(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
a)Ｘ線を放出するＸ線源と、
b)前記Ｘ線源を通る直線状の軸線上で互いに所定距離だけ離れて設けられた該Ｘ線源から放出されたＸ線が通過する円形状である二つの開口、を有するコリメータと、
c)それぞれの中心軸が一直線状で且つ互いに平行であり、略同じ長さ、同じ内径である多数の束ねられたＸ線案内用の細管から成り、前記Ｘ線源及び前記コリメータの二つの開口を通る直線状の軸線と一致する中心軸を有し、一方の端面が前記Ｘ線源から放出され前記コリメータの二つの開口を通過したＸ線が入射される入射端面であり、他方の端面がＸ線を略平行に出射する出射端面であるマルチキャピラリと、
を備え、前記マルチキャピラリの各細管の内径は前記コリメータの二つの開口の内径よりも小さいことを特徴とするＸ線照射装置。
【請求項２】
請求項１に記載のＸ線照射装置であって、
前記マルチキャピラリの出射端面の外側に、該マルチキャピラリの中心軸と中心軸が一致するように配置されたフレネルゾーンプレート、をさらに備えることを特徴とするＸ線照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線を被検体に照射して該被検体の分析や観察を行うＸ線装置において、被検体にＸ線を照射するために利用されるＸ線照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線を試料に照射して分析や観察を行うことは広く行われている。例えば蛍光Ｘ線分析装置では、Ｘ線を被検体に照射し、それに応じて被検体から出てくる蛍光Ｘ線を検出する。蛍光Ｘ線は元素固有のエネルギを有しているため、蛍光Ｘ線のエネルギに基づいて元素組成を知ることができ、そのＸ線強度から元素の定量を行うことができる。また、Ｘ線回折装置では、Ｘ線を被検体に照射し、それに応じて被検体から出てくる回折Ｘ線を検出する。この回折Ｘ線を解析することによって、被検体が粉末試料である場合には、該試料を構成する成分の同定や定量を行ったり結晶サイズや結晶化度を求めたりすることができる。被検体が単結晶試料である場合には試料分子の三次元構造を得ることができ、被検体が蒸着薄膜である場合には、密度や結晶性、結晶軸の方向や周期などの情報を得ることができる。さらにまた、Ｘ線光電子分光装置では、Ｘ線を被検体に照射しそれによって発生する光電子のエネルギスペクトルに基づいて、被検体の極く表面の組成分析や状態分析を行うことができる。
【０００３】
Ｘ線を被検体に照射して該被検体の分析や観察を行う上記のようなＸ線装置において、その分析や観察の空間分解能を上げるためには、被検体に照射するＸ線の照射径をできるだけ小さく絞る必要がある。周知のように、電子ビームやイオンビームのような荷電粒子線とは異なりＸ線は電場や磁場によっては曲げることができないため、電磁場レンズを用いては集光することができず、非特許文献１にまとめられているように、Ｘ線に特有の様々な集光法が従来提案され、また実用に供されている。
【０００４】
Ｘ線を高い効率で集光する部材として一般的な蛍光Ｘ線分析装置等のＸ線装置に広く利用されているのが、マルチキャピラリレンズである。
【０００５】
非特許文献１のほか、特許文献１、２等に開示されているように、マルチキャピラリは、内径が２〜十数μm程度の微小径のガラス等から成る細管（キャピラリ）を多数（数百〜１００万本程度）束ねて１本の管状にしたものであり、１本のキャピラリの内側に入射されたＸ線がそのガラスの内壁面を臨界角以下の角度で以て全反射しながら進行してゆく原理を利用して、Ｘ線を効率良く案内する素子である。通常、マルチキャピラリレンズでは、少なくともいずれか一方の端部においてその端面は、多数のキャピラリの中心軸がその端部の端面の外側の所定位置で１点に交わるように各キャピラリが形成された点焦点端面となっている。これにより、殆ど点とみなし得るＸ線源から出たＸ線を大きな立体角で以て取り込んだり、逆に、各キャピラリを通して案内されたＸ線を略一点に集束させるように出射したりすることができる。
【０００６】
上述したようにマルチキャピラリレンズはＸ線を高い効率で収集し案内することができるものの、収集したＸ線を照射する面積を小さく絞るという点では必ずしも十分な性能が得られない。その大きな理由は、マルチキャピラリレンズでは原理的な焦点ボケが生じることによる。即ち、マルチキャピラリレンズでは、上述したようにＸ線は１本のキャピラリの内壁面を全反射しながら進行するが、全反射を起こす最大の入射角（慣用的に反射面に対する角度を入射角というので、本明細書でもその定義に従う）は臨界角である。そのため、キャピラリの端面からＸ線が出射する際に、キャピラリの中心軸に対し臨界角を最大とする開き角度を有してＸ線は拡がる。その結果、マルチキャピラリレンズの点焦点端面から出射したＸ線の照射領域は理想的な点とはならず、或る程度のサイズを持つ領域となってしまう。
【０００７】
また、上記点焦点端面を有する端部は、内径が同一で互いに平行である多数のキャピラリの束を加熱して引張ることによって形成されるが、製造上の限界により、膨大な数のキャピラリの全ての中心軸を完全に１点に収束させることは実際に不可能である。原理的に生じる焦点ボケのみならず、そうした製造上の要因による焦点ボケも存在する。このように理論上回避できない要因と製造の限界による要因との両方によって、従来のマルチキャピラリレンズでの最小焦点サイズは、通常せいぜい２０〜３０μm程度、利用するＸ線波長や焦点距離を限定した場合でも数μm程度であり、これよりも小さな照射径を実現することは困難であった。
【０００８】
一方、原理的にＸ線をより小さい径に集光可能である素子が、非特許文献１にも記載されているフレネルゾーンプレート（慣用的にＦＺＰと略される）である。フレネルゾーンプレートは回折と干渉とを利用して集光を行う円盤状の素子であり、Ｘ線を遮蔽する遮蔽領域とＸ線を通過させる通過領域とが同心円状に交互に形成された一種の透過型の回折格子である。シンクロトロン放射を利用した、いわゆる放射光（Synchrotron Radiation）では、こうしたフレネルゾーンプレートを利用してサブミクロン〜ナノレベルの照射径のＸ線が実現されている。しかしながら、実験室で使用されるような一般的なＸ線装置では、フレネルゾーンプレートを利用しても、上記のようなごく微小な照射径のＸ線を実現するのは困難である。何故なら、一般に入手可能なフレネルゾーンプレートでは、フレネルゾーンプレートに入射するＸ線束がほぼ完全な平行光でないとＸ線を１点に集光させることができないのに対し、完全な又はそれに近い平行Ｘ線束を得ることは実際上かなり困難であるからである。即ち、フレネルゾーンプレートに入射するＸ線の平行度の悪さが焦点ボケの主たる要因となる。
【０００９】
上述したようなマルチキャピラリレンズのＸ線の収集効率の高さを活かしつつ焦点サイズを小さくすることを意図して、マルチキャピラリレンズとフレネルゾーンプレートとを組み合わせたＸ線集束装置が特許文献３、４に記載されている。
【００１０】
特許文献３に記載のＸ線集束装置では、マルチキャピラリレンズの点焦点端面の外側にフレネルゾーンプレートを配置し、マルチキャピラリレンズの点焦点端面から出射して或る程度収束されたＸ線をフレネルゾーンプレートで１点に絞るようにしている。しかしながら、一般に入手容易なフレネルゾーンプレートではこのように平行線束でないＸ線を絞ることはできず、集光のためには、遮蔽領域と通過領域とがそれぞれプレートの厚さ方向に円錐周面状に形成されている特殊なフレネルゾーンプレートが必要となる。こうしたフレネルゾーンプレートは製造が非常に困難である。また、上述したように、マルチキャピラリレンズにおいて各キャピラリの内部を通過して来るＸ線はその出射端面から或る程度拡がって出射するため、上記特殊なフレネルゾーンプレートが得られても、全てのＸ線がそのフレネルゾーンプレートにおいてＸ線を１点に集光可能な入射角になるわけではなく、原理的な焦点ボケが生じることは避けられない。
【００１１】
一方、特許文献４に記載のＸ線集束装置では、出射側の端部が入射側の端部よりも小径で且ついずれの端部でも各キャピラリの中心軸が互いに平行であるような徳利状のマルチキャピラリレンズを用い、その出射端面の外側に一般的なフレネルゾーンプレートを配置している。この構成では、遮蔽領域と通過領域とがそれぞれプレートの厚さ方向に円筒状であるような一般的なフレネルゾーンプレートを用いることができる反面、マルチキャピラリレンズが特殊な形状となり、そうした形状のマルチキャピラリレンズを精度良く製造するのは困難である。また、このＸ線集束装置においても、マルチキャピラリレンズにおける上述した原理的なＸ線の拡がった出射によって、焦点ボケが生じることは避けられない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特公平７−１１６００号公報
【特許文献２】特公平７−４００８０号公報
【特許文献３】特開２００７−９３３１６号公報
【特許文献４】特開２０１０−２７６４２３号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】日本学術振興会マイクロビームアナリシス第141委員会、「マイクロビームアナリシス・ハンドブック  1.2.3 Ｘ線集光」、株式会社オーム社、平成26年6月30日発行、p.85-92
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述したように、Ｘ線を微小径に絞るという目的を達成するために、フレネルゾーンプレートは原理的に優れた素子であるものの、フレネルゾーンプレートに対して十分に高い平行度のＸ線束を入射することができないと、フレネルゾーンプレートの能力を十分に発揮することができない。そうした高い平行度のＸ線束を比較的小型で且つ廉価な装置で実現することは難しく、一般的なＸ線装置に利用でき、且つサブミクロン〜ナノレベルのＸ線を得られるようなＸ線照射装置は従来存在しなかった。
【００１５】
本発明はこうした課題を解決するために成されたものであり、その主たる目的は、比較的高いＸ線強度を得ながら従来よりも微小径に絞ったＸ線を被検体に照射することができるＸ線照射装置を提供することである。
また、本発明の他の目的は、小型で且つ廉価な構成でありながら、高い平行度のＸ線束を被検体に照射することができるＸ線照射装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するためになされた本発明に係るＸ線照射装置は、
a)Ｘ線を放出するＸ線源と、
b)前記Ｘ線源を通る直線状の軸線上で互いに所定距離だけ離れて設けられた該Ｘ線源から放出されたＸ線が通過する円形状である二つの開口、を有するコリメータと、
c)それぞれの中心軸が一直線状で且つ互いに平行であり、略同じ長さ、同じ内径である多数の束ねられたＸ線案内用の細管から成り、前記Ｘ線源及び前記コリメータの二つの開口を通る直線状の軸線と一致する中心軸を有し、一方の端面が前記Ｘ線源から放出され前記コリメータの二つの開口を通過したＸ線が入射される入射端面であり、他方の端面がＸ線を略平行に出射する出射端面であるマルチキャピラリと、
を備え、前記マルチキャピラリの各細管の内径は前記コリメータの二つの開口の内径よりも小さいことを特徴としている。
【００１７】
本発明において、マルチキャピラリは直管状の細管を多数束ねた構造を有し、各細管は入射端面から出射端面に至るまで湾曲部を有さない。そのため、細管の中心軸に完全に平行に各細管に入射したＸ線は一度も管内壁に当たらず、つまりは反射することなく、出射端面から出射する。また、細管の中心軸に対し所定の角度（細管の内径と長さに依存）以内の入射角を有して各細管に入射したＸ線の一部も、管内壁に当たらず出射端面から出射する。前述のように、一般にマルチキャピラリレンズでは全反射を利用してＸ線を案内するが、実際には、臨界角以下の入射角で細管内壁に当たったＸ線はかなりの割合で壁面に吸収されてしまうため反射Ｘ線は減衰する。もちろん、臨界角を超える入射角で以て細管に入射したＸ線は、該細管を通過しない。
【００１８】
即ち、本発明に使用されているマルチキャピラリでは、各細管から出射するＸ線には、各細管の内壁面に一度も当たらずに、つまりは全く減衰せずに細管を通過したＸ線と、細管の内壁面で一度以上反射して該細管を通過したＸ線とが含まれるが、反射せずに通過して来たＸ線と反射することで減衰したＸ線とでは強度に十分な差があるので、前者による高い平行度のＸ線束が大きな強度で出射端面から出射する。このようにマルチキャピラリは、Ｘ線源から放出されたＸ線の中で平行度が高いＸ線を取り出す平行フィルタとして機能する。
【００２０】
本発明では、コリメータが第１段階の粗い平行フィルタ、マルチキャピラリが第２段階の細かい平行フィルタとして機能する。例えば同一径の二つの開口を所定距離離して配置したコリメータでは、それら開口の径及び離間距離で決まる入射角（中心軸線に対する角度）を有するＸ線のみが通過し、それよりも大きな入射角を有するＸ線はたとえ前段の開口を通過しても後段の開口を通過せずに遮蔽される。例えば、マルチキャピラリに入射したときにマルチキャピラリの細管内壁面で複数回反射する可能性があるような入射角を持つＸ線を遮蔽するようにコリメータの開口の径や離間距離などを定めておけば、平行度が相対的に低いＸ線がマルチキャピラリに入射することを回避することができる。
【００２３】
本発明に係るＸ線照射装置では、第１段階の粗い平行フィルタであるコリメータ、及び第２段階の細かい平行フィルタであるマルチキャピラリの２段階のフィルタを経て、平行度がきわめて高いＸ線がマルチキャピラリの出射端面から出射する。こうした平行Ｘ線束は従来、点／平行型のマルチキャピラリレンズを使用して生成した平行Ｘ線束を被検体に照射するＸ線装置、例えば立体構造を有する試料の高分解能Ｘ線回折分析を行うＸ線装置などに有用である。
また本発明では、前記マルチキャピラリの出射端面の外側に、該マルチキャピラリの中心軸と中心軸が一致するように配置されたフレネルゾーンプレート、をさらに備える構成とするとよい。
この構成では、平行度が高く且つ強度が比較的大きなＸ線束がフレネルゾーンプレートに入射する。このフレネルゾーンプレートは一般的な、有効径以下の径の平行Ｘ線を１点に集束させるフレネルゾーンプレートである。上述したように、本発明に係るＸ線照射装置では、フレネルゾーンプレートに入射するＸ線の平行度は十分に高いので、フレネルゾーンプレートで回折したＸ線はきわめて微小な領域に集光される。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係るＸ線照射装置によれば、小型の装置でありながら強度が比較大きく、且つ平行度がきわめて高いＸ線束を得ることができる。それによって、照射Ｘ線束の平行度が重要である高分解能Ｘ線回折などにおいて高い分解能の回折スペクトルを得ることができる。
また本発明に係るＸ線照射装置の好ましい構成によれば、小型の装置でありながら強度が比較大きいＸ線をごく微小な領域に集中的に照射することができる。それによって、例えば本発明に係るＸ線照射装置をＸ線回折装置や蛍光Ｘ線分析装置に利用することで、従来は実現し得ない高い空間分解能の分析や観察を行うことが可能となる。また、本発明で使用しているマルチキャピラリは単に直管状の多数の細管を束ねたものであるため、製造が容易であるとともに高い寸法精度を確保し易い。また、上記構成では、フレネルゾーンプレートも特殊な形状、構造のものを要しない。したがって、装置の作製が容易であって低廉なコストを実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１実施例であるＸ線照射装置の概略構成図。
【図２】第１実施例のＸ線照射装置においてＸ線照射のみに必要な構成要素を描いた原理的な構成図。
【図３】第１実施例のＸ線照射装置における直管型マルチキャピラリの拡大図。
【図４】第１実施例のＸ線照射装置におけるフレネルゾーンプレートの拡大図。
【図５】Ｘ線がコリメータを通過する際の通過経路の説明図。
【図６】直管型マルチキャピラリにおいてＸ線がキャピラリを通過する際の通過経路の説明図。
【図７】フレネルゾーンプレートから所定距離離れた面上のＸ線の波長分布の概念図。
【図８】第１実施例のＸ線照射装置において単色化したＸ線を得る場合の変形例を示す概略構成図。
【図９】本発明の第２、第３実施例であるＸ線照射装置の概略構成図。
【図１０】本発明の第４、第５実施例であるＸ線照射装置の概略構成図。
【図１１】本発明の効果を確認するための実験装置の構成概略図。
【図１２】図１１に示した実験装置からコリメータを取り除いた装置により得られたＸ線像を示す図。
【図１３】図１１に示した実験装置から直管型マルチキャピラリを取り除いた装置により得られたＸ線像を示す図。
【図１４】図１１に示した実験装置により得られたＸ線像を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明に係るＸ線照射装置の実施例について、添付図面を参照しつつ説明する。
［第１実施例］
図１は第１実施例のＸ線照射装置の概略構成図、図１は第１実施例のＸ線照射装置においてＸ線照射のみに必要な構成要素を描いた原理的な構成図である。
図１に示すように、第１実施例のＸ線照射装置１Ａは、筐体であるＸ線シールドチャンバ５０の内部に、Ｘ線源１０と、コリメータ２０と、直管型マルチキャピラリ３０と、フレネルゾーンプレート４０と、を備える。Ｘ線シールドチャンバ５０の内部は大気で満たされており、チャンバ支持体５８によって防振テーブル６０上に支持されている。Ｘ線シールドチャンバ５０の一部にはＸ線出射開口５１が形成されており、このＸ線出射開口５１を通してＸ線シールドチャンバ５０外部にＸ線ＸＬを出射する。図示しないが、Ｘ線出射開口５１の外側にはＸ線回折装置、蛍光Ｘ線分析装置などのＸ線装置が設置されており、Ｘ線出射開口５１から取り出されたＸ線ＸＬはそうしたＸ線装置にセットされた被検体（試料）に照射される。
【００２８】
Ｘ線源１０は例えばＸ線管球などを含んで構成され、Ｘ線ＸＬを放出する。このＸ線源１０は、図２に示すように、Ｘ線出射面１０ａが或る程度の２次元的な広さを持つ面光源であるとみなせるものであり、具体的には、Ｘ線出射面１０ａの径ｄ１はフレネルゾーンプレート４０の有効径ｄ４よりも大きくなっている。なお、ここではＸ線源１０から放出されるＸ線の波長のエネルギは例えば５keV〜５０keVである。
【００２９】
Ｘ線源１０から放出されたＸ線ＸＬが最初に到達するコリメータ２０は、Ｘ線源１０を通る所定の中心軸線Ｃ上で所定距離Ｄ２だけ離れて、第１、第２なる二つの円形状の開口２１、２２を有する。開口２１、２２の中心と中心軸線Ｃとは一致している。本実施例では、この開口の数は２であり、１以上の適宜の数とすることができるが、好ましくは２以上とするとよい。二つの開口２１、２２の内径は同一のｄ２であり、Ｘ線源１０から放出されたＸ線ＸＬの一部はまず前段の第１開口２１を通過し、さらにそのうちの一部が後段の第２開口２２を通過する。Ｘ線ＸＬが開口２１、２２を通過する際に、それぞれ開口２１、２２の縁部よりも外側に達したＸ線ＸＬはコリメータ２０によって遮蔽される。詳しくは後述するが、同一内径の二つの開口２１、２２の内側に達したＸ線のみがコリメータ２０を通過し得るから、コリメータ２０を通過することでＸ線ＸＬは粗く平行化されることになる。
【００３０】
コリメータ２０を通過したＸ線ＸＬが次に到達する直管型マルチキャピラリ３０は、中心軸線Ｃに沿って直線状に延伸する硼珪酸ガラス製のキャピラリ（細管）の集合体である。図３は直管型マルチキャピラリ３０の拡大図であり、（ａ）はＸ線ＸＬの入射方向から見た平面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ’矢視線断面図である。
【００３１】
直管型マルチキャピラリ３０は、円筒形状である遮光性の外装体３２の内側に、略同一の内径ｄ３（例えばｄ３＝３μm〜１０μm程度）で同一長さＤ４の多数の円筒形状のキャピラリ３１が束ねられた状態で収納された構成を有する。ただし、キャピラリ３１の本数は図３に示したものよりも遙かに多く、数百本〜１００万本程度であり、最外周に位置するキャピラリ３１の位置によって決まる直管型マルチキャピラリ３０のおおよその有効径は少なくとも後述のフレネルゾーンプレート４０の有効径ｄ４よりも大きくなっている。この直管型マルチキャピラリ３０は、その中心軸（又は最も中心に近い位置にある１本のキャピラリ３１の中心軸）が中心軸線Ｃに一致するように配置されている。各キャピラリ３１は、一方の端面（入射端面）３０ａから他方の端面（出射端面）３０ｂまで直線状に且つ互いに平行に延伸しており、各キャピラリ３１はそれぞれＸ線ＸＬを案内しつつ通過させる。後で詳しく述べるが、この直管型マルチキャピラリ３０はコリメータ２０よりも平行度の高いＸ線を取り出す機能を有する。
【００３２】
フレネルゾーンプレート４０は、直管型マルチキャピラリ３０の出射端面３０ｂから出射したＸ線ＸＬを受けて集光するものである。図４はフレネルゾーンプレート４０の拡大図であり、（ａ）はＸ線ＸＬの入射方向から見た平面図、（ｂ）は（ａ）中のＢ−Ｂ’矢視線断面図である。
【００３３】
フレネルゾーンプレート４０は外形が略円盤状であり、Ｘ線を遮蔽する遮蔽領域４１とＸ線を通過させる通過領域４２とが同心円状に交互に形成されている一種の透過型の回折格子である。径方向に隣接する通過領域４２の間隔は中心から外側に向かうに従い徐々に狭くなっており、それによって、外周側に入射したＸ線ＸＬほど回折によって大きく進行方向を曲げる。その結果、フレネルゾーンプレート４０の有効径ｄ４の範囲に、その中心軸に平行に入射したＸ線ＸＬは、入射面と反対側の出射面から所定距離離れた位置の１点Ｆに収束する。このフレネルゾーンプレート４０はその中心軸が中心軸線Ｃに一致するように配置されている。
【００３４】
Ｘ線シールドチャンバ５０内にあって、二つの調整台５３の上にはＸ線ＸＬの進行方向（図１中の中心軸線Ｃの方向）に延伸する剛性ガイドレール５４が備えられ、この剛性ガイドレール５４には、その延伸方向に位置調整可能に、コリメータ調整台５５、マルチキャピラリ調整台５６、及びＦＺＰ調整台５７が取り付けられている。コリメータ調整台５５、マルチキャピラリ調整台５６、及びＦＺＰ調整台５７はコリメータ２０、直管型マルチキャピラリ３０、及びフレネルゾーンプレート４０を、中心軸線Ｃに対するそれぞれの中心軸の傾斜角が調整可能であるように支持する。これにより、Ｘ線源とコリメータ２０との間隔Ｄ1、コリメータ２０と直管型マルチキャピラリ３０との間隔Ｄ3、及び、直管型マルチキャピラリ３０とフレネルゾーンプレート４０との間隔Ｄ5をそれぞれ適宜調整することができるとともに、中心軸線Ｃに対するコリメータ２０、直管型マルチキャピラリ３０、及びフレネルゾーンプレート４０の傾斜角を微調整することが可能となっている。
【００３５】
上述したように本実施例のＸ線照射装置１Ａでは、コリメータ２０及び直管型マルチキャピラリ３０はいずれも平行Ｘ線を得るための素子であり、一方、フレネルゾーンプレート４０は平行Ｘ線を微小径の領域に絞るための素子である。次に、こうしたＸ線の平行化及び集光について、図１〜図４に加え、図５、図６を用いて詳しく説明する。図５はＸ線がコリメータ２０を通過する際の通過経路の説明図、図６は直管型マルチキャピラリ３０においてＸ線が１本のキャピラリ３１を通過する際の通過経路の説明図である。
【００３６】
二つの開口２１、２２の径ｄ２は同一であるから、それら開口２１、２２の中心を通過する中心軸線Ｃに平行にコリメータ２０の第１開口２１に入射したＸ線ＸＬ（つまり傾斜角θ＝０であるＸ線）はコリメータ２０を通過する。コリメータ２０を通過するＸ線ＸＬの傾斜角（中心軸線Ｃに対する角度）は、二つの開口２１、２２の間隔Ｄ２とそれら開口２１、２２の径ｄ２とに依存する。即ち、コリメータ２０を通過するＸ線ＸＬの傾斜角θが最大となるのは、Ｘ線が図５に示すように、第１開口２１の縁部のごく近傍を通過し、中心軸線Ｃを挟んだ第２開口２２の反対側の縁部ごく近傍を通過する場合である。したがって、二つの開口２１、２２の間隔Ｄ２を大きくするほど、通過するＸ線の最大傾斜角は小さくなる（つまりは平行度が上がる）し、間隔Ｄ２が同じでも開口２１、２２の径ｄ２が小さくなるほど通過するＸ線の最大傾斜角は小さくなる。
【００３７】
上記最大傾斜角よりも大きな角度で第１開口２１を通過したＸ線は、第２開口２２の周囲の壁面に当たり遮蔽される。ただし、図５から明らかなように、最大傾斜角よりも小さな角度で第１開口２１を通過したＸ線のうち第２開口２２を通過し得るのは、第１開口２１の面内の所定範囲に入射したもののみであるから、入射したＸ線ＸＬの一部はコリメータ２０を通過し、他のＸ線は遮蔽されることになる。したがって、コリメータ２０の第２開口２２のすぐ外側におけるＸ線強度分布は、開口２１、２２の径ｄ２と同程度の範囲で高いＸ線強度を示す。そして、その範囲よりも外側に向かうに従い徐々にＸ線強度が下がり、上記最大傾斜角で決まる範囲より外側ではＸ線強度は０になる。このようにコリメータ２０では、Ｘ線源１０から放出されたＸ線ＸＬの中で中心軸線Ｃにほぼ沿った粗い平行度のＸ線ＸＬが抽出される。
【００３８】
直管型マルチキャピラリ３０の各キャピラリ３１の径ｄ３は入射端面３１ａから出射端面３１ｂまで同一であり、且つ各キャピラリ３１は中心軸線Ｃに平行な直線状である。図６（ａ）に示すように、中心軸線Ｃに完全に平行であるＸ線ＸＬがキャピラリ３１に入射すると、該Ｘ線ＸＬは一度も反射することなく、つまりは全く減衰せずにキャピラリ３１を通過する。一方、図６（ｅ）に示すように、臨界角よりも大きな入射角を有してキャピラリ３１に入射したＸ線ＸＬは、キャピラリ３１の内壁面に当たると該壁面に侵入し、該壁面で吸収されるか或いは該壁面を通り抜けてキャピラリ３１の外側に出る。このため、こうした入射角を有するＸ線ＸＬはキャピラリ３１を通過せずに除去される。
【００３９】
臨界角以下の入射角を有してキャピラリ３１に入射したＸ線ＸＬのうち、キャピラリ３１の内径ｄ３と長さＤ４とに依存する所定の角度θ１以下の入射角を有してキャピラリ３１に入射したＸ線ＸＬのごく一部は、図６（ｂ）に示すように、一度も反射することなく、つまりは全く減衰せずにキャピラリ３１を通過する。一方、同じ入射角を有するＸ線ＸＬの大部分は、図６（ｃ）に示すように、キャピラリ３１の内壁面に一度当たり、全反射したＸ線が該キャピラリ３１の出射端面３１ｂから出射する。この反射は原理的には全反射であるが、実際には（反射面が完全な鏡面ではないために）反射の際にＸ線強度が減衰する。したがって、一回反射して通過したＸ線の強度は一度も反射することなく通過したＸ線の強度に比べて明らかに低くなる。
【００４０】
臨界角以下であってもさらに大きな入射角を有してキャピラリ３１に入射したＸ線ＸＬは、図６（ｄ）に示すように、キャピラリ３１の内壁面で複数回の反射を繰り返したあとに該キャピラリ３１の出射端面３１ｂから出射する。反射する毎に強度が減衰するから、こうして複数回の反射を経てキャピラリ３１を通り抜けたＸ線と全く反射せずにキャピラリ３１を通り抜けたＸ線とでは強度に顕著な差が生じる。このように直管型マルチキャピラリ３０では、その出射端面３０ｂから、各キャピラリ３１の内壁面で一度も反射せずに各キャピラリ３１を通り抜けたＸ線ＸＬと各キャピラリ３１の内壁面で一度以上反射して各キャピラリ３１を通り抜けたＸ線ＸＬとが混在して出射するが、その二種類のＸ線ＸＬの強度には明確な差が生じる。また、キャピラリ３１の内径ｄ３はきわめて小さいので、この内径ｄ３と長さＤ４から決まる上記所定の角度はきわめて小さな（０に近い）値となる。したがって、各キャピラリ３１の中心軸に対してほぼ平行であるＸ線のみが通過するとみなすことができ、この直管型マルチキャピラリ３０は、キャピラリ３１の中心軸に対してきわめて高い平行度を有するＸ線ＸＬのみを選択的に通過させ、それ以外のＸ線ＸＬを遮蔽するフィルタとして機能することになる。
【００４１】
さらにまた、この直管型マルチキャピラリ３０では多数のキャピラリ３１が図３（ａ）に示すように束ねられているので、一個のみで光軸（中心軸線Ｃ）に直交する略円形の断面内の全ての（つまり３６０°の）径方向について平行フィルタとして機能する。このことは、従来広く用いられている平行フィルタであるソーラースリットが一個では一方向についてしか平行フィルタとして機能しないことに比べて、非常に大きな利点であるといえる。
【００４２】
上述したように、コリメータ２０は粗い平行度のＸ線を選択するフィルタとして機能し、直管型マルチキャピラリ３０はさらに高い平行度のＸ線を選択するフィルタとして機能する。このように本実施例のＸ線照射装置１Ａでは、２段階の平行フィルタによってＸ線の平行度を高め、きわめて平行度の高いＸ線を取り出してフレネルゾーンプレート４０に入射することができる。通常、フレネルゾーンプレート４０は半導体製造技術を利用して作製されるため、その寸法精度は非常に高い。そうした高い寸法精度で、しかも回折効果を利用してＸ線を収束するので、きわめて微小な領域にＸ線を収束させることが可能である。
【００４３】
焦点Ｆのサイズや焦点距離はフレネルゾーンプレート４０を構成する物質の種類や遮蔽領域４１や通過領域４２による輪帯パターンの間隔などに依存して任意に決めることができるが、通過するＸ線の波長にも依存するため、使用するＸ線の波長帯域を考慮して適切に定めればよい。
この点について図７、図８により説明する。図７はフレネルゾーンプレート４０から所定距離離れた面上のＸ線の波長分布の概念図、図８は第１実施例のＸ線照射装置において単色化したＸ線を得る場合の変形例を示す概略構成図である。
【００４４】
フレネルゾーンプレート４０に異なる波長Ａ、Ｂ、ＣのＸ線が入射すると、波長によって回折角が相違するため、それぞれの波長の焦点距離は異なる。波長ＡのＸ線の焦点位置では波長Ｂ、ＣのＸ線は焦点とはならないため、Ｘ線束は十分には絞られていない。一方で、フレネルゾーンプレート４０の中心軸Ｃ１でもある光軸は波長によって変わらないの。そのため、図７に示すように、異なる波長のＸ線の照射範囲は中心部で重なった状態になっており、周辺部には一部の波長のＸ線のみが到達する。
【００４５】
一般的なＸ線装置で用いられているＸ線源から放出されるＸ線は、ターゲット材や設定加速電圧によって決まる強い強度のピークエネルギ（例えば波長Ａ）を持つＸ線と緩やかな連続エネルギ（例えば波長Ｂ、Ｃ）を持つＸ線とを含む。そのため、波長ＡのＸ線に対する焦点位置の面上でＸ線像を観測すると、波長Ａの焦点サイズの像、つまりはごく微小な像に、波長Ｂ、ＣのＸ線によるボケが加わった状態となることが避けられない。そこで、特定の波長を持つＸ線、つまりは単色光の照射が必要である場合には、図８に示したような構成を採ればよい。
【００４６】
即ち、このＸ線照射装置では、直管型マルチキャピラリ３０とフレネルゾーンプレート４０との間に平板分光結晶（分光素子）７０を設置し、平板分光結晶７０により取り出した特定の波長のＸ線のみをフレネルゾーンプレート４０に入射している。上述したように、直管型マルチキャピラリ３０の出射端面３０ｂから出射されるＸ線の平行度は十分に高いので、平板分光結晶７０を用いて精度のよい単色化が容易に行え、例えば波長Ａのみの平行度の高いＸ線をフレネルゾーンプレート４０に入射することができる。その結果、単色化されたＸ線をごく微小な領域に照射することができる。
【００４７】
第１実施例のＸ線照射装置に戻り説明を続ける。第１実施例のＸ線照射装置では、直管型マルチキャピラリ３０の出射端面３０ｂとフレネルゾーンプレート４０との距離Ｄ５は次にように定めるとよい。即ち、出射端面３０ｂとフレネルゾーンプレート４０とが近いほど、出射端面３０ｂから出射されるＸ線の中でキャピラリ３１の内壁面で少なくとも１度反射したＸ線、つまりは相対的に平行度が劣るＸ線がフレネルゾーンプレート４０の有効径ｄ４の範囲に到達し易くなる。こうしたＸ線はフレネルゾーンプレート４０の入射Ｘ線として理想的ではないので、できるだけ排除することが望ましい。そこで、本実施例のＸ線照射装置１Ａでは、１度以上全反射した可能性がある、キャピラリ３１の内径ｄ３と長さＤ４とで決まる上記所定の角度θ１以上の角度を有して出射端面３０ｂから出射するＸ線がフレネルゾーンプレート４０の有効径ｄ４の範囲に到達しないような距離に、上記距離Ｄ５を設定している。これによって、フレネルゾーンプレート４０に入射するＸ線の平行度をさらに一層高め、焦点ＦにおけるＸ線の照射径を小さくすることができる。
【００４８】
また、コリメータ２０の第２開口２２と直管型マルチキャピラリ３０の入射端面３０ａとが近すぎると、中心軸線Ｃに対する傾きが大きなＸ線ＸＬが入射端面３０ａに入射し易くなる。こうした入射角が大きなＸ線ＸＬは直管型マルチキャピラリ３０で除去されるとはいうものの、そうした不所望のＸ線の一部が外装体３２の内面で反射したりキャピラリ３１の外面で散乱を生じたりして出射端面３０ｂに現れることがある。そこで、コリメータ２０の第２開口２２と直管型マルチキャピラリ３０の入射端面３０ａとの距離Ｄ３も或る程度以上大きくすることで、第２開口２２を通過したＸ線ＸＬのうちで中心軸線Ｃに対する傾きが大きなＸ線ＸＬが入射端面３０ａに入射することを回避するとよい。具体的には、距離Ｄ３を１００mm程度以上にすればよい。ただし、大気による吸収散乱を減らすためには、この距離を不必要に長くすることは適切ではない。
【００４９】
以上のように、本実施例のＸ線照射装置１Ａでは、きわめて微小径の領域にＸ線ＸＬを集中的に照射することができる。このＸ線照射装置１Ａでは、例えば特許文献３、４に記載のＸ線集束装置のようにＸ線源の広い範囲からＸ線を集光しているわけではないものの、Ｘ線を集光する過程で一度も反射させない、つまりは減衰させないＸ線を有効に利用しているので、高い強度のＸ線を集中的に照射することができる。
【００５０】
次に、本発明の他の実施例によるＸ線照射装置について図９及び図１０により説明する。これら図において上記第１実施例における構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付している。
【００５１】
［第２実施例］
図９（ａ）は第２実施例のＸ線照射装置１Ｂの概略構成図である。
この第２実施例のＸ線照射装置１Ｂでは、第１実施例のＸ線照射装置１Ａにおけるコリメータ２０に代えて点−平行型のマルチキャピラリ１２０が配置され、また面光源でなく点光源であるＸ線源１１０が用いられている。Ｘ線源１１０は点光源とみなせるＸ線出射部１１０ａからＸ線ＸＬを放射状に放出する。マルチキャピラリ１２０は後段の直管型マルチキャピラリ３０とは異なり、入射端面１２０ａにおいて各キャピラリの内径が端面に向かって徐々に小さくなるように絞られており、その多数のキャピラリの中心軸はＸ線出射部１１ａで重なる（つまり焦点となる）ように形成されている。これによって、Ｘ線出射部１１ａから放出されたＸ線ＸＬは大きな立体角を以てマルチキャピラリ１２０に取り込まれ、各キャピラリの内壁面で全反射を繰り返しつつＸ線が案内されて出射端面１２０ｂから略平行に出射される。原理的に、出射端面１２０ｂから出射されるＸ線ＸＬは、最大、臨界角の拡がりを有するから、マルチキャピラリ１２０は第１実施例におけるコリメータ２０と同様に、粗い平行フィルタとして機能する。
【００５２】
［第３実施例］
図９（ｂ）は第３実施例のＸ線照射装置１Ｃの概略構成図である。
この第３実施例のＸ線照射装置１Ｃでは、第１実施例のＸ線照射装置１Ａにおけるコリメータ２０に代えて、入射端面２２０ａが出射端面２２０ｂよりも大きなマルチキャピラリ２２０が配置され、またＸ線出射面２１０ａが大きな面光源であるＸ線源２１０が用いられている。マルチキャピラリ２２０を構成する各キャピラリは、その入射端面が漏斗状に拡がっており、Ｘ線出射面２１０ａから放出されたＸ線ＸＬを効率良く取り込み、Ｘ線ＸＬの密度を高めつつ略平行化して出射端面２２０ｂから出射する。この場合にも、キャピラリの内壁面で全反射を繰り返しつつＸ線ＸＬは進行するため、原理的に、出射端面１２０ｂから出射されるＸ線ＸＬは、最大、臨界角の拡がりを有する。したがって、マルチキャピラリ２２０は第１実施例におけるコリメータ２０と同様に、粗い平行フィルタとして機能する。
【００５３】
［第４実施例］
図１０（ａ）は第４実施例のＸ線照射装置１Ｄの概略構成図である。
この第４実施例のＸ線照射装置１Ｄでは、第１実施例のＸ線照射装置１Ａにおけるコリメータ２０を省略し、Ｘ線源１０のＸ線出射面１０ａから放出されたＸ線ＸＬを直接、直管型マルチキャピラリ３０の入射端面３０ａに入射している。上述したように、直管型マルチキャピラリ３０はきわめて高い平行度のＸ線を選択するフィルタとして機能するから、コリメータ２０を省略しても、十分に高い平行度のＸ線ＸＬを取り出しフレネルゾーンプレート４０に入射することができる。それによって、第４実施例の構成でも、微小径の領域にＸ線ＸＬを照射することができる。
【００５４】
［第５実施例］
図１０（ｂ）は第５実施例のＸ線照射装置１Ｅの概略構成図である。
この第５実施例のＸ線照射装置１Ｅでは、第１実施例のＸ線照射装置１Ａにおけるコリメータ２０を省略する代わりに、直管型マルチキャピラリ３０と同じ構成のマルチキャピラリ３２０を、Ｘ線源１０と直管型マルチキャピラリ３０との間に配置している。この構成では、１段目のマルチキャピラリ３２０が粗い平行フィルタとして機能するが、これによっても十分に高い平行度のＸ線ＸＬを取り出しフレネルゾーンプレート４０に入射することができる。
【００５５】
このように本発明に係る各種実施例のＸ線照射装置では、直管型マルチキャピラリ３０とフレネルゾーンプレート４０との組み合わせを利用して、微小径の領域にＸ線を収集的に照射することが可能となる。
【００５６】
［実験例］
次に、上記第１実施例のＸ線照射装置１ＡにおけるＸ線収束効果を確認するために行った実験結果について説明する。
図１１はこの実験に使用した実験装置の構成の概略図である。
この実験装置において、Ｘ線源１０は、点光源１５、窓１６ａが形成された管１６、開口１７ａが形成された遮蔽板１７、及び、開口１７ａを覆うように設けられた銅箔１８、を含んで構成される。点光源１５から放射状に放出されたＸ線ＸＬの一部は窓１６ａを通過し、さらにその一部が開口１７ａを通過する。銅箔１８を透過しつつ開口１７ａから出射されるＸ線ＸＬは、開口１７ａの開口面積の面光源であるとみなせる。
【００５７】
この開口１７ａの中心軸に一致する中心軸線Ｃ上にコリメータ２０及び直管型マルチキャピラリ３０が配置されており、このコリメータ２０及び直管型マルチキャピラリ３０を順に通過することでＸ線ＸＬは平行化される。コリメータ２０の開口２１、２２の直径（ｄ２）は１mmであり、開口２１と開口２２との間の間隔（Ｄ２）は５０mmである。この実験装置では、フレネルゾーンプレートは省かれており、直管型マルチキャピラリ３０の出射端面３０ｂから出射したＸ線ＸＬが２次元検出器８０に導入され、到達したＸ線ＸＬによるＸ線像を取得するようにした。
【００５８】
図１１に示した実験装置からコリメータ２０を取り除き、遮蔽板１７と直管型マルチキャピラリ３０の入射端面３０ａとの距離を１８０mmとし、２次元検出器８０の撮像倍率を１倍として得られたＸ線像を図１２に示す。図１２において（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、直管型マルチキャピラリ３０の出射端面３０ｂと２次元検出器８０との距離を３５mm、７０mm、１４０mm、及び３４０mmとした場合のＸ線像である。図１２（後述の図１３及び図１４も同様）では、Ｘ線の強度が強い部分ほど明るく（白く）表示されている。
【００５９】
比較例として、図１１に示した実験装置から直管型マルチキャピラリ３０を取り除き、遮蔽板１７とコリメータ２０の第１開口２１との距離を３０mmとし、２次元検出器８０の撮像倍率を１倍として得られたＸ線像を図１３に示す。図１３において（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、コリメータ２０の第２開口２２と２次元検出器８０との距離を３５mm、７０mm、及び１４０mmとした場合のＸ線像である。
【００６０】
図１２と図１３とを比較すると、直管型マルチキャピラリ３０のみを用いた場合（図１２）ではコリメータ２０のみを用いた場合（図１３）に比べて、Ｘ線像の輪郭が明瞭であるとともに、その輪郭内の強度の均一性が高いことが分かる。このことから、コリメータ２０に比べて直管型マルチキャピラリ３０は、Ｘ線ＸＬの平行度を高める作用が格段に高い、つまりは平行フィルタとしての能力が高いことが確認できる。なお、図１２の（ｃ）検出器距離１４０mmと （ｄ）検出器距離３４０mmでは像の輪郭にボケが見られるが、これは大気によるＸ線の散乱が主たる原因であると考えられる。
【００６１】
図１４は図１１に示した実験装置におけるＸ線像、つまりコリメータ２０と直管型マルチキャピラリ３０を併用した場合のＸ線像を示す図である。この場合には、遮蔽板１７とコリメータ２０の第１開口２１との距離（Ｄ１）を３０mm、コリメータ２０の第２開口２２と直管型マルチキャピラリ３０の入射端面３０ａとの距離（Ｄ３）を１００mm、直管型マルチキャピラリ３０の出射端面３０ｂと２次元検出器８０との距離を３５mm〜１４０mm、２次元検出器８０の撮像倍率を１倍とした。図１４において（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、直管型マルチキャピラリ３０の出射端面３０ｂと２次元検出器８０との距離を３５mm、７０mm、及び１４０mmとした場合のＸ線像である。
【００６２】
図１４から、コリメータ２０と直管型マルチキャピラリ３０とを併用することで、直管型マルチキャピラリ３０のみ用いた場合（図１２）に比べて、より小さな領域にＸ線が高い強度で照射されていることが分かる。このことから、コリメータ２０と直管型マルチキャピラリ３０との併用により、Ｘ線の平行度がさらに一層高められていることが確認できる。
上記第１実施例のＸ線照射装置１Ａでは、このように平行度をきわめて高めたＸ線をフレネルゾーンプレート４０に導入することができるので、フレネルゾーンプレート４０の高いＸ線収束性を有効に活用し、微小な領域にＸ線を集光することが可能となる。
【００６３】
また、上記実験結果から、コリメータ２０に比べて直管型マルチキャピラリ３０がＸ線の平行化に高い能力を有することが分かるから、コリメータ２０と直管型マルチキャピラリ３０との併用には及ばないものの、第４実施例のように、コリメータ２０を省略し、直管型マルチキャピラリ３０とフレネルゾーンプレート４０とを組み合わせただけでも、微小領域にＸ線を効率良く集光できることが分かる。また、第２、第３、第５実施例のように、コリメータ２０に代えて様々な構成のマルチキャピラリを用いた場合にも同様に、微小領域にＸ線を効率良く集光することが可能である。
【００６４】
さらにまた上記実施例はいずれも微小領域にＸ線を集光するＸ線照射装置であるが、高い平行度を有するＸ線束が必要である場合に上記構成を利用することもできる。即ち、上述したように、コリメータ２０と直管型マルチキャピラリ３０との組み合わせにより、十分な強度を有し平行度のきわめて高いＸ線束を得ることができる。例えば、立体構造を有する物質の高分解能Ｘ線回折分析では、照射するＸ線束の平行度が高いほど空間分解能が向上する。そこで、こうしたＸ線装置では、例えば第１実施例のＸ線照射装置１Ａにおいてフレネルゾーンプレート４０を省略して、直管型マルチキャピラリ３０の出射端面３０ｂから出射するＸ線ＸＬをそのままＸ線出射開口５１を通してＸ線シールドチャンバ５０の外部に取り出すようにしたＸ線照射装置を用いるとよい。
【００６５】
また、上記実施例はいずれも本発明の一例であるから、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正又は追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。
【符号の説明】
【００６６】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ…Ｘ線照射装置
１０、１１０、２１０…Ｘ線源
１０ａ、２１０ａ…Ｘ線出射面
１１０ａ…Ｘ線出射部
２０…コリメータ
２１…第１開口
２２…第２開口
３０…直管型マルチキャピラリ
３０ａ、３１ａ、１２０ａ、２２０ａ…入射端面
３０ｂ、３１ｂ、１２０ｂ、２２０ｂ…出射端面
３１…キャピラリ
３２…外装体
４０…フレネルゾーンプレート
４１…遮蔽領域
４２…通過領域
５０…Ｘ線シールドチャンバ
５１…Ｘ線出射開口
５３…調整台
５４…剛性ガイドレール
５５…コリメータ調整台
５６…マルチキャピラリ調整台
５７…ＦＺＰ調整台
５８…チャンバ支持体
６０…防振テーブル
７０…平板分光結晶
１２０、２２０、３２０…マルチキャピラリ
【図１】
0006430208.tif 000002
【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】
0006430208.tif 000008
【図８】
0006430208.tif 000009
【図９】
0006430208.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0006430208.tif 000014
【図１４】
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