特許 6862710 Ｘ線回折装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6862710

(24)【登録日】2021年4月5日

(45)【発行日】2021年4月21日

(54)【発明の名称】Ｘ線回折装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 23/207 20180101AFI20210412BHJP

【ＦＩ】

   G01N23/207

【請求項の数】6

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2016-153517(P2016-153517)

(22)【出願日】2016年8月4日

(65)【公開番号】特開2018-21836(P2018-21836A)

(43)【公開日】2018年2月8日

【審査請求日】2019年1月9日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001993

【氏名又は名称】株式会社島津製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110001069

【氏名又は名称】特許業務法人京都国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】丸井 隆雄

【審査官】 今浦 陽恵

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−１２１５０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０３３５３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−２１０４６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３３７３０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０１−１４１３４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２１４１０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１４６８７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−１４５６４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−１６６４８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０１７３５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−００８８６４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２３／００−２３／２２７６

Ｇ２１Ｋ １／００−３／００，５／００−７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

試料にＸ線を照射し該試料で回折された回折Ｘ線を検出する波長分散型のＸ線回折装置であって、
a)連続Ｘ線を試料に照射するＸ線照射部と、
b)前記Ｘ線照射部からのＸ線の照射に対して前記試料で回折されたＸ線を通過させる、後記平板分光結晶の波長分散方向に直交する方向に延伸する細長い形状である開口、を有するスリットと、
c)前記スリットの開口を通過したあと該開口の延伸方向に直交する面内で拡がる回折Ｘ線を反射しつつ波長分散する平板分光結晶と、
d)前記平板分光結晶による波長分散方向に配列された複数の微小Ｘ線検出素子からなり、該平板分光結晶により波長分散された回折Ｘ線の波長毎のＸ線強度をそれぞれ検出するＸ線検出部と、
を備えることを特徴とするＸ線回折装置。

【請求項2】

試料にＸ線を照射し該試料で回折された回折Ｘ線を検出する波長分散型のＸ線回折装置であって、
a)連続Ｘ線を試料に照射するＸ線照射部と、
b)前記Ｘ線照射部からのＸ線の照射に対して前記試料で回折されたＸ線を通過させる開口を有するスリットと、
c)前記スリットを通過したあと拡がる回折Ｘ線を反射しつつ波長分散する湾曲分光結晶と、
d)前記湾曲分光結晶により波長分散された回折Ｘ線のうち該湾曲分光結晶において特定の方向に回折されたＸ線の強度を検出するＸ線検出部と、
e)前記湾曲分光結晶へ入射する回折Ｘ線と該結晶面との成す角度と該結晶で回折して前記Ｘ線検出部へと向かうＸ線と該結晶面との成す角度とを一定の関係に保ちつつ、前記湾曲分光結晶及び前記Ｘ線検出器をそれぞれ回動させる波長走査部と、
を備えることを特徴とするＸ線回折装置。

【請求項3】

試料にＸ線を照射し該試料で回折された回折Ｘ線を検出する波長分散型のＸ線回折装置であって、
a)連続Ｘ線を試料に照射するＸ線照射部と、
b)前記Ｘ線照射部からのＸ線の照射に対して前記試料で回折されたＸ線を通過させる開口を有するスリットと、
c)前記スリットを通過したあと拡がる回折Ｘ線を平行化させるマルチキャピラリＸ線レンズと、
d)前記マルチキャピラリＸ線レンズで平行化された回折Ｘ線を反射しつつ波長分散する平板分光結晶と、
e)前記平板分光結晶により波長分散された回折Ｘ線のうち該平板分光結晶において特定の方向に回折されたＸ線の強度を検出するＸ線検出部と、
f)前記平板分光結晶へ入射する回折Ｘ線と該結晶面との成す角度と該結晶で回折して前記Ｘ線検出部へと向かうＸ線と該結晶面との成す角度とを一定の関係に保ちつつ、前記平板分光結晶及び前記Ｘ線検出器をそれぞれ回動させる波長走査部と、
を備えることを特徴とするＸ線回折装置。

【請求項4】

請求項１〜３のいずれか１項に記載のＸ線回折装置であって、
前記Ｘ線照射部から前記試料に向かう入射Ｘ線が通過する入射側開口と、該試料で回折し前記平板分光結晶又は湾曲分光結晶に向かうＸ線が通過する出射側開口とが設けられ、前記試料が収納される試料室をさらに備えることを特徴とするＸ線回折装置。

【請求項5】

請求項４に記載のＸ線回折装置であって、
前記試料室は放射線遮蔽作用を有する材料から成り、前記入射側開口及び前記出射側開口には、放射線透過性を有し気体の流通を阻止する材料から成る窓が取り付けられていることを特徴とするＸ線回折装置。

【請求項6】

請求項１〜５のいずれか１項に記載のＸ線回折装置であって、
前記平板分光結晶又は前記湾曲分光結晶として結晶面間隔の相違する複数のものが切り替え可能であることを特徴とするＸ線回折装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はＸ線回折装置に関し、さらに詳しくは、波長分散型のＸ線回折装置に関する。

【背景技術】

【0002】

原子が規則正しく配列している物質に波長がλであるＸ線を照射すると、ブラッグの式：２ｄsinθ＝ｎλ（ただし、d は物質の結晶面の間隔、θは入射Ｘ線と結晶面とが成す角度、ｎは整数）を満たすときに回折による反射が生じる。Ｘ線回折法は、このＸ線の回折現象を利用して試料中に存在する面間隔ｄを調べ、それから試料中の物質を同定したり定量したりする測定法である。Ｘ線回折法を利用した測定を行うＸ線回折装置には、大別して、角度走査型とエネルギー分散型とがある。

【0003】

図５は従来一般に知られている角度走査型のＸ線回折装置の概略構成図である（特許文献１等参照）。
Ｘ線管１０はターゲットの材質に応じた特定波長のＸ線を発生する。このＸ線管１０から出射されたＸ線は、照射側スリット１１を経て試料ホルダ１３上に装荷された試料Ｓに照射される。試料Ｓにより回折されたＸ線は出射側スリット１５を経てＸ線検出器１６に導入される。通常、Ｘ線検出器１６にはシンチレーション管又はガスが封入された比例計数管が用いられ、入射したＸ線強度に応じた検出信号が得られる。

【0004】

試料Ｓはその表面がゴニオメータ１７の中心になるように設置され、Ｘ線管１０及び照射側スリット１１はゴニオメータ１７の外周部に固定されている。試料Ｓに対して斜め方向からＸ線が入射したとき、Ｘ線は上記ブラッグ式を満足する方向に回折される。この回折Ｘ線をＸ線検出器１６で検出するためには、入射Ｘ線と試料Ｓの表面（結晶面）との成す角度θと、試料Ｓの表面とＸ線検出器１６に向かう出射Ｘ線との成す角度θとが常に等しくなる関係を保ちながらθを所定の角度範囲で走査する必要がある。そのため、ゴニオメータ１７において、試料ホルダ１３の保持部（ゴニオメータ１７の内周部）とＸ線検出器１６及び出射側スリット１５とは同軸で且つ異なる駆動軸を有し、それら駆動軸はそれぞれθ：２θ、つまり１：２の比で以て回転駆動されるようになっている。なお、試料ホルダ１３の保持部を回転させる代わりに、Ｘ線管１０の保持部及び照射側スリット１１を回転させる構成とすることもできる。

【0005】

ゴニオメータ１７により上記のような角度走査を行い、回転角度２θとＸ線強度との関係を求めると、所定の角度付近でＸ線強度が大きくなるピークが観測されるＸ線回折パターンを得ることができる。Ｘ線回折パターンにおいてピークの位置（回折角度）は試料Ｓ中に存在する面間隔ｄに依存し、回折Ｘ線強度は原子や分子の配列状況や原子種に依存する。そのため、Ｘ線回折パターンは物質の種類に依存し、例えば既知物質のＸ線回折パターンと未知試料に対する実測のＸ線回折パターンとを比較することで、未知試料中の物質を同定することができる。

【0006】

上記角度走査型Ｘ線回折装置は、ブラッグの式：２ｄsinθ＝ｎλにおいて波長λを固定し、角度θを変化させることで物質の面間隔ｄを求めるものである。これに対し、角度θを固定し、Ｘ線の波長を走査することによっても同様に物質の面間隔ｄを求めることが可能であることは明らかである。エネルギー分散型のＸ線回折装置はそうした原理を利用したものであり、例えば図５に示した構成においてゴニオメータ１７で試料ホルダ１３やＸ線検出器１６等を回転駆動する代わりに、Ｘ線管１０を連続Ｘ線（白色Ｘ線）を出射するものに、Ｘ線検出器１６を半導体検出器などのエネルギー分散型検出器に置き換える。

【0007】

具体的にいうと、Ｘ線管１０は、タングステンなどの重い元素をターゲットとして有し、このターゲットを励起する電子線の加速電圧（管電圧）を、そのターゲットの特性Ｘ線を励起できる値よりも低く抑えるように動作させる。これにより、Ｘ線管１０から幅広いエネルギーを有する、つまりは幅広い波長範囲のＸ線が出射される。この連続Ｘ線に対する試料Ｓによる回折Ｘ線を、同じ角度位置に固定したエネルギー分散型であるＸ線検出器１６により検出する。そして、エネルギー毎にＸ線を分離してそれぞれＸ線強度を検出し、Ｘ線のエネルギーとＸ線強度との関係を求める。Ｘ線のエネルギーを波長に換算しブラッグ式に当てはめることで、角度走査型と同様に試料Ｓ中に存在する面間隔ｄを求めることができる。

【0008】

上記エネルギー分散型Ｘ線回折装置はゴニオメータを利用せず機械的な駆動部を有さないので、角度走査型Ｘ線回折装置に比べて構造が簡素であり、装置の小形・軽量化に有利であるとともに故障も起きにくいという利点がある。しかしながら、一般に、エネルギー分散型Ｘ線検出器におけるエネルギー分解能はあまり高くないため、角度走査型Ｘ線回折装置に比べると求まる面間隔の精度が低いという性能的な問題がある。そのため、Ｘ線回折装置では角度走査型の構成が広く採用されている。

【0009】

しかしながら、上述した従来の角度走査型Ｘ線回折装置では次のような問題がある。
Ｘ線回折装置での測定対象の試料は様々であり、近年、放射性物質を測定したいという要求も非常に強い。図５に示すように、Ｘ線検出器１６は試料Ｓから到来する回折Ｘ線を直接検出可能な位置に固定されている。そのため、試料Ｓが放射性物質である場合、試料Ｓで回折したＸ線以外に、試料Ｓ自体から放出される放射線がＸ線検出器１６に入射する。すると、Ｘ線検出器１６に入射した放射線は一種のバックグラウンドノイズとなるため、回折Ｘ線の正確な測定に支障をきたすおそれがある。また、Ｘ線検出器１６として半導体検出器を用いる場合には、高いエネルギーの放射線が入射すると検出面が劣化するため、検出器の寿命が極端に短くなるおそれがある。

【0010】

また、従来の角度走査型Ｘ線回折装置では、ゴニオメータ１７が故障した場合、試料ホルダ１３を回転駆動するゴニオメータ１７の内周部等、試料Ｓに近い機構部分の修理が必要になる場合がある。試料Ｓが放射性物質である場合、試料Ｓに近い機構部分の修理は必然的にホットセル内での作業になり、非常に面倒で手間が掛かる。また、試料Ｓに近い位置から取り外された機構部品には放射線物質の粉末などが付着しているおそれがあるため、こうした部品等の処置も非常に面倒である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】特開２０１５−１２１５０１号公報

【特許文献2】特開２０１１−８９９８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、試料が放射性物質である場合でも、試料から発せられた放射線がＸ線検出器に入射することを回避してバックグラウンドノイズを低減するとともにＸ線検出器の劣化を防止し、さらにまた、少なくとも放射線量が多い可能性がある試料近傍における機構部などの故障を回避することで保守等の作業を軽減することができる高分解能のＸ線回折装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記課題を解決するために成された本発明の第１の態様は、試料にＸ線を照射し該試料で回折された回折Ｘ線を検出する波長分散型のＸ線回折装置であって、
a)連続Ｘ線を試料に照射するＸ線照射部と、
b)前記Ｘ線照射部からのＸ線の照射に対して前記試料で回折されたＸ線を通過させる、後記平板分光結晶の波長分散方向に直交する方向に延伸する細長い形状である開口、を有するスリットと、
c)前記スリットの開口を通過したあと該開口の延伸方向に直交する面内で拡がる回折Ｘ線を反射しつつ波長分散する平板分光結晶と、
d)前記平板分光結晶による波長分散方向に配列された複数の微小Ｘ線検出素子からなり、該平板分光結晶により波長分散された回折Ｘ線の波長毎のＸ線強度をそれぞれ検出するＸ線検出部と、
を備えることを特徴としている。

【0014】

また上記課題を解決するために成された本発明の第２の態様は、試料にＸ線を照射し該試料で回折された回折Ｘ線を検出する波長分散型のＸ線回折装置であって、
a)連続Ｘ線を試料に照射するＸ線照射部と、
b)前記Ｘ線照射部からのＸ線の照射に対して前記試料で回折されたＸ線を通過させる開口を有するスリットと、
c)前記スリットを通過したあと拡がる回折Ｘ線を反射しつつ波長分散する湾曲分光結晶と、
d)前記湾曲分光結晶により波長分散された回折Ｘ線のうち該湾曲分光結晶において特定の方向に回折されたＸ線の強度を検出するＸ線検出部と、
e)前記湾曲分光結晶へ入射する回折Ｘ線と該結晶面との成す角度と該結晶で回折して前記Ｘ線検出部へと向かうＸ線と該結晶面との成す角度とを一定の関係に保ちつつ、前記湾曲分光結晶及び前記Ｘ線検出器をそれぞれ回動させる波長走査部と、
を備えることを特徴としている。

【0015】

さらにまた上記課題を解決するために成された本発明の第３の態様は、試料にＸ線を照射し該試料で回折された回折Ｘ線を検出する波長分散型のＸ線回折装置であって、
a)連続Ｘ線を試料に照射するＸ線照射部と、
b)前記Ｘ線照射部からのＸ線の照射に対して前記試料で回折されたＸ線を通過させる開口を有するスリットと、
c)前記スリットを通過したあと拡がる回折Ｘ線を平行化させるマルチキャピラリＸ線レンズと、
d)前記マルチキャピラリＸ線レンズで平行化された回折Ｘ線を反射しつつ波長分散する平板分光結晶と、
e)前記平板分光結晶により波長分散された回折Ｘ線のうち該平板分光結晶において特定の方向に回折されたＸ線の強度を検出するＸ線検出部と、
f)前記平板分光結晶へ入射する回折Ｘ線と該結晶面との成す角度と該結晶で回折して前記Ｘ線検出部へと向かうＸ線と該結晶面との成す角度とを一定の関係に保ちつつ、前記平板分光結晶及び前記Ｘ線検出器をそれぞれ回動させる波長走査部と、
を備えることを特徴としている。

【0016】

本発明の第１乃至第３の態様によるＸ線回折装置では、エネルギー分散型Ｘ線回折装置と同様に、幅広い波長のＸ線を含む連続Ｘ線を照射可能なＸ線照射部を用い、この連続Ｘ線を、位置が固定された（つまりはゴニオメータ等により回動されない）試料に対し照射する。そして、試料で回折されたＸ線をスリットを通して取り出す。したがって、本発明の第１乃至第３の態様によるＸ線回折装置において、Ｘ線照射部、試料、及びスリットの位置関係は固定である。

【0017】

本発明の第１の態様によるＸ線回折装置では、スリットを通過したあとに拡がりつつ進行する回折Ｘ線は平板分光結晶に当たり、平板分光結晶で反射されるとともに該平板分光結晶における回折現象により波長分散される。回折Ｘ線は様々な波長のＸ線を含むが、試料の結晶面間隔に応じた特定の波長のＸ線の強度が高く、他の波長のＸ線強度は低くなっている。こうした波長毎に強度の相違する、波長分散後のＸ線は、Ｘ線検出部に含まれる波長分散方向に配列された複数の微小Ｘ線検出素子にそれぞれ入射する。したがって、Ｘ線検出部では所定の波長範囲に亘るＸ線強度が略一斉に得られる。つまり、本発明の第１の態様によるＸ線回折装置では、Ｘ線の波長とＸ線強度との関係を一度に得ることができる。この場合、平板分光結晶とＸ線検出部の位置は固定でよい。

【0018】

本発明の第２の態様によるＸ線回折装置では、第１の態様と同様に、スリットを通過したあとに拡がりつつ進行する回折Ｘ線は湾曲分光結晶に当たり、該湾曲分光結晶で反射されるとともに波長分散される。第１の態様では、この波長分散された様々な波長のＸ線を略一斉に検出するが、この第２の態様では、Ｘ線検出部は、湾曲分光結晶で反射されたＸ線のうち特定の方向に向かうＸ線のみを検出する。つまり、或る時点で検出されるのは特定の波長のＸ線のみである。波長走査部は、湾曲分光結晶へ入射するＸ線と該結晶面との成す角度と該結晶で回折してＸ線検出部へと向かうＸ線と該結晶面との成す角度とを一定の関係に保ちながら、その角度が所定範囲で変化するように、湾曲分光結晶とＸ線検出器とをそれぞれ回動させる。即ち、波長走査部は、湾曲分光結晶でのブラッグ式を満たすＸ線がＸ線検出器に常に入射するように波長走査を実行する。つまり、本発明の第２の態様によるＸ線回折装置では、波長走査部による機械的な駆動によって、Ｘ線の波長とＸ線強度との関係を得ることができる。

【0019】

また本発明の第３の態様によるＸ線回折装置では、スリットを通過したあとに拡がりつつ進行する回折Ｘ線はマルチキャピラリＸ線レンズにより平行化されたのちに平板分光結晶に当たり、平板分光結晶で反射されるとともに波長分散される。第１の態様では、この波長分散された様々な波長のＸ線を略一斉に検出するが、この第３の態様では、Ｘ線検出部は、平板分光結晶で反射されたＸ線のうち特定の方向に向かうＸ線のみを検出する。したがって、第２の態様と同様に、或る時点で検出されるのは特定の波長のＸ線のみである。波長走査部は、平板分光結晶へ入射するＸ線と該結晶面との成す角度と該結晶で回折してＸ線検出部へと向かうＸ線と該結晶面との成す角度とを一定の関係に保ちながら、その角度が所定範囲で変化するように、平板分光結晶とＸ線検出器とをそれぞれ回動させる。即ち、波長走査部は、平板分光結晶でのブラッグ式を満たすＸ線がＸ線検出器に常に入射するように波長走査を実行する。つまり、本発明の第３の態様によるＸ線回折装置では第２の態様と同様に、波長走査部による機械的な駆動によって、Ｘ線の波長とＸ線強度との関係を得ることができる。

【0020】

本発明に係るＸ線回折装置の第１乃至第３の態様のいずれにおいても、スリットを通過したＸ線は分光結晶に当たり、その進行方向が変えられてＸ線検出部に到達する。そのため、その検出面が試料から直接臨めるような位置にＸ線検出部を配置する必要がなく、試料が放射性物質である場合でも試料から放出される放射線がＸ線検出部の検出面に直接入射することを防止することができる。それによって、Ｘ線検出部への放射線の入射によるバックグラウンドノイズの影響を軽減することができる。また、Ｘ線検出部として半導体検出器を用いる場合でも、放射線による検出面の劣化を回避して、検出器の寿命を延ばすことができる。

【0021】

また、本発明に係るＸ線回折装置の第１の態様では、所定の波長範囲のＸ線強度分布、つまり試料に対するＸ線回折パターンを得るのに機械的駆動部が不要である。そのため、装置の構造が簡素であり、小形・軽量化に有利であるとともに、故障の発生も低減することができる。一方、第２及び第３の態様では、試料に対するＸ線回折パターンを得るのに機械的駆動部が必要であるものの、試料自体を回動させる必要はなく、試料から離れた位置に機械的駆動部を設けることができる。それにより、試料が放射性物質である場合に、機械的駆動部の故障が発生しても放射線量が相対的に少ない部分の修理を行えばよいので、故障修理や保守が容易になる。

【0022】

また本発明に係るＸ線回折装置では、上述したように、Ｘ線照射部、試料、及びスリットの位置関係は固定である。即ち、Ｘ線照射部から試料に向かうＸ線の経路、及び、試料で回折し分光結晶に向かうＸ線の経路は、常に同じである。そこで、本発明に係るＸ線回折装置では、好ましくは、前記Ｘ線照射部から前記試料に向かうＸ線が通過する入射側開口と、該試料で回折し前記平板分光結晶又は前記湾曲分光結晶に向かうＸ線が通過する出射側開口とが設けられ、試料が収納される試料室をさらに備える構成とするとよい。
この場合、試料室は放射線遮蔽材料から成るものとするとよい。これにより、試料が放射性物質である場合でも、不要な放射線の外部への拡散を軽減することができる。

【0023】

さらにまた上記構成では、前記試料室は放射線遮蔽作用を有する材料から成り、前記入射側開口及び前記出射側開口には、放射線透過性を有し気体の流通を阻止する材料から成る窓が取り付けられている構成とするとよい。

【0024】

この構成によれば、例えば試料が放射性物質の粉体等であって飛散し易い場合でも、その試料自体が試料室から外部へと飛散することが避けられるので、より高い放射線防護性を達成することができる。

【0025】

また本発明に係るＸ線回折装置では、前記平板分光結晶又は前記湾曲分光結晶として結晶面間隔の相違する複数のものが切り替え可能である構成としてもよい。

【0026】

この構成によれば、平板分光結晶又は湾曲分光結晶を結晶面間隔の相違するものに適宜切り替えることによって、測定可能なＸ線の波長範囲を広げることができる。それにより、より多くの種類の物質についての測定が可能となる。

【発明の効果】

【0027】

本発明に係るＸ線回折装置によれば、試料から放射線が放出される場合でも、その放射線が直接的にＸ線検出部の検出面に入射することを回避できるので、放射線に起因するバックグラウンドノイズを軽減し、高い精度及び感度で回折Ｘ線を検出することができる。それにより、正確なＸ線回折パターンを求めることができ、試料中の未知物質の同定などの精度が向上する。また、Ｘ線検出部として半導体検出器を用いる場合でも、放射線による検出面の劣化を回避して、検出器の寿命を延ばすことができる。

【0028】

また 本発明に係るＸ線回折装置によれば、角度走査型Ｘ線回折装置と同様の高い分解能が得られるＸ線回折装置でありながら、試料自体を回動させる機械的駆動部が不要である。それにより、試料が放射性物質である場合に、放射線量が多い可能性がある試料付近での機械的駆動部の修理を行う必要がなくなるので、故障修理や保守が容易になる。また、特に本発明の第１の態様によるＸ線回折装置では、所定の波長範囲のＸ線回折パターンを得るのに機械的駆動部による波長走査が不要である。そのため、装置の構造が簡素であり、小形・軽量化に有利である。また、機械的駆動部がないことで故障の発生も少なくなる。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】本発明の第１実施例によるＸ線回折装置の概略構成図。

【図2】平板分光結晶の切替機構の概略図。

【図3】本発明の第２実施例によるＸ線回折装置の概略構成図。

【図4】本発明の第３実施例によるＸ線回折装置の概略構成図。

【図5】従来の角度走査型Ｘ線回折装置の概略構成図。

【発明を実施するための形態】

【0030】

以下、本発明の第１実施例であるＸ線回折装置について、添付図面を参照して説明する。図１は第１実施例のＸ線回折装置の概略構成図である。図１では便宜的に、紙面内に互いに直交してＸ軸、Ｚ軸をとり、紙面に直交する方向にＹ軸をとるものとする。

【0031】

このＸ線回折装置において、Ｘ線を遮蔽する材料から成る箱状の試料室２２には、照射側スリット２１の開口を通してＸ線を試料室２２内に導入するＸ線入射窓２２ａと、出射側スリット２４の開口を通してＸ線を試料室２２内から取り出すＸ線出射窓２２ｂとが設けられている。照射側スリット２１及び出射側スリット２４の開口はＹ軸方向に延伸する細長い形状である。Ｘ線入射窓２２ａ及びＸ線出射窓２２ｂの開口はそれぞれ、Ｘ線を高い効率で透過させる一方、空気の流通を遮断する、例えばベリリウムなどから成る窓材２５で覆われている。試料Ｓを装荷する試料ホルダ２３は試料室２２の内部の所定位置に固定されている。試料Ｓの表面（結晶面）はＸ−Ｙ平面に平行である。

【0032】

Ｘ線入射窓２２ａの外側には、連続Ｘ線を出射するＸ線管２０が配置され、一方、Ｘ線出射窓２２ｂの外側には平板分光結晶２６が配置されている。また、平板分光結晶２６の結晶面に対向する位置に、多数の微小Ｘ線検出素子が一次元的に配列されてなるＸ線検出部２７が配置されている。Ｘ線検出部２７で得られた検出信号はアンプ２８を通してデータ処理部２９に送られる。

【0033】

このＸ線回折装置を用いた試料Ｓの測定動作について説明する。ここでは、試料Ｓは放射性物質を含む試料であるとする。
Ｘ線管２０から出射されＸ線入射窓２２ａを通過した幅広い波長のＸ線を含む連続Ｘ線は、Ｘ−Ｚ面内でのその中心軸と試料Ｓの表面との成す角度がθであるように試料Ｓに照射される。この入射Ｘ線に対して、ブラッグ式を満たすＸ線が試料Ｓ表面で回折し、出射側スリット２４の開口（Ｘ線出射窓２２ｂの開口）を通過する。出射側スリット２４の開口幅は狭いため、図１中に示すように、試料Ｓ上の異なる位置から出射した回折Ｘ線は出射側スリット２４の開口付近でほぼ一点（ただし、Ｙ軸方向には延伸しているので実際には一本の線状）に収束し、出射側スリット２４の開口を出たあとは徐々に拡がる。そして、拡がった回折Ｘ線が平板分光結晶２６に到達する。

【0034】

平板分光結晶２６は、その波長分散方向が出射側スリット２４の開口の延伸方向（Ｙ軸方向）に直交する面内、つまりはＸ−Ｚ面内になるように配置されている。平板分光結晶２６に入射するＸ線と結晶面との成す角度は、平板分光結晶２６上のＸ線の入射位置によって少しずつ異なる。そのため、平板分光結晶２６上で反射されるＸ線の波長（厳密にいえば、相対的に高い効率で反射されるＸ線の波長）も平板分光結晶２６上のＸ線の入射位置によって少しずつ異なる。そのため、平板分光結晶２６上でＸ線は波長分散され、反射したＸ線はそれぞれ異なる波長を有して拡がりながら進行する。Ｘ線検出部２７の多数の微小Ｘ線検出素子は上記波長分散方向に配列されているため、微小Ｘ線検出素子にはそれぞれその位置に対応した波長（狭い波長範囲）のＸ線が入射し、微小Ｘ線検出素子は入射したＸ線の強度に応じた検出信号を生成する。

【0035】

試料Ｓには連続Ｘ線が照射されるが、試料Ｓ中の物質の結晶面間隔に応じた特定の波長λ付近のＸ線が高い強度で以て回折する。そのため、平板分光結晶２６で波長分散されたＸ線のうち、波長λ付近のＸ線が入射する微小Ｘ線検出素子の検出信号は大きくなる。Ｘ線検出部２７を構成する多数の微小Ｘ線検出素子はそれぞれ異なる波長に対応付けられるから、その多数の微小Ｘ線検出素子で生成される検出信号は、Ｘ線の波長とＸ線強度との関係を示している。そこで、データ処理部２９はアンプ２８を通してＸ線検出部２７から受け取った信号に基づいて、所定の波長範囲のＸ線回折パターンを作成し、例えばピークが得られる波長をブラッグ式に当てはめて試料Ｓ中の物質の結晶面間隔を求める。

【0036】

上記説明から明らかであるように、本実施例のＸ線回折装置では、エネルギー分散型Ｘ線回折装置と同様に連続Ｘ線を出射可能なＸ線管２０を用いているものの、平板分光結晶２６で波長分散したＸ線の強度を検出しているので、波長分散型のＸ線回折装置であり、高い波長分解能を達成できる。また、試料ＳからＸ線出射窓２２ｂを通して平板分光結晶２６は直接臨めるものの、Ｘ線検出部２７の検出面は全く臨めない。そのため、試料Ｓ中に存在する物質によって該試料Ｓから放出された放射線は平板分光結晶２６に直接入射するが、Ｘ線検出部２７の検出面には直接入射しない。そのため、仮に放射線がＸ線検出部２７の検出面に入射するとしてもその量は僅かであり、放射線に起因するバックグラウンドノイズは十分に小さく抑えることができる。また、半導体素子である微小Ｘ線検出素子の受光面が放射線によって劣化することも防止することができる。

【0037】

また、試料Ｓから放出される放射線はＸ線入射窓２２ａ及びＸ線出射窓２２ｂを通して試料室２２の外部に出て来るものの、それ以外の箇所からの放射線の漏洩はないので、高い放射線の防護性を達成することができる。また、Ｘ線入射窓２２ａ及びＸ線出射窓２２ｂは放射線が通過可能な窓材２５で被覆されていて、試料Ｓが粉体である場合や試料Ｓから出る粉塵が多い場合でも、それらが試料室Ｓから外部へと飛散することを防止することができる。それによって、一層高い放射線防護性を達成することができる。

【0038】

なお、一般に、平板分光結晶２６やＸ線検出部２７の配置の制約やＸ線検出部２７の微小Ｘ線検出素子の数の制約等から一種類の平板分光結晶で以てカバーできる波長範囲には限界がある。そのため、より幅広い波長範囲についての測定を行いたい場合には、結晶面間隔が相違する異なる種類の平板分光結晶を切替え可能に備える構成とするとよい。
具体的には、例えば図２に示すように、軸２６２を中心に回動可能である四角柱状のホルダ２６１の各面に、それぞれ異なる種類の平板分光結晶２６３、２６４（ここでは見えない他の二面も同様）に取り付け、ホルダ２６１を９０°単位で適宜回動させることで、所望の平板分光結晶にＸ線が当たるようにすればよい。
もちろん、複数種類の平板分光結晶を切り替える機構はこれに限らない。

【0039】

また、上記説明ではＸ線検出部２７の微小Ｘ線検出素子は半導体素子であるが、半導体素子でなくてもよいことは明らかである。Ｘ線検出部２７は、一次元方向のそれぞれの位置で互いに異なる波長のＸ線強度を検出可能な検出器でありさえすればよい。

【0040】

次に、本発明の第２実施例であるＸ線回折装置について図３を参照して説明する。図３は第２実施例のＸ線回折装置の概略構成図であり、図１に示した第１実施例のＸ線回折装置と同じ構成要素には同じ符号を付している。図１と図３を比較すれば分かるように、試料Ｓに連続Ｘ線を照射し、試料Ｓで回折したＸ線を試料室２２の外部に取り出すまでの構成は全く同じであるので、それについては説明を省略する。

【0041】

この第２実施例のＸ線回折装置では、出射側スリット２４の開口を通過して拡がりながら進むＸ線が到達する位置に、湾曲分光結晶４１が配置されており、該湾曲分光結晶４１で反射されるとともに波長分散されたＸ線がＸ線検出器４２に導入される。ここでは、Ｘ線検出器４２はシンチレーション管又はガスが封入された比例計数管を用いた検出器、或いは、半導体検出器のいずれもよい。

【0042】

ここで用いられているＸ線分光器は結晶直進集光型分光器と呼ばれるもので、出射側スリット２４の開口付近の回折Ｘ線の収束点Ｐと、湾曲分光結晶４１の結晶表面と、Ｘ線検出器４２による検出点Ｑとは、同一基準面（図３の紙面）上のローランド円４０上に配置されている。湾曲分光結晶４１の結晶表面の形状はローランド円４０の半径と等しい曲率である。出射側スリット２４の開口を通したＸ線の取り出し角度を一定に保つ必要があるため、湾曲分光結晶４１は回折Ｘ線の収束点Ｐを通る所定の直線Ｕ上を移動される。したがって、ローランド円４０はその半径を維持したまま中心が移動し、例えば図３中に示すように湾曲分光結晶は符号４０’で示すローランド円上に位置するように符号４１’の位置へ移動する。

【0043】

一方、Ｘ線検出器４２は、湾曲分光結晶４１へ入射するＸ線の中心軸と結晶面の接線とのなす角度と、湾曲分光結晶４１で反射して出射するＸ線の中心軸と結晶面の接線とのなす角度とが等しい関係（図３では角度β）を保ちながら該角度が変化するように移動される。このように、湾曲分光結晶４１とＸ線検出器４２とを移動させると、湾曲分光結晶４１においてブラッグ式を満たすように回折により反射されＸ線検出器４２に到達するＸ線の波長が走査される。こうした波長走査によって、第１実施例と同様に、Ｘ線の波長とＸ線強度との関係を求めることができる。

【0044】

続いて、本発明の第３実施例であるＸ線回折装置について図４を参照して説明する。図４は第３実施例のＸ線回折装置の概略構成図であり、図１に示した第１実施例のＸ線回折装置と同じ構成要素には同じ符号を付している。試料Ｓに連続Ｘ線を照射し、試料Ｓで回折したＸ線を試料室２２の外部に取り出すまでの構成は、第１、第２実施例と全く同じである。

【0045】

この第３実施例のＸ線回折装置では、出射側スリット２４の開口を通過したＸ線は、一点から発し拡がりつつ進むＸ線を所定の取込角で以て集めて平行化するマルチキャピラリＸ線レンズ３１に導入され、マルチキャピラリＸ線レンズ３１の出射端面から出射された平行Ｘ線が到達する位置に平板分光結晶３２が配置されている。そのため、第１実施例とは異なり、平板分光結晶３２に入射するＸ線の角度は該平板分光結晶３２上の位置に依らず、同じであり、平板分光結晶３２においてブラッグの式を満たす特定の波長のＸ線のみがＸ線検出器３３に導入される。なお、平板分光結晶３２とＸ線検出器３３との間に、平行Ｘ線のみを通過させるソーラスリットを設けてもよい。第２実施例と同様に、Ｘ線検出器３３はシンチレーション管又はガスが封入された比例計数管を用いた検出器、或いは、半導体検出器のいずれもよい。

【0046】

平板分光結晶３２の保持部（ゴニオメータ３０の内周部）とＸ線検出器３３とは同軸で且つ異なる駆動軸を有し、それら駆動軸はそれぞれα：２α、つまり１：２の比で以て回転駆動されるようになっている。即ち、平板分光結晶３２に入射するＸ線の角度が変化するようにゴニオメータ３０を駆動すると、平板分光結晶３２においてブラッグ式を満たす波長のＸ線がＸ線検出器３３に入射するように該Ｘ線検出器３３は回動される。このように第３実施例のＸ線回折装置では、ゴニオメータ３０で角度走査を行うことで、Ｘ線検出器３３で検出されるＸ線の波長を走査することができ、第１及び第２実施例と同様に、Ｘ線の波長とＸ線強度との関係を求めることができる。

【0047】

なお、第２及び第３実施例の構成でも、湾曲分光結晶４１や平板分光結晶３２に入射するＸ線の角度範囲の制約などから、一種類の分光結晶で以てカバーできる波長範囲には限界がある。そのため、測定可能な波長範囲を広げたい場合には、第１実施例と同様に、平板分光結晶又は湾曲分光結晶を異なる結晶面間隔のものに切り替え可能とするとよい。

【0048】

第２及び第３実施例のＸ線回折装置では第１実施例のＸ線回折装置とは異なり、波長走査を行うために機械的な駆動が必要になり、その点では故障が比較的起き易い。しかしながら、図５に示した従来の角度走査型Ｘ線回折装置と異なり、試料Ｓ自体を機械的に回動させるものでなく、試料Ｓから離れた位置で且つ試料室２２の外側に機械的駆動部があるので、従来の角度走査型Ｘ線回折装置と比べると遙かに故障時の修理が容易である。

【0049】

なお、第１乃至第３実施例のＸ線回折装置は、試料Ｓを内部に収容する試料室２２を備えていたが、本発明に係るＸ線回折装置において、試料室２２は必須の構成要素ではない。例えば、十分な放射線防護がなされたホットセル内で分析を行う場合や、放射性物質を含むとしても放射線量が微量であることが事前に分かっている試料のみを測定する場合には、試料室２２は不要である。また、試料室２２を備える場合でも、試料Ｓの飛散が問題にならなければ、窓材２５は不要である。

【0050】

また、上記実施例はあくまでも本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正、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明らかである。

【符号の説明】

【0051】

２０…Ｘ線管
２１…照射側スリット
２２…試料室
２２ａ…Ｘ線入射窓
２２ｂ…Ｘ線出射窓
２３…試料ホルダ
２４…出射側スリット
２５…窓材
２６、２６３、２６４、３２…平板分光結晶
２６１…ホルダ
２６２…軸
２７…Ｘ線検出部
２８…アンプ
２９…データ処理部
３０…ゴニオメータ
３１…マルチキャピラリＸ線レンズ
３３、４２…Ｘ線検出器
４０…ローランド円
４１…湾曲分光結晶

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】