため、十分な集光効率を得られないという問題があった。上述したように、発散角の大きなＸ線に対しては、反射鏡から構成されるＸ線集光装置もしくはキャピラリーが利用されているが、その集光効率は十分ではない。
【００１５】
本発明は、以上のような問題を解消するためになされたものであり、発散Ｘ線源に用いる集光効率の高いＸ線集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】
【００１６】
上述したような課題を解決するために、本発明に係るＸ線集光装置では、発散Ｘ線光源からの発散Ｘ線が照射される領域に設置され、反射面が少なくとも３以上の反射部の集合体であり、前記反射部の断面が数学的に不連続であるＸ線反射鏡を備え、前記発散Ｘ線を、前記発散Ｘ線源から前記発散Ｘ線の集光点に向かう主光軸とのなす角度をθｉとするｎ個のサブ光軸Ｓｉ（ｉ＝１〜ｎ）に分割し、前記サブ光軸Ｓｉを中心とするぞれぞれの発散角ΔθｉのＸ線の全部又は一部を前記Ｘ線反射鏡で反射する場合において、前記Ｘ線反射鏡の前記反射部の一つであって、前記主光軸とのなす角度θｊのサブ光軸Ｓｊから、斜入射角度αｊで入射する前記発散Ｘ線を反射する反射部Ｍｊ（ｊ＝１〜ｎ−１）は、反射部Ｍｊで反射された前記発散Ｘ線が別の反射部Ｍｋ（ｋ＝ｊ＋１〜ｎ）に入射する際の方向ベクトルの向きと、前記主光軸とのなす角度θｋのサブ光軸Ｓｋから前記反射部Ｍｋに入射する発散Ｘ線の方向ベクトルの向きが等しくなるような角度で配置され、前記発散Ｘ線が前記反射部Ｍｊで反射された後に、又は前記反射部Ｍｊと反射部Ｍｎ間の少なくとも一つの反射部Ｍｋでさらに反射された後に、反射部Ｍｎに入射するように前記反射部を配置する。
【００１７】
前記サブ光軸に垂直かつ前記サブ光軸上に起点を持つすべてのベクトルと前記反射鏡の交点の数は１であり、前記反射部Ｍｊの形状は、前記主光軸に対し、前記角度θｊ−αｊで傾いている平面、もしくはその平面を接平面とする凹球面又は非球面であるようにしてもよい。
【００１８】
前記Ｘ線反射鏡又は前記発散Ｘ線を最後に反射する反射部を複数個設置するか、あるいは前記反射部を複数個組み合わせて配置し、光軸方向に多角形状を構成することにより、マルチスポット、放射状、環形状、矩形形状等の集光形状を形成するようにしてもよい。
【００１９】
前記反射部の基板として、高精度に研磨されたガラス基板、シリコン基板、結晶基板、金属基板であって、前記発散Ｘ線の波長に応じて選択された全反射の臨界角の大きい単元素もしくは化合物からなる薄膜がコーティングされている基板を用いるようにしてもよい。
【００２０】
前記反射部の基板として、高精度に研磨されたガラス基板、シリコン基板、結晶基板上に、前記発散Ｘ線の波長に応じて選択された単元素もしくは化合物からなる複数種類の薄膜を交互に積層した薄膜がコーティングされている人工フラッグ素子を用いるようにしてもよい。
【００２１】
また、本発明に係るＸ線装置では、前記Ｘ線集光装置に、利用する前記発散Ｘ線の波長に応じて選択された単元素もしくは化合物の固体、液体もしくは気体に粒子もしくは電磁波を照射することによりＸ線を発生させるＸ線光源装置をさらに備える。
【００２２】
また、本発明に係るＸ線装置では、前記Ｘ線集光装置に、前記Ｘ線反射鏡と前記集光点の間、もしくは、前記集光点にピンホール、スリット、フレネルゾーンプレート、積層型フレネルゾーンプレート、反射型フレネルゾーンプレートの光学素子をさらに備える。
【発明の効果】
【００２３】
本発明を用いることにより、発散Ｘ線源からの波長３０ｎｍ程度以下のＸ線を高効率に集光することが出来るようになる。そして、Ｘ線管球やプラズマ光源などの実験室系での発散Ｘ線源を用いた分析装置、加工装置、診断装置、等において、飛躍的な感度上昇、測定時間短縮を実現することができる。  
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係るＸ線集光装置の概要を示す図である。
【図２】図２は、発散Ｘ線源からの発散Ｘ線をｎ分割したサブ光軸Ｓｉ及び発散角の定義を示す図である。
【図３】図３は、サブ光軸ＳｉからのＸ線が、反射部Ｍｉで反射された場合のＸ線の光路を示す図である。
【図４】図４は、サブ光軸ＳｉとＳｉ＋１からのＸ線が反射部ＭｉとＭｉ＋１で反射された場合のＸ線の光路を示す図である。
【図５】図５は、発散Ｘ線源から反射部Ｍｎで反射されるまでのＸ線の光路を示す図である。
【図６】図６は、発散Ｘ線源から集光点までのＸ線の光路を示す図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態に係るＸ線反射鏡の反射効率の反射回数依存性の一例を示すグラフである。
【図８】図８は、本発明の実施の形態に係るＸ線集光装置全体での集光効率の一例を示すグラフである。
【図９】図９は、本発明の実施の形態に係る凸面状集光装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明における発散光においては、主光軸からの発散角が小さいＸ線については少なくとも１回の反射で主光軸上の集光点方向に光路を変化させることは可能であるが、発散角の大きなＸ線を１回の反射で集光点方向に光路を変化させることは不可能である。そのため、本発明の実施形態では、光軸とＸ線のなす角（発散角）に応じて適切な反射回数を設定することにより、損失少なく光路を変化させ、これまでの集光素子では集光に寄与させることの出来なかったＸ線を少なからず集光させ、光源から発される光全体の集光効率を向上させる。
【００２６】
集光効率を上げるために複数枚の反射鏡を配置する構成では発散光内に集光素子やそれを固定するための治具等を多数個配置する必要があり、集光に寄与しない治具部分がＸ線の光路を遮り、結果として集光効率の低下を導く。発散光を効率よく集光するためには、発散光内に集光素子および治具等を配置しない構成にする必要がある。
【００２７】
本発明の実施の形態では、単一の反射鏡面に複数の数学的に不連続な、光軸とのなす角の異なる反射部を持たせるようにする。これらの各反射部において、光軸とＸ線のなす角に応じ、Ｘ線が１回目に入射する反射部Ａが決定される。その後、反射したＸ線は、その反射部Ａよりも集光点に近い別の反射部Ｂに入射するが、本発明の実施の形態では、反射したＸ線の方向と、反射部Ｂへ入射するＸ線の方向が等しくなるように、反射部Ａの角度を設定する。
【００２８】
このように設計された反射鏡は、発散Ｘ線源からのＸ線が、鏡面上を繰り返し反射しながら集光点方向に進み、発散Ｘ線源からのＸ線を効率よく集光することを可能にする。
【００２９】
以下、図面を使って、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、発散光を光軸上の一点Ｐに集光させる集光系を構成した例を説明する。
【００３０】
図１は、本発明の実施の形態に係るＸ線集光装置の概要を示す図である。発散Ｘ線源１０は光軸上の点Ｏであり、発散Ｘ線光は角度２×Ω（４０）で発光している。このとき主光軸３０は２×Ω（４０）の中心方向に定義する。発散光のうち０度からΩ度（４０）までの光を反射部Ｍ１〜Ｍｋ＋２（６０−１〜６０−ｋ＋２）を持つ反射鏡を用いて集光する。以下の説明では、光軸に垂直な１断面について考えるものとするが、実際には光軸まわりに２π回転させた反射鏡を準備する。
【００３１】
図２は、発散Ｘ線源１０からの発散Ｘ線をｎ分割したサブ光軸Ｓｉ及び発散角の定義を示す図である。発散Ｘ線のうち０度からΩ度（４０）までのＸ線をｎ個のサブ光軸Ｓ１〜Ｓｎ（５０−１〜５０−ｎ）に分割し、サブ光軸Ｓｉ（５０−ｉ）からのＸ線ぞれぞれの発散角Δθｉの合計ΣΔθｉで、０度からΩ度（４０）までのＸ線を構成することを考える。i 番目のサブ光軸Ｓｉ（５０−ｉ）からのＸ線は、主光軸３０とのなす角度θｉ＝（ｎ2＋ｎ−ｉ2）×ω／２を中心とする発散角ｉωの円弧として考え、主光軸３０とのなす角度の小さな方からΔθｎ＝ｎω、Δθｎ−１＝(ｎ−１)ω、…、Δθｉ＝ｉω、…、Δθ１＝ωとすると、Ωとωの関係は、Ω＝（ｎ2＋ｎ）×ω／２となる。これを変形すると、ω＝Ω×２／（ｎ2＋ｎ）となり、ωを決定することができる。
上述した発散Ｘ線源１０からの発散Ｘ線の全て（２×Ωの範囲）を反射させれば最も集光効率を高くすることができるが、本実施の形態では、所望の集光効率や反射部の枚数等の集光条件に応じて、反射鏡で反射させる発散Ｘ線の角度の範囲を適宜決定する。
【００３２】
図３は、サブ光軸Ｓｉ（５０−ｉ）からのＸ線が、反射部Ｍｉ（６０−ｉ）で反射された場合のＸ線の光路を示す図である。主光軸３０とのなす角度θｉのＳｉからのＸ線は、主光軸３０に対しθｉ−αｉ度傾いた反射部Ｍｉ（６０−ｉ）に対して、斜入射角αｉで入射する。この場合、θｉ−αｉ＝｛（ｎ2＋ｎ）／２−（ｉ＋１／２）2／２−１／８｝×ω度となり、αｉ＝（ｉ＋１／２）×ω／２となる。反射部Ｍｉ（６０−ｉ）に入射したサブ光軸Ｓｉ（５０−ｉ）からのＸ線は、その後、２×αｉ＝（ｉ＋１／２）×ω度だけ浅い角度で反射し、主光軸３０に対する角度｛ｎ2＋ｎ−（ｉ＋１）2｝×ω／２度で出射する。
【００３３】
図４は、サブ光軸Ｓｉ（５０−ｉ）とＳｉ＋１（５０−ｉ＋１）からのＸ線が反射部Ｍｉ（６０−ｉ）とＭｉ＋１（６０−ｉ＋１）で反射された場合のＸ線の光路を示す図である。本図において、反射部Ｍｉ＋１（６０−ｉ＋１）は、反射部Ｍｉ（６０−ｉ）で反射されたＸ線を所定の角度で反射するとともに、サブ光軸Ｓｉ＋１（５０−ｉ＋１）からのＸ線を所定の角度で反射するように角度及び長さを設定する。反射部Ｍｉ（６０−ｉ）にて反射した後のサブ光軸Ｓｉ（５０−ｉ）からのＸ線の角度は、２×αｉ＝（ｉ＋１／２）×ω度だけ浅くなり、主光軸３０に対する角度｛ｎ2＋ｎ−（ｉ＋１）2｝×ω／２度で出射する。本式から明らかなように、反射部Ｍｉ（６０−ｉ）で反射されたサブ光軸Ｓｉ（５０−ｉ）からのＸ線の角度は、サブ光軸Ｓｉ＋１（５０−ｉ＋１）からのＸ線と同じであり、両者の方向ベクトルの向きは等しくなることから、反射部Ｍｉ＋１（６０−ｉ＋１）においては、サブ光軸Ｓｉ（５０−ｉ）からのＸ線とＳｉ＋１（５０−ｉ＋１）からのＸ線を同じ方向に反射することができる。これを漸化式のように繰り返すことにより、発散光Ｓ１（５０−１）からＳｎ（５０−ｎ）までの光が全て反射部Ｍｎ（６０−ｎ）に入射するように反射部を構成することができる。
【００３４】
図５は、発散Ｘ線源１０から反射部Ｍｎ（６０−ｎ）で反射されるまでのＸ線の光路を示す図である。本図では、サブ光軸Ｓｎ（５０−ｎ）からのＸ線は、反射部Ｍｎ（６０−ｎ）で反射され、主光軸３０と平行になるように、反射部Ｍｎの角度が設定されている。このＸ線反射鏡を主光軸３０の周りに２π回転させたＸ線反射鏡を用いれば、環状の集光形状を形成することが出来る。
【００３５】
図６は、発散Ｘ線源１０から集光点Ｐ（２０）までのＸ線の光路を示す図である。図６に示すように反射部Ｍｎ（６０−ｎ）の集光点側に、例えば、斜入射角−ω／２度の最終反射部ＭＬ（７０）を配置し、Ｘ線を入射させることによって、集光点Ｐ（２０）に発散Ｘ線を集光させることが出来る。
【００３６】
尚、本実施形態では、最終的に集光点に発散Ｘ線を集光するために、最終反射部ＭＬ（７０）を使用する実施形態を説明したが、反射部Ｍｎを用いて集光点に発散Ｘ線を集光できる場合には、最終反射部ＭＬ（７０）は不要となる。
【００３７】
また、前述したように発散光を効率よく集光するためには。集光装置内に集光素子および治具等を配置しない構成にする必要がある。そのためには、図３〜図６のように反射鏡の内部を使って集光する場合には、前記のサブ光軸に垂直でサブ光軸に起点を持つすべてのベクトルと前記Ｘ線反射鏡の交点は１になるように構成する必要がある。
【００３８】
さらに、図３〜図６の説明では、前記反射部の形状は所定の角度で傾いている平面である形態を説明したが、この平面を接平面とする凹球面もしくは非球面であっても同様の作用効果を実現することができる。
【００３９】
反射効率については、光路となる各反射部の反射率の積で表されるが、Ｘ線の吸収効果のため反射率は１ではなく、反射回数が増えるにつれ、反射効率は反射回数の累乗で小さくなる。反射部Ｍｉでの反射率をＲｉとすると、反射効率は、Ｒ１×Ｒ２×‥×Ｒｉと表記することができる。図７は、本発明の実施の形態に係るＸ線反射鏡の反射効率の反射回数依存性の一例を示すグラフである。本発明の場合、入射角度が変わっていくため、各反射部での反射率を一定とすることは難しいが、本計算では反射率は一定とした。例えば、反射率０．９５と仮定すると、１０回反射させた場合には６割程度まで反射効率は低下する。
【００４０】
本発明では角度Ωである発散角のＸ線を複数回反射させている。その本質的な理解は、集光点側からみた場合、光源の位置が光軸上の点から光軸に垂直な面内において、原点から遠ざかる方向に見かけ上移動させていることにあり、移動後の点から集光点に向けて光を発光しているのと等しい。
【００４１】
図８は、本発明の実施の形態に係るＸ線集光装置全体での集光効率の一例を示すグラフである。図８は発散光全体を５つの反射部で反射して集光した場合の一例であり、横軸は、各反射部番号で、１番（主光軸に近い）から各反射部番号までの集光効率を縦軸に示す。１回あたりの反射率は９０％である。この結果、１番から５番全ての反射部での集光効率は約８５％であり、高集光効率を実現することができる。
【００４２】
図９は、本発明の実施の形態に係る凸面状集光装置の概略図である。上述した図３〜６と異なり反射鏡の外面を使用することにより、円錐状の光線を形成するとともに、集光装置を作製する際に、加工装置の移動空間が取れる構成であり、集光装置の製造を容易にすることが出来る。
【００４３】
また、最終反射部をいくつか設定し、それぞれに対して異なる集光点を設計することや、反射鏡の組み合わせを光軸方向に見て多角形に配置することにより、マルチスポットの収束形状や、環形状や矩形形状に代表されるような特殊な集光形状を形成することが可能になり、実験室での分析技術の向上が期待できる。
【００４４】
さらに、前記反射部の基板として、高精度に研磨されたガラス基板、シリコン基板、結晶基板、金属基板であって、Ｘ線の波長に応じて選択された全反射の臨界角の大きい単元素もしくは化合物からなる薄膜がコーティングされている基板や、高精度に研磨されたガラス基板等の上に、Ｘ線光源の波長に応じて選択された単元素もしくは化合物からなる複数種類の薄膜を交互に積層した薄膜がコーティングされている人工フラッグ素子を用いた基板を反射部に用いることもできる。
【００４５】
また、Ｘ線集光装置に、利用するＸ線の波長に応じて選択された単元素もしくは化合物の固体、液体もしくは気体に粒子もしくは電磁波を照射することによりＸ線を発生させるＸ線光源装置をさらに備えることもできる。
【００４６】
本集光装置は縮小光学系ではなく光源が完全な点源であったとしても集光点では有限の大きさを有することになるが、集光点もしくは集光点と集光装置の間にビームサイズダウンを目的としたピンホール、スリット、フレネルゾーンプレート、積層型フレネルゾーンプレート、反射型フレネルゾーンプレート等の光学素子を入れることにより、発散型Ｘ線源を用いた光学系においても、高強度のマイクロビームを形成することが可能となる。
【００４７】
以上のように、本発明の実施形態によれば、発散Ｘ線源に用いる集光効率の高いＸ線集光装置を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、本発明の主旨は発散Ｘ線源からの光をより効率良く集めるためのものであり、実験室系におけるＸ線管球やプラズマ光源などの発散Ｘ線源を用いたＸ線分析装置、Ｘ線加工装置、Ｘ線診断装置において、利用することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１０…発散Ｘ線源、光軸の原点、２０…集光点、３０…主光軸、４０…発散Ｘ線源から発されるＸ線の発散角、５０−１〜５０−ｎ…発散Ｘ線源を構成するサブ光軸Ｘ線の光路、６０−１〜６０−ｎ…反射部、７０…最終反射部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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