(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料スポットを分析するためのＸ線分析装置であって、
その上に電子が衝突して発散Ｘ線ビームを形成するターゲットを含むＸ線管であって、前記ターゲットは、第１のターゲット材料および第２のターゲット材料から形成される表面を有し、各ターゲット材料は、前記電子による衝突があるとそれぞれのエネルギープロファイルを放出するように調整された、Ｘ線管と、
前記発散Ｘ線ビームを受け取り、前記試料スポットに前記発散Ｘ線ビームを向けるための第１のＸ線光学部品であって、前記第１のターゲット材料によって放出された前記エネルギープロファイルから第１のエネルギーへ前記発散Ｘ線ビームを単色化する第１のＸ線光学部品と、
前記発散Ｘ線ビームを受け取り、前記試料スポットに前記発散Ｘ線ビームを向けるための第２のＸ線光学部品であって、前記第２のターゲット材料によって放出された前記エネルギープロファイルから第２のエネルギーへ前記発散Ｘ線ビームを単色化する第２のＸ線光学部品と、
前記第１のエネルギーおよび前記第２のエネルギーによって誘起された前記試料スポットからの蛍光であって、前記試料スポット中の少なくとも１つの元素の濃度を示す蛍光を受け取る検出器と、
を備え、
前記第１のターゲット材料および前記第２のターゲット材料の各ターゲット材料は、前記ターゲット上に積層された別個の層として形成される、
ことを特徴とするＸ線分析装置。
【請求項２】
試料スポットを分析するためのＸ線分析装置であって、
その上に電子が衝突して発散Ｘ線ビームを形成するターゲットを含むＸ線管であって、前記ターゲットは、第１のターゲット材料および第２のターゲット材料から形成される表面を有し、各ターゲット材料は、前記電子による衝突があるとそれぞれのエネルギープロファイルを放出するように調整された、Ｘ線管と、
前記発散Ｘ線ビームを受け取り、前記試料スポットに前記発散Ｘ線ビームを向けるための第１のＸ線光学部品であって、前記第１のターゲット材料によって放出された前記エネルギープロファイルから第１のエネルギーへ前記発散Ｘ線ビームを単色化する第１のＸ線光学部品と、
前記発散Ｘ線ビームを受け取り、前記試料スポットに前記発散Ｘ線ビームを向けるための第２のＸ線光学部品であって、前記第２のターゲット材料によって放出された前記エネルギープロファイルから第２のエネルギーへ前記発散Ｘ線ビームを単色化する第２のＸ線光学部品と、
前記第１のエネルギーおよび前記第２のエネルギーによって誘起された前記試料スポットからの蛍光であって、前記試料スポット中の少なくとも１つの元素の濃度を示す蛍光を受け取る検出器と、
を備え、
前記第１のターゲット材料および前記第２のターゲット材料の各ターゲット材料は、前記ターゲット上の単一の合金層として組み合わされる、
ことを特徴とするＸ線分析装置。
【請求項３】
試料スポットを分析するためのＸ線分析装置であって、
その上に電子が衝突して発散Ｘ線ビームを形成するターゲットを含むＸ線管であって、前記ターゲットは、第１のターゲット材料および第２のターゲット材料から形成される表面を有し、各ターゲット材料は、前記電子による衝突があるとそれぞれのエネルギープロファイルを放出するように調整された、Ｘ線管と、
前記発散Ｘ線ビームを受け取り、前記試料スポットに前記発散Ｘ線ビームを向けるための第１のＸ線光学部品であって、前記第１のターゲット材料によって放出された前記エネルギープロファイルから第１のエネルギーへ前記発散Ｘ線ビームを単色化する第１のＸ線光学部品と、
前記発散Ｘ線ビームを受け取り、前記試料スポットに前記発散Ｘ線ビームを向けるための第２のＸ線光学部品であって、前記第２のターゲット材料によって放出された前記エネルギープロファイルから第２のエネルギーへ前記発散Ｘ線ビームを単色化する第２のＸ線光学部品と、
前記第１のエネルギーおよび前記第２のエネルギーによって誘起された前記試料スポットからの蛍光であって、前記試料スポット中の少なくとも１つの元素の濃度を示す蛍光を受け取る検出器と、
を備え、
前記第１のターゲット材料および前記第２のターゲット材料のうちの１つは、前記ターゲット上の第１の層で形成され、
前記第１のターゲット材料および前記第２のターゲット材料のうちの他の１つを含む少なくとも２つのターゲット材料は、前記ターゲット上の第２の合金の層として組み合わされ、前記第２の合金の層は前記第１の層の下部層として形成されている、
ことを特徴とするＸ線分析装置。
【請求項４】
第３のターゲット材料から形成される表面を有する前記Ｘ線管のターゲットであって、前記第３のターゲット材料は、前記電子による衝突があるとそのエネルギープロファイルを放出するように調整された、ターゲットと、
前記発散Ｘ線ビームを受け取り、前記試料スポットに前記発散Ｘ線ビームを向けるための第３のＸ線光学部品であって、前記第３のターゲット材料によって放出された前記エネルギープロファイルから第３のエネルギーへ前記発散Ｘ線ビームを単色化する第３のＸ線光学部品と
をさらに備えることを特徴と請求項１ないし３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
前記第１のＸ線光学部品は、前記ターゲットからの特性エネルギーを単色化し、前記第２のＸ線光学部品および／または前記第３のＸ線光学部品は、前記ターゲットからの制動放射エネルギーを単色化することを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記Ｘ線光学部品は、前記Ｘ線管からの前記発散Ｘ線ビームを受け取り、前記発散Ｘ線ビームを前記試料スポットに集束するための湾曲した回折光学部品であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
前記Ｘ線光学部品は、集束単色化光学部品であることを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記Ｘ線光学部品は、二重に湾曲した結晶光学部品またはＨＯＰＧ光学部品または多層光学部品であることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記第１のＸ線光学部品および／または前記第２のＸ線光学部品は、複数の層を備える湾曲した結晶回折光学部品を含み、各層は、入射Ｘ線ビームに対するそれ自体の回折効果を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
前記第１のＸ線光学部品および／または前記第２のＸ線光学部品の前記層は、ＬｉＦを含むことを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
ＬｉＦ層を備える前記第１のＸ線光学部品および／または前記第２のＸ線光学部品は、湾曲した形状に曲げられた少なくとも１つのセグメントをさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
ＬｉＦ層を備える前記第１のＸ線光学部品および／または前記第２のＸ線光学部品は、複数のセグメントを備え、各セグメントは、湾曲した形状に曲げられ、湾曲したパターンに配置されることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記湾曲したパターンは、完全に一回転した３６０度のパターンを含むことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記第１のＸ線光学部品は、前記ターゲットからの特性エネルギーを単色化し、前記第２のＸ線光学部品は、前記ターゲットからの制動放射エネルギーを単色化することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の装置。
【請求項１５】
前記第１のエネルギーおよび前記第２のエネルギーによって誘起された前記試料スポットからの蛍光は、前記試料スポットの被覆および基板における前記少なくとも１つの元素の濃度を別個に測定するために使用されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、２０１２年２月２８日に出願した米国特許仮出願第６１／６０４，２５１号明細書の利益を主張する。
米国政府の権益
本発明の一部は、全米科学財団、助成番号ＩＩＰ−０８３９６１５号の支援を受けて開発されている。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
【０００２】
現在の状況、例えば、玩具、環境大気、および環境水における毒素の発見の問題ならびにその結果もたらされた規制は、毒性元素の判定のための分析器を緊急に必要としている。高度なＸ線蛍光（ＸＲＦ）分析器が、そのような毒素および種々の試料中の多くの他の対象となる物質、例えば、消費者製品中の毒素および石油製品中の種々の有害元素の数量化において有益な役割を果たすことができる。
【０００３】
１つの重要な例として、製造者、供給者、流通業者、小売業者、および規制組織が、幅広い消費財について毒性元素分析のための長期の解決策を必要としている。多くの新しい規制は、鉛（Ｐｂ）、水銀（Ｈｇ）、ヒ素（Ａｓ）、カドミウム（Ｃｄ）、クロム（Ｃｒ）、臭素（Ｂｒ）、セレン（Ｓｅ）、アンチモン（Ｓｂ）、バリウム（ＢＡ）、および塩素（Ｃｌ）など、多数の元素を検出することを製造者に要求する。ＥＵの規制において、均質材料における最高濃度は、六価クロム（Ｃｒ６＋）、Ｈｇ、Ｐｂ、ポリ臭化ビフェニル（ＰＢＢ）、およびポリ臭化ジフェニルエーテル（ＰＢＤＥ）では１０００ｐｐｍ、Ｃｄでは１００ｐｐｍである。子供用製品に関する新しい米国の規制（ＣＰＳＩＡ）は、より一層厳しい。例えば、玩具および子供の宝飾品類に関する鉛の最大許容レベルは、製品のいずれの接触可能部分においても１００ｐｐｍ以下である。
【０００４】
現行の測定方法は、十分な精度があるが現場の使用に適していないか、または現場で使用するために便利であり得るが十分な感度または反復可能性からほど遠いか、のいずれかである。結果として、この用途のための真に目的に適した分析器が必要とされている。製造施設のアットライン（at-line）もしくはオンラインで、または流通網の任意の場所において、単一の計器で決定的かつ最終的測定を実行するために、迅速、確実、便利、非破壊的、高感度、定量的および費用効果的な分析器に対する強い市場ニーズがある。汚染された製品がプロセスの最も有利な位置で除去されることで、偶発的な浪費および誤差を実質的に緩和しまたはさらに除去することが可能である。また、流通のいくつかの段階で、および規制当局によって材料および製品の順守を確認するために同様の機能について強いニーズがある。
【０００５】
毒素検出の既存の低コストの方法、例えば、スワブテスト（swab test）は、一般的に効果的ではない。必要な精度を実現するより高コストの方法は費用および時間がかかる。これらの方法は、試料を手作業でこすり取ること、それらを酸中で高温および高圧で分解すること（digesting）、試料を燃焼チャンバ内に導入すること、および燃焼生成物を分析することを伴う場合がある。現在広く使用されている１つの方法は誘導結合プラズマ発光分光法（ＩＣＰ−ＯＥＳ）であるが、この方法は費用がかかり、破壊的で遅い。あるいは、従来の手持ち式蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）銃は、高速で非破壊的であるが、規制濃度より高い場合のみ信頼でき、広いサンプル領域にわたって平均化され、また塗料層を別個に評価することができない。
【０００６】
後でさらに論じられるように、本発明は、高度なＸ線試料励起および単色化光学技法によって可能にされた、製造された製品中の毒素について速く正確な結果を得る測定解決法を提供する。そのような独自の光学部品は一般に、Ｘ線を集束する能力が１０〜１０００倍に改善され、光学部品が動作可能な分析器は、特にこれらを対象とする市場に適しており、測定を研究所から工場、現場、および診療所へと移している。
【０００７】
Ｘ線分析システムでは、高いＸ線ビーム強度および小さなビームスポットサイズが、試料露光時間を低減し、空間解像度を向上させ、その結果として信号対バックグラウンド比およびＸ線分析測定の全体的な特性を改善するために重要である。従来、研究所における回転陽極Ｘ線管またはシンクロトロンなど高価で強力なＸ線源が、高強度のＸ線ビームを生成するのに利用可能な唯一の選択肢であった。最近、Ｘ線光学デバイスの発達により、Ｘ線源からの発散放射を集めることが、Ｘ線を集束させることによって可能になった。Ｘ線集光光学部品と小型で低電力のＸ線源との組み合わせにより、より大型で高電力の高価なデバイスを用いて得られるビームに匹敵する強度のＸ線ビームを生成することができる。その結果、小型で安価なＸ線源と励起光学部品と収集光学部品との組み合わせに基づくシステムは、例えば小さな研究所における、また現場、工場、または診療所などにおけるＸ線分析機器の使用可能性および能力を大きく拡張しつつある。
【０００８】
励起および／または検出経路内のＸ線ビームの単色化もまた、対象の様々な元素（鉛など）に対応するＸ線エネルギースペクトルの部分を非常に正確に励起および／または検出するのに有用である。Ｘ線単色化技術は、光学結晶、例えばゲルマニウム（Ｇｅ）またはシリコン（Ｓｉ）の結晶でのＸ線回折に基づく。湾曲した結晶により、ターゲットに到達する光子の単色化が実現すると共に、Ｘ線源からターゲット上への発散放射の偏向を実現することができる。２つの一般的なタイプの湾曲した結晶が、単湾曲結晶（singly-curved crystal）類および二重湾曲結晶（doubly-curved crystal：ＤＣＣ）類として知られている。当技術分野でローランド円の幾何形状として知られているものを用いると、一重に湾曲した結晶は二次元での集束を実現し、それによって第３の平面または直交する平面に集束されていないＸ線放射が残る。二重に湾曲した結晶は、Ｘ線の線源から全三次元中の一点のターゲットへの集束を実現する。この三次元集束は、当技術分野で「二点間（point-to-point）」集束と呼ばれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第６，２８５，５０６号明細書
【特許文献２】米国特許第７，０３５，３７４号明細書
【特許文献３】米国特許第６，９３４，３５９号明細書
【特許文献４】米国特許第７，０７２，４３９号明細書
【特許文献５】米国特許第７，１１０，５０６号明細書
【特許文献６】米国特許第７，２０９，５４５号明細書
【特許文献７】米国特許第７，２５７，１９３号明細書
【特許文献８】米国仮特許出願第６１／０３３，８９９号明細書
【特許文献９】米国特許第７，７３８，６３０Ｂ２号明細書
【特許文献１０】米国特許出願公開第２０１１／０１７０６６６号明細書
【特許文献１１】国際特許出願ＵＳ２００９／０３５８４７号明細書
【特許文献１２】米国仮特許出願第６１／５５１，６０２号明細書
【特許文献１３】米国特許第６，３１７，４８３号明細書
【特許文献１４】米国特許第５，１９２，８６９号明細書
【特許文献１５】米国特許第５，１７５，７５５号明細書
【特許文献１６】米国特許第５，４９７，００８号明細書
【特許文献１７】米国特許第７，７３８，６２９号明細書
【特許文献１８】米国特許第５，７４５，５４７号明細書
【特許文献１９】米国特許第５，５７０，４０８号明細書
【特許文献２０】米国特許第５，６０４，３５３号明細書
【特許文献２１】米国特許出願公開第１１／９４１，３７７号明細書  参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる、本出願の譲受人に譲渡された特許文献１および特許文献２は、Ｘ線の集束と単色化のための湾曲したＸ線光学部品の様々な構成を開示している。一般に、これらの特許は、湾曲した光学素子に形成された結晶材料（例えば、Ｓｉ）のフレキシブル層を開示している。光学部品の単色化機能および伝達効率は、光学部品の結晶構造によって決定される。
【００１０】
集束および単色化Ｘ線光学部品を使用し、Ｘ線放射をより小さなスポットに高い強度で集束する能力が、Ｘ線管のサイズおよびコストの低減を可能にし、その結果、Ｘ線システムは研究所を越えて現場の実地使用まで急激に広まった。参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる、本出願の譲受人に譲渡された特許文献３および特許文献４は、励起経路および／または検出経路内で二重に湾曲した結晶光学部品を使用する単色波長分散蛍光Ｘ線（monochromatic wavelength dispersive x-ray fluorescence：ＭＷＤ  ＸＲＦ）技法およびシステムを開示している。これらの特許に記載されているＸ線光学動作可能なシステムは、例えば、様々な精油所、末端施設、パイプラインの環境における石油燃料中の硫黄の測定など、研究所を越えて広く成功を収めている。
【００１１】
このようなシステムでは、上記組み込まれた特許文献２に示されているように、線源と試料スポットによって画定される軸に沿って正確な光学的位置合わせが必要とされることがあり、特許文献２では、ブラッグの回折条件に従って動作する中心軸のまわりに湾曲した単色化光学部品を配置することを提案している。図１ａは、湾曲した光学部品１５２、Ｘ線源位置１５４、およびＸ線ターゲット位置１５６を有するこのＸ線光学構成１５０の代表的等角図である。Ｘ線源位置１５４とＸ線ターゲット位置１５６は、線源からターゲットまでの伝達軸１６２を画定する。光学部品１５２は、複数の個別光学結晶１６４を含むことができ、そのすべてが、軸１６２を中心として対称的に湾曲され配置され得る。複数の結晶１６４は、線源からターゲットまでの伝達軸１６２の周りの一回転のごく一部から全回転まで配置され得る。
【００１２】
図１ｂは、図１ａの切断線１ｂ−１ｂに沿った断面図であり、光学部品１５２の面、Ｘ線源位置１５４、およびＸ線ターゲット位置１５６が、光学部品１５２の１または複数の、半径Ｒのローランド（または焦点）円１６０および１６１を画定する。当業者であれば、結晶光学部品１５２または個別結晶１６４に付随するローランド円の数および向きが、光学結晶１５２の面の位置に伴って、例えば光学結晶１５２上の環状の位置の変動に伴って変化することを理解されよう。
【００１３】
光学結晶１５２の内部原子回折面はまた、その表面と平行でないこともある。例えば、図１ｂに示されるように、結晶１５２の原子回折面は、Ｘ線がその上で誘導される面とで、その面とその対応する光学円１６０または１６１との接点１５８において、角度γ１をなす。θＢは、結晶光学部品１５２のブラッグ角であり、この結晶光学部品の回折効果を決定する。各個別光学結晶は、一例では、上記組み込まれた特許文献１、名称「Curved Optical Device and Method of Fabrication」に開示されている方法により製作され得る。
【００１４】
すべての個別結晶１６４は、適切なブラッグ条件を得るために、線源からターゲットまでの軸１６２に対して位置合わせされなければならない。したがって、光学位置合わせの改善は、特にこのような複数結晶光学部品では、依然として関心がある重要な領域となっている。熱安定性、ビーム安定性、および位置合わせの問題に対応するために、本出願の譲受人に譲渡された特許文献５、特許文献６、および特許文献７に開示されているものなど、様々な光学部品／線源の組み合わせがすでに提案されている。これらの特許のそれぞれも、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【００１５】
上記のＸＲＦ技術およびシステムは、一般に同種の試料組成（例えば石油製品中の硫黄）を測定するための単一元素分析器では有用であった。しかしながら、製造された製品中の毒素の測定では、さらなるレベルの課題が提示される。まず、計器が、比較的限られたリスト、例えば、前述の１０の有毒元素から、複数の元素を同時またはほぼ同時に測定する能力を有さなければならない。さらに、製造された製品は本質的に異種からなる可能性が高く、そのため、いくつかの異種層の１つの層中の毒素（例えば、塗料層中および塗料の下の基板層中の別個の鉛のレベル）を検出できる能力と共に、小さなスポット分解能が必要になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
したがって、改善されたＸ線分析の方法およびシステムでは、潜在的に異種からなる試料中の複数の毒素を測定することに関連する問題に対処して、工場および／または現場における毒素の測定を可能にすることが必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
これらの問題を解決するための改善された複数の単色Ｘ線励起技法およびシステムが本明細書に開示される。これらの技術は、規制で現在義務付けられる低いレベルで消費者製品内の毒素（例えば、鉛、カドミウムなど）のレベルを定量化することができ、また、塗料層と塗料層の下の基板とにおける毒素の差異を識別することができ、他の産業（例えば、石油）にも重要な元素分析機能を提供することができる。
【００１８】
その点で、一形態における本発明は、試料スポットを分析するためのＸ線分析装置である。Ｘ線管は、その上に電子が衝突して発散Ｘ線ビームを形成するターゲットを含む。前記ターゲットは、第１のターゲット材料および第２のターゲット材料から形成される表面を有し、各ターゲット材料は、前記電子による衝突があるとそれぞれのエネルギープロファイルを放出するように調整される。前記発散Ｘ線ビームを受け取り、前記試料スポットに前記ビームを向けるための第１のＸ線光学部品が提供可能であり、前記第１のＸ線光学部品は、前記第１のターゲット材料によって放出されたエネルギーから第１のエネルギーへ前記発散Ｘ線ビームを単色化し、また、前記発散Ｘ線ビームを受け取り、前記試料スポットに前記ビームを向けるための第２のＸ線光学部品も提供可能であり、前記第２のＸ線光学部品は、前記第２のターゲット材料によって放出されたエネルギーから第２のエネルギーへ前記発散Ｘ線ビームを単色化する。前記第１の単色化されたエネルギーおよび前記第２の単色化されたエネルギーによって誘起された前記試料スポットからの蛍光は、試料中の少なくとも１つの元素の濃度を測定する、または被覆および下部基板における元素を別個に測定するために使用される。
【００１９】
前記ターゲットのために３以上のターゲット材料が使用されてもよい。前記ターゲット材料は、前記ターゲット上の別々の層に形成されてもよく、単一の層で合金とされてもよく、またはその両方の組み合わせであってもよい。前記材料は、特性エネルギーおよび／または制動放射を放出することができ、前記Ｘ線光学部品は、特定のＸ線エネルギーに単色化をするように調整され得る。必要とされる測定に応じて、管エネルギーおよび／または光学部品の間の順序付けも実施され得る。
【００２０】
本発明とみなされる主題は、本明細書の最後の特許請求の範囲に具体的に指し示され明瞭に請求される。本発明の上記その他の目的、特徴、および利点は、添付の図面と併せて読まれる以下の詳細な説明から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１ａ】位置合わせを必要とする、軸の周りの液晶Ｘ線光学部品の例示的な配置を示す図である。
【図１ｂ】位置合わせを必要とする、軸の周りの液晶Ｘ線光学部品の例示的な配置を示す図である。
【図２】本発明の一形態による位置合わせされたＸ線光学部品および線源のアセンブリの斜視図である。
【図３】本発明による、単色化された励起エネルギーによる種々の元素ピークおよび複数の単色励起エネルギービームの可能な配置を示す図である。
【図４ａ】本発明による、改善された励起Ｘ線管を有するＥＤＸＲＦおよびＭＷＤＸＲＦ分析器の設計の概略図である。
【図４ｂ】本発明による、改善された励起Ｘ線管を有するＥＤＸＲＦおよびＭＷＤＸＲＦ分析器の設計の概略図である。
【図５】本発明による、異なる層の複数の材料から形成された陽極表面を有する例示的なＸ線管の概略図である。
【図６】本発明による、単一の合金層の複数の材料から形成された陽極表面を有する例示的なＸ線管の概略図である。
【図７】本発明の一形態による、完成した４層Ｘ線光学構造を示す図である。
【図８ａ】上記の層状構造を用いた、点集束の二重湾曲単色化光学部品の一実施形態を示す図である。
【図８ｂ】図８ａの光学部品の線Ａ−Ａに沿った断面立面図である。
【図９】上記の層状構造の複数の（類似または異なる）例を用いた、集束を行う湾曲単色化光学部品の他の可能な実施形態（およびローランド円の幾何形状を説明する）を示す図である。
【図１０】本発明の原理による、試料上に懸架された分析器エンジンの斜視図である。
【図１１】本発明の原理による、例示的なハンドヘルド式Ｘ線分析機器および関連するヒューマンインターフェースモジュールの斜視図である。
【図１２】図１０および／または図１１の分析器の例示的なグラフィカルユーザインターフェースを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
改善されたＸ線源アセンブリ：
本発明に基づいて、図２は、本発明による高度に位置合わせされたＸ線光学部品および線源のアセンブリ２００の一実施形態を示す。このパッケージの様々な態様は、本出願の譲受人に譲渡された、先に出願された２００８年３月５日出願のX-RAY OPTIC AND SOURCE ASSEMBLY FOR PRECISION X-RAY ANALYSIS APPLICATIONSという名称の特許文献８、および第６１／０３９，２２０号として２００８年３月２５日に出願されたHIGHLY ALIGNED X-RAY OPTIC AND SOURCE ASSEMBLY FOR PRECISION X-RAY ANALYSIS APPLICATIONSという名称の特許文献９、および第６１／０４２，９７４号として２００８年４月７日に出願され２０１１年７月１４日に発行されたXRF SYSTEM HAVING MULTIPLE EXCITATION ENERGY BANDS IN HIGHLY ALIGNED PACKAGEという名称の特許文献１０、２００９年３月３日に出願されたXRF SYSTEM HAVING MULTIPLE EXCITATION ENERGY BANDS IN HIGHLY ALIGNED PACKAGEという名称の先に出願されたＰＣＴ出願の特許文献１１、および２０１１年１０月２６日に出願されたSUPPORT STRUCTURE FOR MULTIPLE HIGHLY ALIGNED X-RAY OPTICSという名称の特許文献１２に開示されており、それぞれは、Ｘ−Ｒａｙ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，  Ｉｎｃ．および本発明の譲受人に譲渡され、それぞれは、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【００２３】
これらの出願で論じられているように、このアセンブリは、第１の部分２１０、第２の部分２２０、および第３の部分２３０を含み、これらが一緒に、Ｘ線管２４０を中心の伝達軸Ｚに沿って試料スポット２５０に対して位置合わせする。（本明細書の他の箇所で論じられるように）やはり伝達軸Ｚに対して位置合わせが必要な、例示的な単色化光学部品を保持する複数の光学部品キャリッジアセンブリ２２２、２２４、および２２６もまた、この軸に沿って位置合わせされる。
【００２４】
効率的、経済的で可搬の分析機能を実現する能力は、Ｘ線管および光学部品技術に大きく依存する。その点に関して、より小さい可搬のシステム、例えば、小型の電子衝撃Ｘ線管については、特定の管と光学部品技術を組み合わせることができる。このタイプのＸ線管の一例では、Ｏｘｆｏｒｄ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓのシリーズ＃５０００が利用可能であり、これは、管１本当たり２０００ドル未満のコストで、１００ワット未満（すなわち、７５ワット）で動作し、多くの用途では法外なコストである何千ドルまたは何十万ドルにもなり得る高電力の研究用線源とは対照的である。別の例は、（ここで図示のものと類似する）Ｖａｒｉａｎ  ＶＦ−５０Ｊであり、形が管状で、５０ワット以下で動作し、それぞれが数千ドルのコストであり、以下でさらに論じられるようにモリブデン（または他の）材料を用いる。
【００２５】
部分２１０、２２０、および２３０は、例示的な管形状の形で示されている。具体的には、これらの部分は、円形の断面を有し、管形状の一種であるおおよそ円筒の形状で示されている。管状部分２１０および２２０の断面はまた、正方形、長方形などとすることもできる。円形の断面を有する図示の管形状は、外周部はめ合わせ面および内周部はめ合わせ面を用いて、断面対断面の位置合わせ技法を可能にする。
【００２６】
第２の部分２２０はまた、光学部品キャリッジ２２２、２２４、および２２６の取付けにも対応し、これらは、それぞれＸ線光学部品（図示せず）を、部分２２０に調整可能に装着し位置合わせして最終的に伝達軸Ｚと位置合わせするように製作されてよく、または（図示せず）、この部分は、上記組みこまれたSUPPORT STRUCTURE FOR MULTIPLE HIGHLY ALIGNED X-RAY OPTICSという名称の特許文献１２に従って形成されてもよい。Ｘ線ビーム集束および／または単色化は、特定の集束および／または平行化光学部品、例えば、本出願の譲受人に譲渡された特許文献１、特許文献１３、および特許文献２に開示されるような湾曲した結晶単色化光学部品、ならびに／または多層光学部品、ならびに／またはＨＯＰＧ光学部品、ならびに／または本出願の譲受人に譲渡された特許文献１４、特許文献１５、特許文献１６、特許文献１８、特許文献１９、および特許文献２０に開示されているようなポリキャピラリ（polycapillary）光学部品を使用して、達成することができる。上記の特許のそれぞれは、参照によりその全体を本明細書に組み込まれる。特に対象となるのは（本明細書の他の箇所で論じられる）湾曲した単色化光学部品であり、これは、対象の適切なブラッグ条件に適合するように、伝達軸に沿って、かつ伝達軸から特定の距離で、精密な位置合わせを必要とする。
【００２７】
第３のハウジング部分２３０は、そのノーズコーンの先端に開口を含み、この開口は、（１または複数の）光学部品からの（１または複数の）集束Ｘ線ビームで試料スポット２５０を適正に照明するために、伝達軸Ｚと位置合わせする必要がある。この部分内のコーンは、部分２３０に堅固または調整可能に装着された追加の遮蔽部に含まれてもよい。部分２３０はまた、その上に堅固に装着された例示的なエネルギー分散型検出器２６０を有することもでき、このエネルギー分散型検出器２６０自体は、伝達軸Ｚに対して厳密な位置合わせを必要とする。部分２３０および／またはそのノーズコーンは、伝達軸Ｚに直交する方向に調整され得る。他のタイプの光学部品および検出器（例えば、波長分散型）もまた、検出経路中に同様の光学部品を用いて、または用いずに使用されてもよい。
【００２８】
それ自体のキャリッジ２７２を有する自動シャッタシステムも図示されており、このシャッタは、Ｘ線の安全のために（すなわち、完全阻止シャッタとして）使用することができ、また、個別非同時励起から全同時励起までの範囲の任意の組み合わせ、またはこれらの励起の任意の組み合わせの形で、（光学部品からの）どのＸ線ビームを試料に当てるべきかを選択するために使用することもできる。これは特に、以下で論じられる多エネルギー励起技法で重要である。
【００２９】
本発明の別の態様によれば、装置２００の複数の光学部品は、それぞれ異なるものとすることができ、すなわち、Ｘ線エネルギー帯のそれぞれの領域における元素検出および数量化を最適にするように、Ｘ線エネルギースペクトルの異なる部分に適合させることができる。一般に、蛍光発光すべき元素、したがって検出および測定される元素に対し、励起エネルギーは、その元素のＸ線吸収端以上になければならない。したがって、対象の元素すべてを蛍光発光させるには、対象の元素の吸収端を超える励起エネルギーが必要になる。
【００３０】
一例として、図３を参照すると、例えば、約１７ｋｅＶにおけるモリブデンターゲットＸ線管からの、特性エネルギー線Ｅ１が、上記で論じられたように点集束単色化光学部品を使用して試料に集束され、それによって、一般に１７ｋｅＶよりも低い対象の蛍光線を有するすべての元素が蛍光発光し得る。しかしながら、その励起効果は、ずっと低い蛍光線（例えば、この例では１０ｋｅＶ未満）を有する元素については徐々に減少する。
【００３１】
本発明によれば、（１または複数の）追加の光学部品を使用して、同一のＸ線管から伝達される非特性の広い制動放射エネルギーを同時に捕捉し、例えば、点集束単色化光学部品それぞれからのエネルギーＥ２、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５・・・の各線のところに、励起エネルギーの追加の線を得ることができる。後でさらに論じられるように、１７ｋｅＶよりも高いエネルギー（図示せず）も使用され得る。この技法は、周期表中の様々な範囲の元素の効率的で低バックグラウンドの励起に使用することができる。これらの光学部品はまた、管が、それぞれの特性線を有する複数の材料を含む場合に、管から異なる特性エネルギーを捕捉するためにも使用され得る。
【００３２】
上記で論じられた例示的なシステム実施形態２００では、３つの光学部品がそれぞれ、３１ｋｅＶ（制動放射から）、１７ｋｅＶ特性モリブデン線を、７ｋｅＶ線（やはり制動放射から）と共に与える。
【００３３】
これらの線により、周期表の以下のおおよその範囲の（それらの原子番号と共に列記される）対象元素の最適励起を実現することができる。
【００３４】
３１ｋｅＶ：およそＺｒ（４０）からＴｅ（５２）まで
１７ｋｅＶ：およそＣｌ（１７）からＢｒ（３５）まで；Ｒｂ（３７）からＳｒ（３８）まで；Ｚｒ（４０）；Ｃｓ（５５）からＢｉ（８３）まで；Ｔｈ（９０）；Ｕ（９２）
７ｋｅＶ：およそＡｌ（１３）からＣｏ（２７）まで
異なる光学部品および管材料を使用することによって、異なる励起角度および／またはエネルギーが同時に（または順次に、またはシャッタシステムを使用してこれらの任意の組み合わせで）試料に適用され得る。異なるエネルギーは異なる蛍光効果を引き起こすので、より多くの情報が検出経路内で決定され得る。例えば、より高いエネルギーが、より深い深部に浸透し、材料中の（塗装層ではなく）基板層を検出するのに使用され得る。さらに、低いエネルギーは塗料レベルに浸透できるが、結果として生じた蛍光は浸透できず、それによって材料構成がより的確に洞察される。
【００３５】
いくつかの元素は、一般に検出器の分解能を超える間隔でエネルギー帯内に存在し（例えばＣｄとＳｎ）、実際、部分的に重なるＫ／Ｌ線および吸収エネルギーを有する。またスズ（Ｓｎ）は、一般に使用される鉛代替物であるが、検出経路内のカドミウムを隠すことがある。したがって、高い方の元素（Ｓｎ）の吸収のすぐ下での励起を用い、それによってスズは励起しないがカドミウムはすべて効果的に励起して、低い方の元素（Ｃｄ）を分離することができる。
【００３６】
２つの異なる励起エネルギーによって生じる蛍光スペクトルの比もまた、試料についての付加的な情報を得るために利用され得る。
【００３７】
改善されたＸ線エンジン：
本発明による改善されたＥＤＸＲＦエンジン３００が、低（３２６）、中、（３２４）、および高（３２８）エネルギー励起ビームを有する小スポットの三色のシステムの例示的形態にある概略的形態で図４ａに示される。ユニットは、これら３つのＤＣＣ光学部品、発散Ｘ線ビーム３４２を生成する１つの小スポットのＸ線管３４０、およびエネルギー分散型検出器３５０からなる。短い焦点距離を有する３つのＤＣＣ光学部品は、低、中、および高エネルギーＸ線３４４を試料３６０上の単一スポットに集束させて、蛍光発光を誘導するために使用され得る。短い焦点距離は、非常にコンパクトな幾何形状を可能にできる。低および中エネルギー光学部品と異なり、高エネルギー光学部品は、線源からまたは管上の異なる材料から低強度で放出される制動放射または他の特性線光子を回折することができる。後でさらに論じられるように、革新的な３６０°多層ＤＣＣ光学部品が、例えば、低レベルＣｄおよびＳｂ分析のために、高Ｘ線束を得るために使用され得る。エネルギー分散型検出器３５０、一実施形態ではシリコンドリフト検出器（ＳＤＤ）が、蛍光スペクトルを分析するために使用され得る。システム全体は、約４５×４０×３０ｃｍ（１８×１６×１２インチ）かつ重さ約９ｋｇ（２０ポンド）であるように設計されて、上記で論じられた（例えば、アットラインまたはオンラインで）動作要件を満たすことが可能である。
【００３８】
この分析器において、３つのビームの散乱ピークは、単色励起によって与えられた低スペクトルバックグラウンドにより、測定され得る。より重要なことに、３つのエネルギー全部からの散乱ピークは、層状試料の定量分析のために非常に役に立つ情報を提供する。３つのビームのサンプリング深さの差が、ＦＰ分析を用いて層状試料中の元素濃度を得るためのソフトウェア論理および制御アルゴリズムの物理的基礎を提供する。
【００３９】
後でさらに論じられるように、Ｘ線管３４０はＸ線励起エネルギーに一定の改善をもたらして、さらに追加の利点を実現する。
【００４０】
図４ｂは、やはり本発明によって改善された改良型のＭＷＤ  ＸＲＦ  Ｘ線分析エンジン３０１を概略図で示す。Ｘ線分析エンジンは、例示的な試料セル３６０における試料との位置合わせを必要とする焦点を有することがある。エンジン３０１はまた、一実施形態では、（電源３４１によって電源供給される）Ｘ線源３４０、および検出器３５０を含む。Ｘ線光学部品３２５および／または３２６は、エンジンの励起および／または検出経路内に配置され得る。これらの光学部品は、上記で論じられたように、必須の検出限界で機能するための試料スポットとの高度な位置合わせを提供する。
【００４１】
これらのシステムのいずれかのための光学部品は、例えば、本出願の譲受人に譲渡された特許文献１、特許文献１３、特許文献２、および特許文献１７に開示されているような湾曲した結晶単化光学部品、ならびに／または多層光学部品、ならびに／またはＨＯＰＧ光学部品、ならびに／または本出願の譲受人に譲渡された特許文献１４、特許文献１５、特許文献１６、特許文献１８、特許文献１９、および特許文献２０に開示されているようなポリキャピラリ光学部品を含むことができる。本出願の譲受人に譲渡された特許文献５および特許文献６に開示されているような光学部品／線源の組み合わせも使用可能である。上記の特許のそれぞれは、参照によりその全体を本明細書に組み込まれる。
【００４２】
改善されたＸ線管ターゲット：
本発明は、一実施形態において、Ｘ線源ターゲット材料および動作原理における以下の改善点に関する。改善された線源ターゲット材料および動作ｋＶ電位は、特に、本明細書の他の箇所で説明される光学部品と組み合わせて使用されるとき、励起エネルギーのさらなる個別調整をもたらすことができる。「管」および／または「線源」という用語は本明細書では広く使用され、例えば、電子衝撃による、刺激によってターゲットからＸ線を生成する任意のタイプのデバイスを含意し、また、任意の端窓または側窓の実施形態を含むことができる。以下の材料層は、限定なしに、反射面と透過面の両方の様式のＸ線源に適用可能である。
【００４３】
簡単に要約すると、Ｘ線管は、その上に電子が衝突して発散Ｘ線ビームを形成するターゲットを含む。ターゲットは、第１のターゲット材料および第２のターゲット材料から形成される表面を有し、各ターゲット材料は、電子による衝突があるとそれぞれのエネルギープロファイルを放出するように調整される。発散Ｘ線ビームを受け取り、試料スポットにビームを向けるための第１のＸ線光学部品が提供可能であり、第１のＸ線光学部品は、第１のターゲット材料によって放出されたエネルギーから第１のエネルギーへ発散Ｘ線ビームを単色化し、発散Ｘ線ビームを受け取り、試料スポットにビームを向けるための第２のＸ線光学部品も提供可能であり、第２のＸ線光学部品は、第２のターゲット材料によって放出されたエネルギーから第２のエネルギーへ発散Ｘ線ビームを単色化する。第１の単色化されたエネルギーおよび第２の単色化されたエネルギーによって誘起された試料スポットからの蛍光は、試料中の少なくとも１つの元素の濃度を測定する、または被覆および下部基板における元素を別個に測定するために使用される。
【００４４】
ターゲットのために３以上のターゲット材料が使用されてもよい。ターゲット材料は、ターゲット上の別々の層に形成されてもよく、単一の層で合金とされてもよく、またはその両方の組み合わせであってもよい。材料は、特性エネルギーおよび／または制動放射を放出することができ、Ｘ線光学部品は、特定のＸ線エネルギーに単色化をするように調整され得る。必要とされる測定に応じて、管エネルギーおよび／または光学部品の間の順序付けも実施され得る。
【００４５】
本発明のこれらの形態に従って、電子銃／フィラメント３４５を有する例示的な小型電子衝撃Ｘ線管３４０が図５に模式的に示されており、電子銃／フィラメント３４５は、電子３４６がターゲット３４４に向けて熱的に放出されるような温度に（電圧を印加することにより）加熱され得る。これら放出された電子は、電位差によって、ターゲット材料で覆われたターゲット（例えば、陽極）３４４へ加速され、そこでターゲットの所与の表面領域内に衝突する。加速された電子とターゲットの原子との衝突の結果として、発散Ｘ線３４２がターゲットから放射される。スポットサイズを制御するために、電磁フォーカシング（electromagnetic focusing）３４７がフィラメント３４５とターゲット（例えば、陽極）３４４との間に配置され得る。
【００４６】
本発明によれば、ターゲット３４４は、電子３４６に応答してそれぞれが異なるＸ線特性エネルギーまたは他のエネルギープロファイルをもたらす２つ以上の材料によって被覆されてもよい。図５に示される１つの例として、３つの異なる材料３５２、３５４、および３５６の３つの層がそれぞれ、ターゲット３４４の上面に形成される。これらの材料のそれぞれは、管から放射されたＸ線３４２が異なる特性エネルギーを含むことができるように、異なる特性Ｘ線エネルギーまたは他のエネルギープロファイルを有するように選択され得る。一例では、（約６．４ｋｅＶのＫα線を有する）Ｆｅ上層が、（約１７．４ｋｅＶのＫα線を有する）Ｍｏの層の上に塗布され得る。これは、より多くまた予測可能なＸ線エネルギーが、試料に伝達されるのを可能にする（場合によっては、さらなるスペクトル絞込み（spectral narrowing）のために上記で論じられた励起光学部品によって単色化される）。別の例では、（約６．９ｋｅＶのＫα線を有する）Ｃｏ上層が、（約１７．４ｋｅＶのＫａ線を有する）Ｍｏの層の上に塗布され得る。
【００４７】
必須ではないが、一般的に、より低いＸ線特性エネルギーを有する材料は、より上の層に配置されるべきであるが、それは、より高いｋＶ電子ビームがより低い層に向かってより上の層を貫通し、より上の層を除外してより低い層をより効率的に励起させる傾向があり、一方、より低いｋＶ電子ビームはより上の層を貫通せず、したがって、より上の層の材料をその特性エネルギーでより効率的に励起させるからである。
【００４８】
印加された管電位ｋＶが（例えば、電力ケーブル３４１を介して）外部から制御されてもよく、それにより、（例えば、制御可能な電力供給部（図示せず）を使用して）いくつかの所望の特性エネルギーを個別に生成して、複数のターゲット材料層による所望のＸ線エネルギーの励起をさらに最適化し、また、一実施形態では、制御可能な順序付け技法を用いて、測定要件に応じて、順々に異なるエネルギーを択一的に利用する。光学的順序付けは、管ｋＶ順序付けと別個にまたは組み合わせて使用されてよく、一実施形態では、上記に論じられたシャッタの使用、必要に応じて光学部品を物理的にずらすこと、または異なる表面領域にわたって異なる材料を有するように形成され得るターゲットの別々の領域における「点」に対する光学部品の入力開口を使用することを含む。
【００４９】
本発明の別の態様に従って、電子銃／フィラメント３４５を有する同様の例示的な小型電子衝撃Ｘ線源３４０が図６（ここでは同様の番号が同様の要素を示すために使用される）に概略的形態で示されており、電子銃／フィラメント３４５は、電子３４６がターゲット３４４に向けて熱的に放出されるような温度に（電圧を印加することにより）加熱され得る。これら放出された電子は、電位差によって、ターゲット材料で覆われたターゲット（例えば、陽極）３４４へ加速され、そこでターゲットの所与の表面領域内に衝突する。加速された電子とターゲットの原子との衝突の結果として、発散Ｘ線３４２がターゲットから放射される。スポットサイズを制御するために、電磁フォーカシング３４７がフィラメント３４５とターゲット（例えば、陽極）３４４との間に配置され得る。
【００５０】
本発明によれば、ターゲット３４４’は、電子３４６に応答してそれぞれが異なるＸ線特性エネルギーまたは他のエネルギープロファイルをもたらす２つ以上の材料によって被覆されてもよい。図６に示される１つの例として、２つの異なる材料からなる単一層３６０が、ターゲット３４４’の上面に形成され得る。図５にあるように、これらの材料のそれぞれは、管から放射されたＸ線３４２が異なる特性エネルギーを含むことができるように、異なる特性Ｘ線エネルギーまたは他のエネルギープロファイルを有するように選択され得る。しかしながら、この例では、２つの異なる材料が共通の層３６０として合金にされる。
【００５１】
一例では、（約３４．７ＫｅＶのＫα線を有する）Ｃｅ材料が、（約１７．４ＫｅＶのＫα線を有する）Ｍｏの材料に混ぜられて合金にされ得る。これは、より多くまた予測可能なＸ線エネルギーが、単一のターゲット層から試料に伝達されるのを可能にする（場合によっては、さらなるスペクトル絞込みのために上記で論じられた励起光学部品によって単色化される）。
【００５２】
別々の材料層（図５）と合金化された材料層（図６）との組み合わせが使用されてもよい。例えば、（約６．９ｋｅＶのＫａ線を有する）Ｃｏ上層は、（約１７．４ＫｅＶのＫα線を有する）Ｍｏのみの基部の別個の層の上に一緒にある（約３４．７ＫｅＶのＫα線を有する）Ｃｅ材料と（約１７．４ＫｅＶのＫα線を有する）Ｍｏとの合金層の上に塗布され得る。この例では、より低いＸ線特性エネルギーを有する材料（Ｃｏ）は、より上の層に配置されるが、それは、より高いｋＶ電子ビームがより低いＣｅ／Ｍｏ層およびＭｏ層に向かってより上の層を貫通し、より上の層を除外してより低い層をより効率的に励起させる傾向があり、一方、より低いｋＶ電子ビームはより上の層を貫通せず、したがって、より上の層（Ｃｏ）の材料をその特性エネルギーでより効率的に励起させるからである。
【００５３】
上記のように、印加された管電位ｋＶが制御されてもよく、それにより、（例えば、制御可能な電力供給部（図示せず）を使用して）いくつかの所望の特性エネルギーを個別に（例えば、電力ケーブル３４１を介して）生成して、複数のターゲット材料層による所望のＸ線エネルギーの励起をさらに最適化し、また、一実施形態では、制御可能な順序付け技法を用いて、測定要件に応じて、順々に異なるエネルギーを択一的に利用する。光学的順序付けは、管ｋＶ順序付けと別個にまたは組み合わせて使用されてよく、一実施形態では、上記に論じられたシャッタの使用、必要に応じて光学部品を物理的にずらすこと、または異なる表面領域にわたって異なる材料を有するように形成され得るターゲットの別々の領域における「点」に対する光学部品の入力開口を使用することを含む。
【００５４】
ターゲット材料およびチューブｋＶは、線源からのより広い帯域の制動放射エネルギーを励起するように選択可能であり、この制動放射エネルギーは、システム要件に応じて、単色化光学部品によってスペクトルが狭くされる（または狭くされない）ことが可能である。予測可能なＸ線エネルギープロファイルを有する任意の材料が使用可能であり、それらの材料は、Ｒｈ、Ｗ、Ｃｒなどを含むがこれらに限定されない上記および他の材料を含む。ターゲット層は、種々の蒸着および／またはスパッタリング技法を用いて形成され得る。
【００５５】
改善されたＸ線光学部品：
本発明は、一実施形態において、Ｘ線光学部品における以下の改善点にも関し、これらの改善点は、上記の管の改善点を含むがこれらに限定されない本明細書に開示された任意の改善点と組み合わせて使用され得る。改善された光学部品が、様々な元素励起範囲について、例えば、異なるエネルギー、異なる入力焦点距離（出力焦点距離と等しいことが多いが必ずしも等しくない）、および異なる結晶光学部品について開示される。本明細書で使用されるとき（限定ではないが）、低エネルギーは、約３から７ｋｅＶを意味し、中エネルギーは、約１５から２０ｋｅＶを意味し、高エネルギーは、３０から４０ｋｅＶまたはそれ以上を意味する。
【００５６】
異なる結晶材料すなわちシリコン（Ｓｉ）およびフッ化リチウム（ＬｉＦ）を使用する２つの光学部品が開示されている。光学部品によって選択された対象のエネルギーは、光学部品の性能を最大限にするために、陽極ターゲット材料からの強い特性線である必要がある。ＬｉＦ（２００）は、湾曲した結晶光学部品の単色ビーム束を増大することができる。ＬｉＦは、広いロッキングカーブを有し、より大きい線源スポットサイズからより多くの光子を補足することができ、したがって、より大きい線源スポットサイズからの回折効率がＳｉ結晶のそれよりも高い。したがって、回折光束は、より大きい線源スポットサイズ（例えば、＞５００μｍ）においてＳｉ結晶より非常に大きい。加えて、ＬｉＦは、同じ厚さにおいてＳｉよりも容易に曲げられる。ＳｉおよびＬｉＦから作られる光学部品は共に、本明細書の他の箇所で論じられるようにヨハン幾何形状設計を有することがある。
【００５７】
高強度ビームを得るために、非常に高い収集立体角を有する幾何形状が開示される。ＬｉＦの完全に回転される楕円二点間集束（fully revolved ellipsoid point-to-point focusing）が、図４に示されるようにこの高エネルギー光学部品に関して開示されている。完全な３６０°の楕円体光学部品を実現するために、それぞれが約１２０°の回転角を有する３つの類似した楕円セグメントが開示されている。３つのセグメントは、同じ焦点に位置合わせされ、完全に一回転した光学部品を形成する。この設計の全収集立体角は、＞０．０３ｓｒとすることができ、これは、以前の設計よりも約４０倍大きい。楕円の焦点から放射される点源からの入射角のわずかな変化のため、反射エネルギーバンド幅が広められる。
【００５８】
上記の集束光学部品のいずれでも達成可能なスポットサイズは、直径約０．４ｍｍから０．８ｍｍ、１．０ｍｍ、２．０ｍｍの範囲に及ぶことができ、消費者製品上の小さなフィーチャの分析を促進する。加えて、光学部品は、光学部品の形状に応じて、任意の形状でスポットサイズを生成することが可能である。
【００５９】
上記に論じられた層状光学部品のいずれも、本出願の譲受人に譲渡された先に出願された２００７年１１月１６日出願のX-RAY FOCUSING OPTIC HAVING MULTIPLE LAYERS WITH RESPECTIVE CRYSTAL ORIENTATIONSという名称の特許文献２１に説明されている技法に従って実装可能であり、この文献は参照によりその全体が組み込まれる。
【００６０】
図７は、１つのそのように得られた薄い層状構造１１０を示し、層状構造１１０は、４つの完成した層を有し、各層がそれ自体の予め定められた結晶方位を有する。この例では４層が示されているが、本発明は、設計パラメータに応じて任意の複数の層を包含することができる。しかも、すべての方位が異なる必要はない。各層の結晶方位を予め定めることによって、構造全体の回折特性が最適化され得る。
【００６１】
個々の結晶層のそれぞれは、個々の回折効果をもたらす。これらの回折効果は個別にモデル化でき、次いで、最終的な光学部品におけるそれらの集合的効果が予測され最終的な設計基準に従って実装され得る。これは、既知の「多層」光学部品と対照的であり、「多層」光学部品は、オングストローム／ナノメートル厚さの多くの層を有し、それぞれは個々の解析効果を持たないが、層間の相互作用が全体的な解析効果をもたらす。
【００６２】
本発明の別の態様では、同じ光学部品において、層間で同じまたは異なる結晶方位（またはその組み合わせ）を有する、異なる材料組成の層が用いられてよく、また、層間で同じまたは異なる結晶方位（またはその組み合わせ）をやはり有する、類似の（または同じ）材料組成の層が用いられてもよい。本発明のこれらの態様のいずれにおいても、絶縁物上の材料（material-on-insulator）が使用されてよく、または、接着剤（例えば、エポキシ）層が、上記組み込まれた出願で論じられた一連のステップに従って隣接結晶層を結合するために使用されてもよい。
【００６３】
次いで、構造１１１０は、二重に湾曲した結晶（ＤＣＣ）の光学部品（またはその個々のセグメント）を含む、湾曲した単色化光学部品として形成され得る。そのような二重に湾曲した光学デバイスの一実施形態は、図８ａおよび図８ｂに示されており、詳細には、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる２００１年９月４日発行の特許文献１に説明されている。
【００６４】
図８ａの実施形態では、二重に湾曲した光学デバイスは、フレキシブル層状光学部品１１１０、厚いエポキシ層１１１２、および背板１１１４を含む。デバイスの構造は、図８ｂにおける断面立面図にさらに示されている。
【００６５】
このデバイスにおいて、エポキシ層１１１２は、フレキシブル層１１１０を、湾曲を有する選択された幾何形状に保持し拘束する。好ましくは、エポキシ層の厚さは２０μｍより大きく、フレキシブル層の厚さは５μｍより大きい。さらに、エポキシ層の厚さは、典型的にはフレキシブル層の厚さより厚い。フレキシブル層は、本明細書に論じられるものを含む多くの様々な材料のうちの１つであってよい。エポキシ層１１１２は、粘性度が１０３から１０４ポアズの程度で、ポットライフ（pot life）が３０から６０分であるペースト状のものであってよい。背板１１１４は、エポキシとよく接着する固形物であってよい。背板の表面１１１８は、平坦であっても（図８ａ）または湾曲していてもよく、その正確な形状および表面仕上げは、フレキシブル層の形状および表面仕上げに対して決定的ではない。図８ａおよび図８ｂのデバイスでは、特別に作製された背板は必要ではない。
【００６６】
フレキシブル層の周囲には薄いプラスチックなどの薄いシートの保護材料１１１６があってもよく、これはフレキシブル層の縁部の周りで使用される（図８ａ参照）。この保護材料は、鋳型が再利用できるように製造鋳型を保護するが、フレキシブル層とサイズがぴったりかそれより小さい鋳型の場合、または犠牲鋳型の場合には必要ないであろう。
【００６７】
本明細書に開示される任意の光学部品は、これらに限定されないが単一方向の湾曲（一重に湾曲した結晶−ＳＣＣ）、二方向の湾曲（二重湾曲結晶−ＤＣＣ）、および他の設計を含めて、用途に応じて何らかのやり方で形状が定められ得る。二重に湾曲した結晶（ＤＣＣ）光学部品のような二重に湾曲した光学部品デバイスは、材料解析で、大きな立体角からのＸ線を集めて集束させ、Ｘ線源からの利用可能な線束を増加させるために使用されることがある。特性Ｘ線の三次元的な集束は、小さなＸ線源で使われるトロイダル結晶からの回折によって実現可能である。この二点間のヨハン（Johan）幾何形状が、図９に示されている。各結晶光学素子１２００の回折面は、結晶表面に平行にすることができる。点線源および焦点を含む焦点円１２１０が半径Ｒ０を有する場合、結晶表面は、例えば、焦点円の面内で２Ｒ０の曲率半径Ｒを有し、垂直な面内ではｒ＝２Ｒ０ｓｉｎ２θＢｒａｇの曲率半径を有し、その半径は線源と焦点の間を結ぶ線分上に中心を持つ。線源から発散し、結晶のロッキングカーブ内の角度で結晶表面に入射するＸ線は、焦点すなわち像点へ効率よく反射される。ＤＣＣベースのシステムに対する焦点での単色線束密度は、より強力な線源および同程度の線源から対象までの距離を持つ従来のシステムのものよりも数桁大きい。この増大は、（本明細書に説明されるように）Ｘ線の蛍光および回折を含む多くの異なる応用分野で用いられる非常に高い感度を実現する。
【００６８】
さらなる向上として、図９は、光学デバイスが、ローランド円の周りに格子パターンで配置された複数の二重に湾曲した結晶光学素子１２００を含むことができることを示しており、各素子は、（素子間で類似するまたは異なる層構造を有する）上記に論じられたようなフレキシブル構造１１１０から形成されている。このような構造は、ブラッグ回折によって発散放射の捕捉および方向付け変更を最適化するように構成されてもよい。一態様では、様々な原子的回折面方位を有する複数の光学結晶が、発散Ｘ線を捕捉して焦点へ集束させるために使用され得る。別の態様では、結晶の二次元または三次元マトリクスがＸ線源に対して配置されて、発散Ｘ線を三次元的に捕捉して焦点へ集束させることができる。そのような構造のさらなる詳細は、上記組み込まれた２００６年４月２５日発行の特許文献２に提示されている。
【００６９】
層状光学構造は、以下の利点を提供する。
・光学部品のモザイク性およびロッキングカーブが、層方位の設計によって制御される。
・光学部品の効率が増大される。（それ自体の個別の方位を持つ）各層がそれ自体の視野を有することができ、その結果、効率を増大させ、光学部品をより大きな線源のスポットサイズに対応可能にする複合視野がもたらされる。そして、より大きな線源のスポットサイズに対応することによって、システムの実装がより容易になる。
・光学部品の帯域幅（すなわち、単色化）が制御可能であり、有利なことに、いくつかの単色化用途において増大され得る。
【００７０】
改善された分析器システム：
例示的なＳＤＤ検出器、改善された線源、ならびに低、中、および高エネルギー光学部品を使用して、本発明に従って構築された例示的なＥＤＸＲＦ分析器システムが、図１０に示されており、試料玩具を測定している。
【００７１】
コンプトン／レイリー（Ｃ／Ｒ）モデリングを用いる単色システムのための基本パラメータ（ＦＰ）技法が、上記に論じられた光学部品および／または管によって生成された複数の単色ビームによって刺激された試料から検出されたＸ線蛍光データを処理するために使用され得る。ＦＰ技法は、単一エネルギー励起ビームに基づいており、バルクおよび均質測定に適している。複数の単色ビームを使用して、スペクトルの異なる部分を検知し、塗装層および基板における毒素を別個に解析（de-convolute）することができる。
【００７２】
複数の単色ビーム励起に基づいてエネルギー分散Ｘ線蛍光（ＥＤＸＲＦ）スペクトルを適合させるために、スペクトルプロセッサ（ＳＰ）が使用されてもよい。カウント対エネルギースペクトルにおける検出器からの未加工のスペクトルデータが入力に使用され得る。スペクトル内の種々の成分を説明するために、ピークフィッティングのためのガウスモデリングなど、いくつかの技法が利用され得る。システムおよび検出器からのノイズも考慮される。
【００７３】
基本パラメータ（ＦＰ）ベースの技法は、被覆層の定量分析にも役立つ。この技法では、吸収、蛍光、および散乱が、いくつかの測定因子に基づいてモデル化される。単色ビームの使用により、多色励起に使用されるＦＰ方法と比べて計算が簡略化され得る。
【００７４】
層状モードのＦＰは、塗料／基板試料の個々の組成を分解するために、塗料と基板の組み合わせから、次いで基板のみからのスペクトルを必要とする。１つの技術的課題は、塗料の単位面積当たりの質量が、検出できない塗料内の低Ｚ元素（Ｃ、Ｈ、Ｏ）のため不明なことである。ρｔ（密度×厚さ）と呼ばれるこの被覆の単位面積当たりの質量は、毒素の質量分率を計算するために決定されるべきである。２つ以上の単色ビームを用いて、塗料および基板の試料における毒素濃度が別個に決定され得る。
【００７５】
また、本発明によれば、図１１を参照すると、より小さい「ハンドヘルド式」Ｘ線分析器が本発明の原理に従って実装されることも可能である。ハンドヘルド式Ｘ線分析器は、それらの可搬性および使い易さのため、ここ数年に人気を得ている。また、図１１にヒューマンインターフェースモジュールが示されており、これは、手持ち式Ｘ線分析器用のユーザインターフェース、ＦＰプロセッサ、および／または電源を含むことができる。そのようなインターフェースは分析器と一体化されてもよい。
【００７６】
これらのシステムのいずれかのための例示のグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）が図１１に示されている。この例示的なＧＵＩは、試料タイプのユーザ選択を可能にし、１０個の元素濃度および関連スペクトルを表示する。ＧＵＩはまた、試料の位置決めを支援するために試料のライブ画像を表示することができる。ＧＵＩのスナップショットが図１２に示されている。
【００７７】
本明細書に示されたプロセスステップは例に過ぎない。本発明の趣旨から逸脱することなく、本明細書に説明されたこれらの図またはステップ（もしくは動作）には多くの変形があり得る。例えば、ステップが異なる順序で実施されてもよく、またはステップが追加、省略、もしくは変更されてもよい。これらの変形のすべては、請求項に係る発明の一部分と考えられる。
【００７８】
好適な実施形態が本明細書に詳細に図示および説明されているが、本発明の趣旨から逸脱することなしに種々の改変、追加、および置換などが可能であること、したがって、それらは添付の特許請求の範囲で規定される本発明の範囲内であると考えられることは、当業者には明らかであろう。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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