(57)【要約】【課題】入射Ｘ線に対して試料の向きをできるだけ変化させることなく，かつ，試料からいろいろな方向に出ていく回折Ｘ線について，その回折角を高精度で検出できるようにする。【解決手段】試料支持装置３６の入射Ｘ線４４の側には直立台４０が配置されている。直立台４０にはＬ型のカウンタアーム４２がχ回転可能に取り付けられている。カウンタアーム４２は入射Ｘ線４４と同軸の回転中心線４５の回りを回転できる。直立台４０とカウンタアーム４２の両方には入射Ｘ線４４が通過できる貫通孔５０が形成されていて，入射Ｘ線４４はこの貫通孔５０を通過して試料３４に向かう。カウンタアーム４２にはアタッチメントアーム４６が回転可能に取り付けられている。アタッチメントアーム４６はＸ線検出器５４を搭載していて，回転中心線５２の回りを２θ回転する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
次の構成を備えるＸ線回折装置。
（ａ）試料を支持する試料支持装置。
（ｂ）前記試料に入射する入射Ｘ線。
（ｃ）前記入射Ｘ線と同軸に配置された第１の回転中心線。
（ｄ）前記第１の回転中心線に対して垂直で，前記第１の回転中心線の回りを回転できる第２の回転中心線。
（ｅ）前記試料からの回折Ｘ線を検出する位置無感型のＸ線検出器であって，
前記第１の回転中心線を含む平面内で前記第２の回転中心線の回りを回転できるＸ線検出器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は位置無感型のＸ線検出器を備えるＸ線回折装置に関する。位置無感型のＸ線検出器とは，位置敏感型のＸ線検出器（例えば，Ｘ線フィルム，イメージングプレート，位置敏感型の比例計数管など）に対する概念であり，検出器の検出面がＸ線の到来位置を認識する機能を持たずに，検出器の位置によってＸ線の到来位置を認識することになる検出器を指す。位置無感型のＸ線検出器には，例えば，通常の比例計数管や，シンチレーションカウンタなどが含まれる。
【０００２】
【従来の技術】
位置無感型のＸ線検出器を用いてＸ線回折測定を実施する場合，入射Ｘ線に対してＸ線検出器の位置を動かすことで試料からの回折Ｘ線をとらえることができる。そのときの回折角２θ（入射Ｘ線に対する回折Ｘ線のなす角度）は，Ｘ線検出器の回転角度から求めている。
【０００３】
通常のＸ線ディフラトメータでは，入射Ｘ線を含むひとつの平面内で，試料を中心としてＸ線検出器を回転させている。その場合，試料からいろいろな方向に出て行く回折Ｘ線のうち，入射Ｘ線とＸ線検出器とを含む平面（これを検出平面と呼ぶことにする）内に存在する回折Ｘ線だけがＸ線検出器で検出される。そして，通常のＸ線ディフラクトメータでは，上述の検出平面は不変であり，この検出平面を外れた回折Ｘ線は検出できない。
【０００４】
これに対して，検出平面を変更できるようにしたＸ線回折装置が知られている。次の特許文献１は，そのような特徴を備える従来のＸ線回折装置を開示している。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−３０４７３１号公報
【０００６】
この特許文献１のＸ線回折装置の基本的な構造を図１０に示す。試料１０を支持するθ回転台１２は回転中心線１４の回りをθ回転する。２θ回転台１６は同じ回転中心線１４の回りを２θ回転する。θ回転と２θ回転は，どちらも水平面内での回転である。２θ回転台１６にはカウンタアーム１８が固定されている。このカウンタアーム１８にアタッチメントアーム２０が回転可能に取り付けられている。アタッチメントアーム２０は回転中心線２２の回りを２θχ回転する。回転中心線２２は水平なので，アタッチメントアーム２０は鉛直面内で回転する。アタッチメントアーム２０の先端にはＸ線検出器２４が固定されている。したがって，Ｘ線検出器２４は，水平面内で２θ回転が可能であり，かつ，鉛直面内で２θχ回転も可能である。入射Ｘ線２６は試料１０に向かって水平に入射する。
【０００７】
この従来のＸ線回折装置は，次のような動作が可能である。まず，２θχ回転をゼロ（図示の状態）にしておいて，θ回転台１２と２θ回転台１６を１対２の角度比で回転する，いわゆるθ‐２θ走査をする，ことによる測定が可能である。別の測定方法として，インプレーン回折測定が可能である。すなわち，試料表面に対して入射Ｘ線２６がすれすれに入射するように，θ回転台１２の位置を調節し，かつ，試料表面からすれすれの角度で出てくる回折Ｘ線を検出できるように，２θ回転台１６を２θ＝ゼロの位置（図示の状態）から微小角度だけ時計方向に回転する。その状態で，アタッチメントアーム２０を２θχ回転させることで，インプレーン回折測定ができる。さらには，４軸ゴニオメータによるＸ線回折測定と同等のことができる。すなわち，試料１０から任意の方向に出て行く回折Ｘ線をとらえることができる。そのためには，図１１に示すように，試料１０のθ回転と，試料１０の傾斜（鉛直に立っている試料表面を鉛直状態から傾斜させること。図示を省略している）と，Ｘ線検出器２４の２θ回転と，Ｘ線検出器の２θχ回転とを組み合わせる。このように，２θ回転と２θχ回転とを組み合わせてＸ線検出器２４を任意の方向に動かすことができるので，どの方向の回折Ｘ線２８もとらえることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のＸ線回折装置は，高精度のＸ線回折測定を実施しようと思うと，次の問題がある。図１２は図１１の状態のＸ線検出器２４の角度位置だけを示したものである。Ｘ線検出器２４が図１０の位置（入射Ｘ線２６の延長線上）にあるときを２θ＝ゼロ，２θχ＝ゼロと定義すると，図１２の状態は，Ｘ線検出器２４を上から見て回転中心線１４の回りに時計方向に２θだけに回転し（検出面中心がａ点からｂ点に移動する），さらに，回転中心線２２の回りに２θχだけ反時計方向に回転した状態（ｂ点からさらにｃ点に移動する）にある。このときに検出される回折Ｘ線２８の回折角２θＢは，この回折Ｘ線２８と入射Ｘ線２６とのなす角度で定義されるものである。θＢはＸ線回折のブラッグ角である。
【０００９】
回折角２θＢがＸ線回折測定で求める角度であるが，これは直接には検出できない。一方，２θと２θχは回転駆動機構の角度として検出できる。したがって，２θＢは，検出した二つの角度２θと２θχとを用いて所定の演算をすることで求めることができる。具体的には，２θＢ＝ａｒｃｃｏｓ（ｃｏｓ２θ・ｃｏｓ２θχ）で求めることができる。
【００１０】
上述のようにして求めた２θＢの精度はあまり高くなく，この精度を高めるのは困難である。その理由は，２θＢを求めるために二つの角度２θと２θχを必要としているからである。二つの角度の検出精度がそれぞれ２θＢの測定精度に影響を及ぼすことになる。
【００１１】
ところで，特許文献１の図３には４軸ゴニオメータを用いた従来例が記載されている。この場合は，回折角２θを直接検出できる。その代わり，試料をいろいろな向きに回転させることで，「試料から見た場合の」いろいろな方向に出て行く回折Ｘ線を検出できるようにしている。このような４軸ゴニオメータ方式ならば，回折角２θを高精度に検出することは可能である。しかしながら，試料をいろいろな向きに変える必要があるので，入射Ｘ線と試料との相対位置関係がいろいろに変化することになる。
【００１２】
測定目的によっては入射Ｘ線と試料との相対位置関係ができるだけ変化しないようにしたいことがある。例えば，試料上の特定の部分だけについてＸ線回折測定をする場合には，入射Ｘ線と試料の位置関係が変化すると，試料表面上のＸ線照射領域が変化してしまい，不都合がある。この点について，図面を用いて説明する。
【００１３】
図１３（ａ）は入射Ｘ線２６に対して試料表面が平行になっている試料１０を，回転中心線１４の回りに３０度だけ時計方向に回転した状態を示している。入射Ｘ線２６のビーム断面を円形と仮定すると，試料上のＸ線照射領域は図に示すような楕円３０になる。さらに，図１３（ａ）の状態の試料１０を試料表面上に設けた回転中心線２９の回りに３０度だけ回転すると，図１３（ｂ）の状態になる。このとき，試料表面上のＸ線照射領域はもう少し大きな楕円３２になる。
【００１４】
図１４は図１３（ａ）と図１３（ｂ）の二つの楕円を重ね合わせて比較したものである。図１３（ｂ）の楕円３２は，図１３（ａ）の楕円３０よりも広がっていることが分かる。このように，入射Ｘ線に対して試料の向きをいろいろに変えると，それに応じて試料上のＸ線照射領域が変化することになる。
【００１５】
本発明は以上のような事情を考慮して開発されたものであり，その目的は，入射Ｘ線に対して試料の向きをできるだけ変化させることなく，かつ，試料からいろいろな方向に出ていく回折Ｘ線について，その回折角を高精度で検出できるようにしたＸ線回折装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明のＸ線回折装置は，入射Ｘ線に対するＸ線検出器の動きが従来にない独特なものになっている。すなわち，Ｘ線検出器の回転中心線が，入射Ｘ線に垂直になっていて，かつ，その垂直な状態を保ったまま，Ｘ線検出器の回転中心線が入射Ｘ線の回りを回転する。このような特徴は次の（ａ）〜（ｅ）の構成によって実現される。（ａ）試料を支持する試料支持装置。（ｂ）前記試料に入射する入射Ｘ線。（ｃ）前記入射Ｘ線と同軸に配置された第１の回転中心線。（ｄ）前記第１の回転中心線に対して垂直で，前記第１の回転中心線の回りを回転できる第２の回転中心線。（ｅ）前記試料からの回折Ｘ線を検出する位置無感型のＸ線検出器であって，前記第１の回転中心線を含む平面内で前記第２の回転中心線の回りを回転できるＸ線検出器。
【００１７】
本発明によれば，第１の回転中心線の回りに第２の回転中心線が回転する運動と，第２の回転中心線の回りにＸ線検出器が回転する運動とを組み合わせることによって，任意の方向にＸ線検出器をもってくることができる。しかも，入射Ｘ線に対する回折Ｘ線のなす角度（すなわち回折角）２θは，第２の回転中心線の回りのＸ線検出器の回転角に常に等しくなり，第１の回転中心線の回りの回転角には依存しない。したがって，第２の回転中心線の回りの回転角の検出精度さえ高精度にしておけば，回折角を高精度に測定することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に，本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は，本発明のＸ線回折装置のひとつの実施形態を示す斜視図である。試料３４は試料支持装置３６に支持されている。試料支持装置３６は回転中心線３８の回りを回転できる。この回転をω回転と呼ぶことにする。回転中心線３８は鉛直に立っていて，試料３４の表面を通過する。試料支持装置３６の入射Ｘ線４４の側には直立台４０が配置されている。直立台４０にはＬ型のカウンタアーム４２が回転可能に取り付けられている。カウンタアーム４２は入射Ｘ線４４と同軸の回転中心線４５の回りを回転できる。この回転をχ（カイ）回転と呼ぶことにする。図１に示したカウンタアーム４２の状態をχ＝０度とし，図１の反時計方向に回転する方向をプラス側，時計方向に回転する方向をマイナス側とする。直立台４０とカウンタアーム４２の両方には入射Ｘ線４４が通過できる貫通孔５０が形成されている。入射Ｘ線４４はこの貫通孔５０を通過して試料３４に向かうことができる。
【００１９】
カウンタアーム４２にはアタッチメントアーム４６が回転可能に取り付けられている。カウンタアーム４２にはモータ４８が固定されており，このモータ４８の出力軸にアタッチメントアーム４６が固定されている。モータ４８の出力軸が回転することでアタッチメントアーム４６が回転中心線５２の回りを回転する。この回転を２θ回転と呼ぶことにする。図１に示したアタッチメントアーム４６の状態を２θ＝０度とし，図１の時計方向に回転する方向をプラス側，反時計方向に回転する方向をマイナス側とする。アタッチメントアーム４６の先端には位置無感型のＸ線検出器５４が固定されている。位置無感型のＸ線検出器５４としては，例えば，比例計数管やシンチレーションカウンタを使うことができる。
【００２０】
入射Ｘ線４４とＸ線検出器５４とを含む検出平面５６は傾斜可能であり，カウンタアーム４２の回転角（χ）によって，検出平面５６の水平面からの傾きが決まる。図１では，カウンタアーム４２が真上に位置しており，検出平面５６は水平面内にある。検出平面は回転中心線４５を含んでいて，Ｘ線検出器５４は検出平面５６内で回転中心線５２の回りを回転する。
【００２１】
入射Ｘ線４４と同軸の回転中心線４５が本発明における第１の回転中心線に該当し，モータ４８の出力軸の回転中心線５２が本発明における第２の回転中心線に該当する。
【００２２】
図２は図１の状態からアタッチメントアーム４６を上から見て２θ（図では３０度）だけ回転中心線５２の回りに時計方向に回転した状態（χ＝０度，２θ＝３０度）を示す。Ｘ線検出器５４は検出平面５６内で回転中心線５２の回りを２θだけ回転したことになる。このときに回折Ｘ線５８が検出できたとすれば，入射Ｘ線４４に対する回折Ｘ線５８の回折角は２θとなる。そして，この２θはアタッチメントアーム４６の回転角に等しい。
【００２３】
図３は図１の状態からカウンタアーム４２を回転中心線４５の回りに反時計方向に９０度だけχ回転した状態（χ＝９０度，２θ＝０度）を示す。回転中心線５２は回転中心線４５に対して垂直な状態を保ったまま，回転中心線４５の回りを９０度だけ回転したことになる。このとき，検出平面５６は水平面から９０度だけ回転して鉛直状態になる。この状態でアタッチメントアーム４６を回転中心線５２の回りに２θ回転させると，Ｘ線検出器５４は鉛直な検出平面５６内を動くことになる。
【００２４】
図４は図３の状態からアタッチメントアーム４６を回転中心線５２の回りに２θ（図では３０度）だけ回転した状態（χ＝９０度，２θ＝３０度）を示す。このときにＸ線検出器５４で回折Ｘ線５８が検出できたとすれば，入射Ｘ線４４に対する回折Ｘ線５８の回折角は２θとなる。そして，この場合も，回折角２θはアタッチメントアーム４６の回転角に等しい。検出平面５６がどの位置に来ても（すなわち，カウンタアーム４２がどの位置に回転しても），回折角２θは常にアタッチメントアーム４６の回転角に等しくなり，常に，アタッチメントアーム４６の回転角だけで回折角２θを検出することができる。
【００２５】
図５は図１の状態からカウンタアーム４２を回転中心線４５の回りに１５度だけ反時計方向にχ回転した状態（χ＝１５度，２θ＝０度）を示す。回転中心線５２は回転中心線４５に対して垂直な状態を保ったまま，回転中心線４５の回りを１５度だけ回転したことになる。このとき，検出平面５６は水平面５９から１５度だけ傾斜した状態になる。この状態でアタッチメントアーム４６を回転中心線５２の回りに２θ回転させると，Ｘ線検出器５４は傾斜した検出平面５６内を動くことになる。
【００２６】
図６は図５の状態からアタッチメントアーム４６を回転中心線５２の回りに時計方向に２θ（図では３０度）だけ回転した状態（χ＝１５度，２θ＝３０度）を示す。このときにＸ線検出器５４で回折Ｘ線５８が検出できたとすれば，入射Ｘ線４４に対する回折Ｘ線５８の回折角は２θとなる。そして，この場合も，回折角２θはアタッチメントアーム４６の回転角に等しい。
【００２７】
図７は図１の状態からカウンタアーム４２を回転中心線４５の回りに１５度だけ時計方向にχ回転し，かつ，アタッチメントアーム４６を回転中心線５２の回りに２θ（図では３０度）だけ反時計方向に回転した状態（χ＝−１５度，２θ＝−３０度）を示す。この場合，試料３４の表面（Ｘ線が照射される面）が向こう側を向くように試料３４をω回転する。
【００２８】
図１〜図７によって理解できるように，このＸ線回折装置によれば，試料中心を含む水平面よりも上方に出てくる回折Ｘ線ならば，それがどの方向に向かっていても，カウンタアーム４２のχ回転とアタッチメントアーム４６の２θ回転との組み合わせで，Ｘ線検出器５４をその方向にもってくることができる。しかも，その回折角２θは常にアタッチメントアーム４６の回転角だけで検出できる。これにより，アタッチメントアーム４６の回転角の検出精度を高めるだけで，回折角の検出精度を高めることができる。カウンタアーム４２のχ回転については，その回転角の精度をそれほど高めなくてもよく，回折角２θの測定精度にはほとんど影響を及ぼさない。この実施形態では，アタッチメントアーム４６の回転角の絶対精度（角度再現性）は千分の１度であり，角度の分解能は１万分の１度である。このような精度を実現するために，アタッチメントアーム４６の回転角制御については，エンコーダを用いたフィードバック制御を行なっている。試料３４のω回転についても同様の高精度にしている。
【００２９】
ω回転による試料３４の角度制御方法は測定目的に応じて決めることができる。例えば，ωを一定にしておいて（例えば，試料３４に対して所定の一定角度で入射Ｘ線４４を照射するようにして），Ｘ線検出器５４だけを動かして回折Ｘ線を測定することができる。この場合は，入射Ｘ線４４と試料３４との相対位置関係を変えずに，いろいろな方向に出てくる回折Ｘ線を検出することができる。ただし，試料の影になる位置では回折Ｘ線は検出できない。Ｘ線検出器５４の位置に応じて，検出する回折Ｘ線が試料３４の影にならないように，試料３４をω回転することも考えられる。この場合でも，試料３４はω回転だけにとどめて，それ以外の回転（例えば，図１３（ｂ）に示すような傾斜回転）を加えないようにすれば，試料上のＸ線照射領域の変化は最小限で済む。また，測定目的によっては試料３４の面内回転が有効な場合があり，そのために試料３４の面内回転機構機構を設けてもよい。
【００３０】
図１のＸ線回折装置は，原理的には，水平面よりも上方だけに限らずに，水平面よりも下方を含めた全方向に対してＸ線検出器をもってくることができる。しかし，Ｘ線検出器がＸ線回折装置のフレームに衝突するなどの物理的な制約があるので，上述の説明では，水平面よりも上方に出てくる回折Ｘ線だけを検出対象とすることを想定している。
【００３１】
本発明は任意の方向の回折Ｘ線に対して回折角２θを常に高精度で測定できるので，使用する入射Ｘ線についても，平行度の高いＸ線を使うことが好ましい。例えば，入射Ｘ線光学系に人工多層膜ミラーを挿入するのが好ましい。図８はＸ線ビームを平行化する多層膜ミラーの斜視図である。この多層膜ミラー６０は，人工多層膜で形成された放物面形状の第１の反射面６２を有する第１のミラーと，人工多層膜で形成された放物面形状の第２の反射面６４を有する第２のミラーとを，その側縁のところで約９０度の角度をもって互いに結合したものであり，いわゆるサイド・バイ・サイド（ｓｉｄｅ−ｂｙ−ｓｉｄｅ）の構造の多層膜ミラーである。この多層膜ミラー６０を使うことで，Ｘ線管のＸ線焦点６６から出射されたＸ線ビーム（発散していくビームである）を，ＸＹ平面内においても，ＹＺ平面内においても，平行化することができる。最初に第１の反射面６２で反射したＸ線は，さらに，第２の反射面６４で反射して出て行く。一方，最初に第２の反射面６４で反射したＸ線は，さらに，第１の反射面６２で反射して出て行く。第１の反射面６２はＸＹ平面内でＸ線を平行化するものであり，第２の反射面６４はＹＺ平面内でＸ線を平行化するものである。このように，Ｘ線焦点６６から発散するＸ線ビームを放物面で集めて平行化しているので，輝度の高い平行ビームが得られる。この多層膜ミラーを用いることで，Ｘ線の発散角を例えば０．０４°以内に収めることができる。
【００３２】
本発明は，試料上のＸ線照射領域をあまり変化させずに任意の方向の回折Ｘ線を測定できるので，入射Ｘ線の断面積を数十μｍ程度に絞れば，試料上の特定の微小領域について，任意の方向での高精度のＸ線回折測定が可能になる。したがって，例えば，試料上の特定の微小領域についての歪測定が可能になる。
【００３３】
図１において，Ｘ線検出器５４の手前には，実際には受光スリットが配置されている。その受光スリットは，例えば，図９に示すように，一方向の受光幅を制限する第１スリット６８と，前記一方向に垂直な方向の受光幅を制限する第２スリット７０とを組み合わせた構造にする。これにより，Ｘ線検出器５４がどの位置に動いても，受光する回折Ｘ線の広がりを制限できて，角度検出について精度の高い測定ができる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば，試料から任意の方向に出てくる回折Ｘ線を検出することが可能であり，その場合でも，回折角を常に高精度に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＸ線回折装置のひとつの実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１に示すＸ線回折装置のχ＝０度，２θ＝３０度の状態を示す斜視図である。
【図３】図１に示すＸ線回折装置のχ＝９０度，２θ＝０度の状態を示す斜視図である。
【図４】図１に示すＸ線回折装置のχ＝９０度，２θ＝３０度の状態を示す斜視図である。
【図５】図１に示すＸ線回折装置のχ＝１５度，２θ＝０度の状態を示す斜視図である。
【図６】図１に示すＸ線回折装置のχ＝１５度，２θ＝３０度の状態を示す斜視図である。
【図７】図１に示すＸ線回折装置のχ＝−１５度，２θ＝−３０度の状態を示す斜視図である。
【図８】多層膜ミラーの斜視図である。
【図９】受光スリットの斜視図である。
【図１０】従来のＸ線回折装置の斜視図である。
【図１１】図１０に示すＸ線回折装置の別の状態を示す斜視図である。
【図１２】図１１の状態のＸ線検出器の角度位置を説明する斜視図である。
【図１３】試料上のＸ線照射領域が入射Ｘ線と試料との相対位置関係に依存することを示す斜視図である
【図１４】試料上のＸ線照射領域を比較して示す正面図である。
【符号の説明】
３４  試料
３６  試料支持装置
４０  直立台
４２  カウンタアーム
４４  入射Ｘ線
４５  回転中心線（第１の回転中心線）
４６  アタッチメントアーム
５２  回転中心線（第２の回転中心線）
５４  Ｘ線検出器
５６  検出平面
５８  回折Ｘ線
【図１】
2005017014.tif 000003
【図２】
2005017014.tif 000004
【図３】
2005017014.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005017014.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2005017014.tif 000012
【図１１】
2005017014.tif 000013
【図１２】
2005017014.tif 000014
【図１３】
2005017014.tif 000015
【図１４】
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