特許 7147770 Ｘ線分光分析装置、及び該Ｘ線分光分析装置を用いた化学状態分析方法

(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】

(24)【登録日】2022-09-27

(45)【発行日】2022-10-05

(54)【発明の名称】Ｘ線分光分析装置、及び該Ｘ線分光分析装置を用いた化学状態分析方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 23/2209 20180101AFI20220928BHJP

【ＦＩ】

G01N23/2209

【請求項の数】 19

(21)【出願番号】P 2019544339

(86)(22)【出願日】2018-07-25

(86)【国際出願番号】 JP2018027993

(87)【国際公開番号】W WO2019064868

(87)【国際公開日】2019-04-04

【審査請求日】2020-03-06

(31)【優先権主張番号】PCT/JP2017/034860

(32)【優先日】2017-09-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(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】佐藤 賢治

(72)【発明者】

【氏名】米田 哲弥

(72)【発明者】

【氏名】足立 晋

(72)【発明者】

【氏名】徳田 敏

【審査官】赤木 貴則

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０１６０２１３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００２－１８９００４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２６４９２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２０９０９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２１９１９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２１９１９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１７３８６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－２９４６５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０５３８９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０９６７５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－３１８９４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５９－２２２７４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００８－５２７３６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１５－５０２５２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／１１０４２１（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２３／００－Ｇ０１Ｎ ２３／２２７６

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

a) 試料ホルダと、
b) 前記試料ホルダに保持された試料表面の所定の照射領域に、特性Ｘ線を発生させるための励起線を照射する励起源と、
c) 前記照射領域に面して設けられた分光結晶と、
d) 前記照射領域と前記分光結晶の間に設けられた、該照射領域及び該分光結晶の所定の結晶面に平行なスリットと、
e) 前記スリットに平行な方向に長さを有する線状の検出素子が該スリットに垂直な方向に並ぶように設けられたＸ線リニアセンサと、
f) 前記試料ホルダに保持された標準試料の表面の前記照射領域に、前記励起源から励起線が照射されることによって測定された、エネルギーが既知である2つの特性Ｘ線の該エネルギーに基づいて前記検出素子の各々と該検出素子に入射する特性Ｘ線のエネルギーとの関係を特定し、該関係を用いて、前記検出素子の各々により検出される特性Ｘ線のエネルギーを較正するエネルギー較正部と
を備えるＸ線分光分析装置。

【請求項2】

前記分光結晶が平板から成る、請求項１に記載のＸ線分光分析装置。

【請求項3】

前記標準試料から生成される前記2つの特性Ｘ線が、1種類の元素から放出される2つの特性Ｘ線である、請求項１に記載のＸ線分光分析装置。

【請求項4】

前記2つの特性Ｘ線が、Kα₁線及びKβ_{1, 3}線である、請求項３に記載のＸ線分光分析装置。

【請求項5】

前記1種類の元素が、測定対象の試料が含有する元素である、請求項３又は４に記載のＸ線分光分析装置。

【請求項6】

前記エネルギー較正部が、前記Ｘ線リニアセンサで検出されるKα₁線及びKα₂線が重畳した強度をKα₁線のローレンツ関数とKα₂線のローレンツ関数でフィッティングすることにより、Kα₁線の強度のピークエネルギーを特定するものである、請求項４に記載のＸ線分光分析装置。

【請求項7】

前記Kα₁線のピークとKα₂線のピークの間に形成される谷における強度が、Kα₁線のピークにおける強度の1/2以下となるエネルギー分解能を有する、請求項６に記載のＸ線分光分析装置。

【請求項8】

前記エネルギー較正部が、前記Ｘ線リニアセンサで検出されるKβ_{1, 3}線とKβ’線が重畳した強度をKβ_{1, 3}線のローレンツ関数とKβ’線のローレンツ関数でフィッティングすることにより、Kβ_{1, 3}線の強度のピークエネルギーを特定するものである、請求項４に記載のＸ線分光分析装置。

【請求項9】

前記標準試料から生成される前記2つの特性Ｘ線が、2種類の元素からそれぞれ放出されるKα₁線である、請求項１に記載のＸ線分光分析装置。

【請求項10】

前記2種類の元素が、測定対象の試料が含有する元素と同じ元素と該元素よりも原子番号が1つ大きい元素、又は測定対象の試料が含有する元素よりも原子番号が1つ大きい元素と2つ大きい元素である、請求項９に記載のＸ線分光分析装置。

【請求項11】

測定対象の試料が含有する元素が、原子番号が連続する2種類以上の元素であって、前記標準試料から生成される前記2つの特性Ｘ線が、前記測定対象の試料が含有する元素のうち原子番号が最も大きい元素よりも原子番号が1つ大きい元素のKα₁線と、前記測定対象の試料が含有する元素のうちの1つの元素のKα₁線である、請求項９に記載のＸ線分光分析装置。

【請求項12】

前記エネルギー較正部が、前記Ｘ線リニアセンサで検出されるKα₁線及びKα₂線が重畳した強度をKα₁線のローレンツ関数とKα₂線のローレンツ関数でフィッティングすることにより、Kα₁線の強度のピークエネルギーを特定するものである、請求項９に記載のＸ線分光分析装置。

【請求項13】

前記Kα₁線のピークとKα₂線のピークの間に形成される谷における強度が、Kα₁線のピークにおける強度の1/2以下となるエネルギー分解能を有する、請求項１２に記載のＸ線分光分析装置。

【請求項14】

試料ホルダと、
前記試料ホルダに保持された試料表面の所定の照射領域に、特性Ｘ線を発生させるための励起線を照射する励起源と、
前記照射領域に面して設けられた分光結晶と、
前記照射領域と前記分光結晶の間に設けられた、該照射領域及び該分光結晶の所定の結晶面に平行なスリットと、
前記スリットに平行な方向に長さを有する線状の検出素子が該スリットに垂直な方向に並ぶように設けられたＸ線リニアセンサと、
前記試料ホルダに保持された標準試料の表面の前記照射領域に、前記励起源から励起線が照射されることによって測定された、エネルギーが既知である2つの特性Ｘ線の該エネルギーに基づいて、前記Ｘ線リニアセンサの前記検出素子の各々により検出される特性Ｘ線のエネルギーを較正するエネルギー較正部と、
含有する所定の元素及び該元素の価数が既知であって該価数が異なる複数個の標準試料からそれぞれ放出される特性Ｘ線のピークエネルギーに基づいて、価数に対するピークエネルギーを示す標準曲線を作成する標準曲線作成部と
を備える、Ｘ線分光分析装置。

【請求項15】

試料ホルダと、
前記試料ホルダに保持された試料表面の所定の照射領域に、特性Ｘ線を発生させるための励起線を照射する励起源と、
前記照射領域に面して設けられた分光結晶と、
前記照射領域と前記分光結晶の間に設けられた、該照射領域及び該分光結晶の所定の結晶面に平行なスリットと、
前記スリットに平行な方向に長さを有する線状の検出素子が該スリットに垂直な方向に並ぶように設けられたＸ線リニアセンサと、
前記試料ホルダに保持された標準試料の表面の前記照射領域に、前記励起源から励起線が照射されることによって測定された、エネルギーが既知である2つの特性Ｘ線の該エネルギーに基づいて、前記Ｘ線リニアセンサの前記検出素子の各々により検出される特性Ｘ線のエネルギーを較正するエネルギー較正部と
を備え、前記エネルギー較正部が、
前記試料ホルダに保持された前記標準試料の表面の前記照射領域に、前記励起源から励起線が照射されることによって測定された、エネルギーが既知である3つ以上の特性Ｘ線の該エネルギーに基づいて、前記検出素子のうちの1個である基準検出素子と前記スリットの間の光路長、及び該スリットを通過して前記分光結晶でブラッグ反射し該基準検出素子に入射する特性Ｘ線の回折角で規定される前記分光結晶の傾斜角を最小二乗法で求め、
前記光路長及び前記傾斜角、並びに前記Ｘ線リニアセンサの各検出素子と前記基準検出素子の距離に基づき、該各検出素子で検出される特性Ｘ線のエネルギーを求めるものである、Ｘ線分光分析装置。

【請求項16】

試料ホルダと、
前記試料ホルダに保持された試料表面の所定の照射領域に、特性Ｘ線を発生させるための励起線を照射する励起源と、
前記照射領域に面して設けられた分光結晶と、
前記照射領域と前記分光結晶の間に設けられた、該照射領域及び該分光結晶の所定の結晶面に平行なスリットと、
前記スリットに平行な方向に長さを有する線状の検出素子が該スリットに垂直な方向に並ぶように設けられたＸ線リニアセンサと、
前記試料ホルダに保持された標準試料の表面の前記照射領域に、前記励起源から励起線が照射されることによって測定された、エネルギーが既知である2つの特性Ｘ線の該エネルギーに基づいて、前記Ｘ線リニアセンサの前記検出素子の各々により検出される特性Ｘ線のエネルギーを較正するエネルギー較正部と
を備え、前記試料ホルダが、
前記照射領域を含む領域に測定対象の試料を保持する測定試料保持部と、
前記測定試料保持部以外の位置且つ前記励起線が照射される位置であって、前記スリットに垂直な方向に幅を有する範囲内に前記標準試料を保持する標準試料保持部と
を備える、Ｘ線分光分析装置。

【請求項17】

試料ホルダと、
前記試料ホルダに保持された試料表面の所定の照射領域に、特性Ｘ線を発生させるための励起線を照射する励起源と、
前記照射領域に面して設けられた分光結晶と、
前記照射領域と前記分光結晶の間に設けられた、該照射領域及び該分光結晶の所定の結晶面に平行なスリットと、
前記スリットに平行な方向に長さを有する線状の検出素子が該スリットに垂直な方向に並ぶように設けられたＸ線リニアセンサと、
前記試料ホルダに保持された標準試料の表面の前記照射領域に、前記励起源から励起線が照射されることによって測定された、エネルギーが既知である2つの特性Ｘ線の該エネルギーに基づいて、前記Ｘ線リニアセンサの前記検出素子の各々により検出される特性Ｘ線のエネルギーを較正するエネルギー較正部と
を備え、
前記エネルギー較正部が、前記Ｘ線リニアセンサの位置が固定されている状態で、前記検出素子のうち2種類以上の特性Ｘ線がそれぞれ入射した2個以上の検出素子の位置に基づいて前記検出素子の各々とエネルギーの関係を示す較正曲線を作成し、該較正曲線を用いて前記検出素子の各々により検出される特性Ｘ線のエネルギーを較正する、Ｘ線分光分析装置。

【請求項18】

試料ホルダと、
前記試料ホルダに保持された試料表面の所定の照射領域に、特性Ｘ線を発生させるための励起線を照射する励起源と、
前記照射領域に面して設けられた分光結晶と、
前記照射領域と前記分光結晶の間に設けられた、該照射領域及び該分光結晶の所定の結晶面に平行なスリットと、
前記スリットに平行な方向に長さを有する線状の検出素子が該スリットに垂直な方向に並ぶように設けられたＸ線リニアセンサと、
前記試料ホルダに保持された標準試料の表面の前記照射領域に、前記励起源から励起線が照射されることによって測定された、エネルギーが既知である2つの特性Ｘ線の該エネルギーに基づいて、前記Ｘ線リニアセンサの前記検出素子の各々により検出される特性Ｘ線のエネルギーを較正するエネルギー較正部と
を備えるＸ線分光分析装置を用いて測定対象試料中の元素の化学状態を分析する方法であって、
前記試料ホルダに保持された前記標準試料の表面に前記励起源から励起線を照射することによって生成される、互いにエネルギーが異なる少なくとも2つの特性Ｘ線の該エネルギーに基づいて前記検出素子の各々と該検出素子に入射する特性Ｘ線のエネルギーとの関係を特定し、該関係を用いて、前記検出素子の各々により検出される特性Ｘ線のエネルギーを較正するエネルギー較正工程と、
前記試料ホルダに保持された前記測定対象試料の表面に前記励起源から励起線を照射することによって生成される特性Ｘ線のエネルギーに基づいて、該測定対象試料中の元素の化学状態を特定する化学状態特定工程と
を有する、化学状態分析方法。

【請求項19】

前記化学状態として、前記測定対象試料中の元素の価数を特定する、請求項１８に記載の化学状態分析方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、１次Ｘ線や電子線等の励起線が照射された試料が発する特性Ｘ線を分光して波長毎の強度を検出するＸ線分光分析装置、及び該Ｘ線分光分析装置を用いた化学状態分析方法に関する。

【背景技術】

【0002】

励起線が照射された試料が発する特性Ｘ線は、その試料が含有する元素により定まるエネルギー（波長）を有している。そのため、特性Ｘ線のエネルギー毎の強度を検出することにより、該試料の組成を決定することができる。

【0003】

特許文献１には、試料Ｓの表面の所定の照射領域Ａに、特性Ｘ線を発生させるための励起線を照射する励起源９１と、照射領域Ａに面して設けられた分光結晶９３と、照射領域Ａ及び分光結晶９３の所定の結晶面に平行になるように照射領域Ａと分光結晶９３の間に設けられたスリット９２と、スリット９２に平行な方向に長さを有する線状の検出素子９４１が該スリットに垂直な方向に並ぶように設けられたＸ線リニアセンサ９４を備えるＸ線分光分析装置９０が記載されている（図１６参照）。

【0004】

このＸ線分光分析装置９０では、励起線を照射領域Ａに照射することによって、照射領域Ａ内の様々な位置から様々な方向に特性Ｘ線が放出されるが、そのうちスリット９２を通過するものだけが分光結晶に到達する。照射領域Ａをスリットに平行な線状部分（図１６のＡ１、Ａ２…）に分割して考えると、特定のエネルギー（波長）を有するＸ線は、そのうちの或る1つの線状部分から放出されるもののみが、スリット９２を通過して分光結晶の前記所定結晶面に関して回折条件を満たして回折され、Ｘ線リニアセンサ９４の検出素子９４１のうちの特定の1つで検出される。そして、互いにエネルギーが異なるＸ線は、互いに異なる線状部分から放出されるものが、スリット９２を通過して分光結晶の前記所定結晶面で回折され、互いに異なる検出素子９４１で検出される。従って、Ｘ線リニアセンサ９４に現れるピークの位置を検出することにより、照射領域Ａから放出された特性Ｘ線のエネルギーを特定することができ、試料の元素分析が可能となる。このＸ線分光分析装置９０は、液体や粉末のように組成が位置に依らず均一である試料や、照射領域Ａの全体では不均一であっても線状部分で平均を取ると均一である試料に対して分析を行うことができる。

【0005】

特性Ｘ線のエネルギーは、試料が含有する元素の電子軌道の状態によって僅かに変化するため、特性Ｘ線のエネルギーを測定することにより、価数や結合状態等の、電子軌道に影響を及ぼす化学状態を分析することができる。特許文献１には、上記Ｘ線分光分析装置を用いて、試料が含有する元素の価数を分析する方法が記載されている。具体的には、元素の価数の相違によって特性Ｘ線のエネルギーが数100meVから数eV程度相違する（この相違は、元素の相違による特性Ｘ線のエネルギーの相違よりも十分に小さい）ことから、特性Ｘ線のエネルギーを精密に測定することによって当該元素の価数を求めることができる。この方法によれば、試料を破壊することなく且つリアルタイムで価数の分析を行うことができる。このような化学状態の分析は、例えば、化学変化による材料の劣化、充電又は放電による電池材料の状態の変化、価数の相違に基づく有害元素（例えば六価クロム）の識別等の分析に用いることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】米国公開特許公報第2017/0160213号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１の装置において元素の価数を高精度に求めるためには、Ｘ線リニアセンサで検出した特性Ｘ線のエネルギーを高精度に求める必要がある。本発明が解決しようとする課題は、検出した特性Ｘ線のエネルギーをより高精度に求めることができるＸ線分光分析装置、及び該Ｘ線分光分析装置を用いて、試料が含有する元素の価数等の化学状態を高精度に分析することができる方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために成された本発明に係るＸ線分光分析装置の第１の態様は、
a) 試料ホルダと、
b) 前記試料ホルダに保持された試料表面の所定の照射領域に、特性Ｘ線を発生させるための励起線を照射する励起源と、
c) 前記照射領域に面して設けられた分光結晶と、
d) 前記照射領域と前記分光結晶の間に設けられた、該照射領域及び該分光結晶の所定の結晶面に平行なスリットと、
e) 前記スリットに平行な方向に長さを有する線状の検出素子が該スリットに垂直な方向に並ぶように設けられたＸ線リニアセンサと、
f) 前記試料ホルダに保持された標準試料の表面の前記照射領域に、前記励起源から励起線が照射されることによって測定された、エネルギーが既知である2つの特性Ｘ線の該エネルギーに基づいて、前記Ｘ線リニアセンサの前記検出素子の各々により検出される特性Ｘ線のエネルギーを較正するエネルギー較正部と
を備えることを特徴とする。

【0009】

第１の態様のＸ線分光分析装置を使用する際には、エネルギー較正部は標準試料を用いて、Ｘ線リニアセンサの検出素子の各々が検出する特性Ｘ線のエネルギーの較正を行う。この較正は、分析対象の試料の測定を行う毎に該測定の直前に行ってもよいし、試料の測定とは無関係に定期的に行ってもよい。

【0010】

標準試料には、励起源からの励起線を照射することによってエネルギーが既知である2つ（又は3つ以上）の特性Ｘ線を生成するものを用いる。具体的には、価数が既知である元素を1種類のみ有する場合には、該元素の2つの特性Ｘ線のエネルギーを較正に用いればよく、価数が既知である元素を2種類（又はそれ以上）有する場合には、各元素の少なくとも1つの特性Ｘ線のエネルギーを較正に用いればよい。

【0011】

エネルギー較正部が行う、Ｘ線リニアセンサの検出素子の各々により検出される特性Ｘ線のエネルギーの較正には、以下の2つの方法のいずれかを用いることができる。第1の方法では、エネルギーが異なる2種類（又は3種類以上）の特性Ｘ線がそれぞれ所定の検出素子に入射するように、Ｘ線リニアセンサの位置を移動させる。第2の方法では、Ｘ線リニアセンサの位置は移動させず、2種類以上の特性Ｘ線がそれぞれ入射した検出素子の位置に基づいて、各検出素子とエネルギーの関係を示す較正曲線を作成する。

【0012】

以上のように標準試料から放出されるエネルギーの異なる2つの特性Ｘ線を用いて、エネルギー較正部がＸ線リニアセンサの検出素子の各々で検出される特性Ｘ線のエネルギーを較正することにより、分析対象の試料を測定した際に、該試料から放出される特性Ｘ線のエネルギーをＸ線リニアセンサにおいて高精度に求めることができる。これにより、分析対象の試料が含有する元素の価数等の、該試料の化学状態を高精度に求めることができる。

【0013】

前記標準試料から生成される前記2つの特性Ｘ線（較正用の特性Ｘ線）は、1種類の元素から放出される2つ（又はそれ以上）の特性Ｘ線を好適に用いることができる。この場合には、標準試料を作製する際に2種類以上の元素を混合させる必要がない。それら2つの特性Ｘ線は、強度の点でKα₁線及びKβ_{1, 3}線であることが好ましい。また、当該1種類の元素には、測定対象の試料が含有する元素と同じ元素を用いることが好ましい。

【0014】

また、前記標準試料から生成される前記2つの特性Ｘ線（較正用の特性Ｘ線）は、2種類以上の元素からそれぞれ放出されるKα₁線を用いることも好ましい。Kα₁線が他の特性Ｘ線よりも強度が大きいことから、Kα₁線を用いることによってエネルギーの較正をより高精度に行うことができる。

【0015】

較正用の特性Ｘ線としてKα₁線を用いる場合において、前記2種類の元素は、測定対象の試料が含有する元素と同じ元素と、該元素よりも原子番号が1つ大きい元素、又は測定対象の試料が含有する元素よりも原子番号が1つ大きい元素と2つ大きい元素であることが好ましい。前述した元素の価数を分析する際には、分析対象の元素が放出するKβ_{1, 3}線や、Kβ_{1, 3}線の近傍のエネルギーを有するKβ'線の検出が行われるが、分析対象の元素よりも原子番号が1つ（及び2つ）大きい元素から放出されるKα₁線は、一般に分析対象の元素のKβ_{1, 3}線やKβ'線に近いエネルギーを有するため、分析対象の元素のKβ_{1, 3}線やKβ'線のエネルギーをより高精度に求めることに資する。

【0016】

あるいは、測定対象の試料が含有する元素が、原子番号が連続する2種類以上の元素である場合には、前記標準試料から生成される前記2つの特性Ｘ線として、前記測定対象の試料が含有する元素のうち原子番号が最も大きい元素よりも原子番号が1つ大きい元素のKα₁線と、前記測定対象の試料が含有する元素のうちの1つの元素のKα₁線を用いることができる。

【0017】

標準試料から放出されるKα₁線を較正用の特性Ｘ線の少なくとも1つとして検出する際には、Kα₁線とKα₂線が一部重なった状態で、Ｘ線リニアセンサにより検出される。この場合、Kα₁線とKα₂線の強度はそれぞれ、エネルギーを変数とするローレンツ関数で近似することができる。そこで、エネルギー較正部は、Ｘ線リニアセンサの複数の検出素子に亘って検出されるKα₁線及びKα₂線が重畳した強度をKα₁線のローレンツ関数とKα₂線のローレンツ関数でフィッティングすることにより、Kα₁線の強度のピークエネルギー（強度がピークとなるときのエネルギー）を特定することが望ましい。

【0018】

上記のようにKα₁線のローレンツ関数とKα₂線のローレンツ関数でフィッティングを行う場合において、Ｘ線分光分析装置のエネルギー分解能は、Kα₁線のピークとKα₂線のピークの間に形成される谷における強度が、Kα₁線のピークにおける強度の1/2以下となる分解能を有することがより望ましい。これにより、Kα₁線のピークとKα₂線のピークをより明確に分離することができる。

【0019】

Kβ_{1, 3}線を較正用の特性Ｘ線の1つとして用いる場合には、Kβ_{1, 3}線とKβ’線が重なった状態で、Ｘ線リニアセンサにより検出される。この場合、Kα₁線の場合と同様に、Kβ_{1, 3}線とKβ’線が重畳した強度をKβ_{1, 3}線のローレンツ関数とKβ’線のローレンツ関数でフィッティングすることにより、Kβ_{1, 3}線の強度のピークエネルギーを特定することが望ましい。

【0020】

なお、Kα₁線とKα₂線、及びKβ_{1, 3}線とKβ’線のローレンツ関数によるフィッティングは、ここで述べたエネルギー較正のための標準試料から得られる特性Ｘ線に対して行う他に、測定対象の試料から得られる特性Ｘ線に対して行ってもよい。この測定対象の試料から得られる特性Ｘ線のローレンツ関数によるフィッティングは、エネルギー較正を行わないＸ線分光分析装置において行うこともできる。

【0021】

本発明に係るＸ線分光分析装置はさらに、含有する所定の元素及び該元素の価数が既知であって該価数が異なる複数個の標準試料からそれぞれ放出される特性Ｘ線のピークエネルギーに基づいて、価数に対するピークエネルギーを示す標準曲線（検量線）を作成する標準曲線作成部を備えることができる。この構成によれば、測定対象試料から放出される特性Ｘ線のピークエネルギーを、標準曲線作成部で作成された標準曲線に適用することにより、測定対象試料が含有する前記所定の元素の平均価数を見積もることができる。

【0022】

前記エネルギー較正部は、
前記試料ホルダに保持された前記標準試料の表面の前記照射領域に、前記励起源から励起線が照射されることによって測定された、エネルギーが既知である3つ以上の特性Ｘ線の該エネルギーに基づいて、前記検出素子のうちの1個である基準検出素子と前記スリットの間の光路長、及び該スリットを通過して前記分光結晶でブラッグ反射し該基準検出素子に入射する特性Ｘ線の回折角で規定される前記分光結晶の傾斜角を最小二乗法で求め、
前記光路長及び前記傾斜角、並びに前記Ｘ線リニアセンサの各検出素子と前記基準検出素子の距離に基づき、該各検出素子で検出される特性Ｘ線のエネルギーを求めるものである
という構成を取ることができる。

【0023】

このように標準試料から得られる3つ以上の特性Ｘ線のエネルギーに基づいて、前記光路長及び前記傾斜角という2つの値を最小二乗法で求めることにより、それら2つの値の算出精度が高くなり、各検出素子で検出される特性Ｘ線のエネルギーをより正確に特定することができる。

【0024】

本発明に係るＸ線分光分析装置において、前記試料ホルダは、
前記照射領域を含む領域に測定対象の試料を保持する測定試料保持部と、
前記測定試料保持部以外の位置且つ前記励起線が照射される位置であって、前記スリットに垂直な方向に幅を有する範囲内に前記標準試料を保持する標準試料保持部と
を備えることができる。

【0025】

試料ホルダが前記測定試料保持部と前記標準試料保持部の双方を有することにより、Ｘ線リニアセンサでは、測定対象の試料から生成される特性Ｘ線と標準試料から生成される特性Ｘ線の双方を同時に検出することができる。これにより、測定対象の試料からの特性Ｘ線を測定する毎に随時、それと同時に得られる標準試料からの特性Ｘ線を用いて、Ｘ線リニアセンサの検出素子の各々が検出する特性Ｘ線のエネルギーの較正を行うことができる。

【0026】

このようにエネルギーの較正を随時行うことは、特に、Ｘ線分光分析装置内の温度が時間に伴って変化することで、Ｘ線リニアセンサや分光結晶等が膨張又は収縮したりそれらの位置関係が変化することによって生じる、各検出素子で検出される特性Ｘ線のエネルギーの変化を較正する際に好適に用いることができる。一方、このようなＸ線分光分析装置内の温度変化によって必要となる特性Ｘ線のエネルギーの較正は、以下に述べる第２の態様のＸ線分光分析装置によって行うこともできる。

【0027】

本発明に係るＸ線分光分析装置の第２の態様は、試料から発生する特性Ｘ線を分光して分析するＸ線分光分析装置であって、
a) 試料ホルダと、
b) 前記試料ホルダに保持された試料表面の所定の照射領域に、特性Ｘ線を発生させるための励起線を照射する励起源と、
c) 前記照射領域に面して設けられた分光結晶と、
d) 前記照射領域と前記分光結晶の間に設けられた、該照射領域及び該分光結晶の所定の結晶面に平行なスリットと、
e) 前記スリットに平行な方向に長さを有する線状の検出素子が該スリットに垂直な方向に並ぶように設けられたＸ線リニアセンサと、
f) 前記Ｘ線分光分析装置中の所定位置における温度を測定する温度測定部と、
g) 予め求められた、前記所定位置における温度と前記検出素子の各々により検出される特性Ｘ線のエネルギーとの関係に基づいて、前記温度測定部で測定された温度から、該検出素子の各々で検出される特性Ｘ線のエネルギーを較正するエネルギー較正部と
を備えることを特徴とする。

【0028】

第２の態様のＸ線分光分析装置では、Ｘ線分光分析装置中の所定位置における温度を温度測定部で測定し、その結果を用いて、検出素子の各々により検出される特性Ｘ線のエネルギーを較正することができる。従って、標準試料を用いた測定を行う必要はなく、測定対象の試料からの特性Ｘ線を測定する毎に随時、較正を行うことができる。

【0029】

前記所定位置は、例えば分光結晶やＸ線リニアセンサの位置、あるいはそれらの近傍の位置とすることができる。あるいは、スリット、分光結晶及びＸ線リニアセンサの各要素を筐体内に収容し、それら各要素を筐体の壁に固定した場合には、筐体又はその近傍を前記所定位置としてもよい。この場合、温度の変化に伴って筐体が膨張又は収縮することにより各要素の位置関係が変化し、それによって各検出素子で検出される特性Ｘ線のエネルギーが変化しても、該検出素子の各々で検出される特性Ｘ線のエネルギーを較正することができる。

【0030】

本発明に係る化学状態分析方法の第１の態様は、上記第１の態様のＸ線分光分析装置を用いて測定対象試料中の元素の化学状態を分析する方法であって、
前記試料ホルダに保持された前記標準試料の表面に前記励起源から励起線を照射することによって生成される、互いにエネルギーが異なる少なくとも2つの特性Ｘ線の該エネルギーに基づいて、該Ｘ線リニアセンサの前記検出素子の各々により検出される特性Ｘ線のエネルギーを較正するエネルギー較正工程と、
前記前記試料ホルダに保持された前記測定対象試料の表面に前記励起源から励起線を照射することによって生成される特性Ｘ線のエネルギーに基づいて、該測定対象試料中の元素の化学状態を特定する化学状態特定工程と
を有することを特徴とする。

【0031】

本発明に係る化学状態分析方法の第２の態様は、上記第２の態様のＸ線分光分析装置を用いて測定対象試料中の元素の化学状態を分析する方法であって、
予め求められた、前記分光結晶の温度及び前記Ｘ線リニアセンサの温度と前記検出素子の各々により検出される特性Ｘ線のエネルギーとの関係に基づいて、前記温度測定部で測定された該分光結晶の温度及び該Ｘ線リニアセンサの温度から、該検出素子の各々により検出される特性Ｘ線のエネルギーを較正するエネルギー較正工程と、
前記試料ホルダに保持された前記測定対象試料の表面に前記励起源から励起線を照射することによって生成される特性Ｘ線のエネルギーに基づいて、該測定対象試料中の元素の化学状態を特定する化学状態特定工程と
を有することを特徴とする。

【0032】

第１及び第２の態様の化学状態分析方法では、前記化学状態特定工程において、化学状態として、測定対象試料中の元素の価数の特定を好適に行うことができる。

【発明の効果】

【0033】

本発明に係るＸ線分光分析装置により、検出した特性Ｘ線のエネルギーをより高精度に求めることができる。

【0034】

また、本発明に係るＸ線分光分析装置により、試料が含有する元素の価数等の化学状態を高精度に分析することができる。

【図面の簡単な説明】

【0035】

【図1】本発明に係るＸ線分光分析装置の一実施形態を示す概略側面図。

【図2】本発明に係るＸ線分光分析装置により測定対象の試料から得られる、特性Ｘ線の波長スペクトルの一例を示すグラフ。

【図3】図２の測定を行ったＸ線分光分析装置の寸法及び各構成要素の配置を示す概略図。

【図4】測定対象の試料に含まれる、異なる価数の同一元素からそれぞれ得られた特性Ｘ線の検出結果を示すグラフ。

【図5】第１実施形態のＸ線分光分析装置においてＸ線リニアセンサの配置を設計する方法を説明するための図。

【図6】Ｘ線リニアセンサの各検出素子と検出されるエネルギーの関係の一例を示すグラフ。

【図7】第１実施形態のＸ線分光分析装置においてＸ線リニアセンサの各検出素子により検出される特性Ｘ線のエネルギーを較正する方法を示し、Ｘ線リニアセンサを分光結晶に近づける方向に移動させる場合(a)、Ｘ線リニアセンサを分光結晶から離れる方向に移動させる場合(b)、及び分光結晶との距離及び検出素子が並ぶ方向の位置の調整を行った後の状態(c)を示す概略図。

【図8】エネルギーの較正に用いる標準試料の含有元素及び該含有元素の特性Ｘ線の例を示す図。

【図9】FeのKα線のエネルギースペクトルについてローレンツ関数でフィッティングを行った結果を示すグラフ。

【図10】MnのKβ線のエネルギースペクトルについてローレンツ関数でフィッティングを行った結果を示すグラフ。

【図11】Mnに関して価数と特性Ｘ線のエネルギーの関係を表した標準曲線を示すグラフ。

【図12】第１実施形態の第１変形例の構成を示す概略側面図。

【図13】第１変形例で最小二乗法により求められた、検出素子のチャネル番号とエネルギーの関係を示すグラフ。

【図14】第１実施形態の第２変形例の構成を示す概略側面図(a)、及び試料ホルダの上面図(b)。

【図15】第２実施形態の構成を示す概略側面図。

【図16】従来のＸ線分光分析装置の一例を示す概略側面図(a)及び概略斜視図(b)。

【発明を実施するための形態】

【0036】

図１～図１５を用いて、本発明に係るＸ線分光分析装置及び化学状態分析方法の実施形態を説明する。

【0037】

(1) 第１実施形態のＸ線分光分析装置の構成
図１は、第１実施形態のＸ線分光分析装置１０の概略側面図である。このＸ線分光分析装置１０は、励起源１１と、スリット１２と、分光結晶１３と、Ｘ線リニアセンサ１４と、試料ホルダ１５と、エネルギー較正部１６とを有する（なお、図１中に示した標準曲線作成部１７は、Ｘ線分光分析装置１０が備えていなくてもよい。標準曲線作成部１７の詳細は後述する）。

【0038】

励起源１１は、後述のように試料ホルダ１５に保持された試料Ｓに、励起光（励起線）であるＸ線を照射するＸ線源である。Ｘ線源の代わりに電子線源を用いてもよい。この励起源１１により、励起光は、試料Ｓ上の面状の照射領域Ａに照射される。本実施形態では照射領域Ａに垂直に励起光を照射するが、照射領域Ａに対して傾斜した角度で励起光を照射してもよい。

【0039】

スリット１２は、照射領域Ａと分光結晶１３の間に配置される。本実施形態では、分光結晶１３には平板から成るものを用いている。この分光結晶１３は、所定の結晶面が結晶の表面に平行になっている。スリット１２は、照射領域Ａ及び特性Ｘ線の検出に用いる分光結晶１３の結晶面（すなわち分光結晶１３の表面）に対して平行に（図１では紙面に垂直に）配置される。

【0040】

Ｘ線リニアセンサ１４は、スリット１２に平行（図１の紙面に垂直）な方向に長さを有する線状の検出素子１４１が複数、該スリット１２に垂直な方向に並ぶように設けられたものである。個々の検出素子１４１は、それに入射するＸ線の強度（個数）のみを検出すればよく、入射したＸ線の波長やエネルギーを厳密に検出する機能は不要である。

【0041】

試料Ｓは固体、液体、気体のいずれであってもよく、試料ホルダ１５にはそれら試料の状態に対応したものを用いる。すなわち、試料Ｓが固体であれば試料ホルダ１５には試料Ｓを載置する台を用い、試料Ｓが液体であれば試料ホルダ１５には試料Ｓを貯留する容器を用い、試料Ｓが気体であれば試料ホルダ１５には試料Ｓを封入する容器を用いる。

【0042】

エネルギー較正部１６は、Ｘ線リニアセンサ位置微調整部１６１と制御部１６２から成る。Ｘ線リニアセンサ位置微調整部１６１は、Ｘ線リニアセンサ１４を、検出素子１４１が並ぶ方向に移動させると共に、及び該方向に垂直であって検出素子１４１の長さ方向に垂直な方向に移動させることにより、Ｘ線リニアセンサ１４の位置を微調整するものである。制御部１６２は、標準試料の表面に励起源１１から励起線を照射することによって放出される2つの特性Ｘ線の測定結果に基づいてＸ線リニアセンサ位置微調整部１６１を制御することにより、Ｘ線リニアセンサ１４の位置を移動させるものである。制御部１６２による制御の詳細は後述する。

【0043】

(2) 第１実施形態のＸ線分光分析装置の動作
次に、第１実施形態のＸ線分光分析装置１０の動作を説明する。ここでは説明の都合上、まず、測定対象の試料Ｓに励起光を照射することによって放出される特性Ｘ線の測定方法及び試料Ｓに含まれる元素の価数を特定する方法を述べ、その後、標準試料を用いて検出素子１４１の各々により検出される特性Ｘ線のエネルギーを較正する方法について述べる。

【0044】

(2-1) 測定対象の試料Ｓから放出される特性Ｘ線の測定方法
まず、試料ホルダ１５に試料Ｓを保持させたうえで、励起源１１から試料Ｓ表面の照射領域Ａに、励起光であるＸ線を照射する。これにより、照射領域Ａの全体から、試料Ｓを構成する元素によって異なるエネルギーを有する特性Ｘ線が、照射領域Ａ内の様々な位置から様々な方向に放出される。これらの特性Ｘ線は、従来のＸ線分光分析装置９０について説明したように照射領域Ａをスリット１２に平行な線状部分（図１６のＡ１、Ａ２…を参照）に分割すると、分光結晶１３の表面に特定の1つの入射角(90-θ)°（θは特性Ｘ線が分光結晶１３でブラッグ反射される場合の回折角）で入射する方向に放出されたもののみがスリット１２を通過する。そして、この位置が異なる線状部分同士では、スリット１２を通過して分光結晶１３に入射する特性Ｘ線の入射角が異なることとなる。例えば、図１に示した線状部分Ａ１から放出される特性Ｘ線は、1つの入射角(90-θ₁)°のみで分光結晶１３に入射し、別の線状部分Ａ２から放出される特性Ｘ線は、前記入射角(90-θ₁)°とは異なる1つの入射角(90-θ₂)°のみで分光結晶１３に入射する。

【0045】

照射領域Ａの各線状部分から分光結晶１３に入射した特性Ｘ線は、ブラッグ反射の条件であるλ=(2d/n)sinθ（λは特性Ｘ線の波長、dは分光結晶１３の結晶面間隔、nは次数）を満たす波長を有するときにのみ、回折角θで回折（反射）される。分光結晶１３で回折（反射）された特性Ｘ線は、Ｘ線リニアセンサ１４の検出素子１４１の1つで検出される。前述のように分光結晶１３には照射領域Ａ内の線状部分によって異なる特定の1つの入射角(90-θ)°で分光結晶１３に入射することから、線状部分毎に、異なる特定の1つの波長の特性Ｘ線のみがＸ線リニアセンサ１４に入射し、且つ、異なる検出素子１４１で検出される。例えば、図１に示した線状部分Ａ１から放出される特性Ｘ線は、波長λ₁=(2d/n)sinθ₁を有するもののみがＸ線リニアセンサ１４に入射して1つの検出素子１４１１で検出され、線状部分Ａ２から放出される特性Ｘ線は、λ₁とは異なる波長λ₂=(2d/n)sinθ₂を有するもののみがＸ線リニアセンサ１４に入射して検出素子１４１１とは異なる検出素子１４１２で検出される。従って、Ｘ線リニアセンサ１４の検出素子１４１毎に、入射するＸ線の強度（個数）を検出することにより、照射領域Ａから放出される特性Ｘ線の波長スペクトルが得られる。

【0046】

こうして得られる波長スペクトルのデータの一例を図２に示す。このデータは、ステンレス鋼を試料Ｓとして測定したものであり、測定したエネルギー範囲内において、Fe（鉄）のKα線、Cr（クロム）のKα線及びKβ線、並びにMn（マンガン）のKα線が観測されている。FeのKαは、高エネルギー側の方が強度が約2倍である2つのピークが観測されているが、それらのうち高エネルギー側のピークはKα₁線を示し、低エネルギー側のピークはKα₂線を示している。図２の測定を行ったＸ線分光分析装置１０の寸法及び各構成要素の配置を図３に示す。

【0047】

図４に、K₂CrO₄（図中の黒丸、+6価）とCr₂O₃（同・白丸、+3価）について、CrのKβ線に基づいてCrの価数を特定した例を示す（なお、図４は、図２に示したCrのKβ線のデータとは異なる）。このデータより、+3価のCrから放出されるKβ_{1, 3}線は、+6価のCrから放出されるKβ_{1, 3}線よりもエネルギーが1.4eV高い。このエネルギーの相違により、測定対象の試料に含まれるCrが+3価であるか+6価であるかを特定することができる。また、Kβ_{1, 3}よりも低エネルギー側に表れるKβ’線のエネルギーの相違からも、測定対象の試料に含まれるCrの価数を特定することができる。

【0048】

(2-2) Ｘ線リニアセンサの検出素子の配置の設計
ここで、図５を参照しつつ、Ｘ線リニアセンサ１４の各検出素子１４１をどの位置に配置するかを設計する方法を説明する。まず、分光結晶１３に入射する特性Ｘ線のうち、検出素子１４１の長さ方向に垂直な断面（図５に示す面）で分光結晶１３の中心C_Mで回折するもの（回折角をθ_Mとする）がＸ線リニアセンサ１４の中心（N/2個目）の検出素子１４１Ｍに入射し、波長が最も長い（回折角が大きい）ものがＸ線リニアセンサ１４の一方の端（0個目）の検出素子１４１Ｌに入射するように、Ｘ線リニアセンサ１４を配置する。その際、分光結晶１３の中心C_Mで回折する特性Ｘ線は、検出素子１４１が並ぶ方向に対して垂直に入射するようにＸ線リニアセンサ１４の傾きを調整する。

【0049】

図５に示す面で分光結晶１３の表面の各点でそれぞれ回折される回折光の光路は全て、分光結晶１３の手前でスリット１２上の１点である点Ｐで交差すると共に、分光結晶１３の裏側（Ｘ線リニアセンサ１４の反対側）に延長すると１つの点Ｐ’で交差する（点Ｐ、分光結晶１３の表面の各点、及び点Ｐ’を結ぶと二等辺三角形となる）。Ｘ線リニアセンサ１４の中心の検出素子１４１Ｍと点Ｐ’の距離をLとする。この距離Lは、分光結晶１３の中心C_Mで回折してＸ線リニアセンサ１４の中心の検出素子１４１Ｍに入射するする特性Ｘ線の、スリット１２からＸ線リニアセンサ１４までの光路長と等しい。

【0050】

Ｘ線リニアセンサ１４の中心から距離X（X=μ(n-N/2）；nは検出素子番号（チャネル番号）、μは検出素子間隔、Nは検出素子数)だけ離れた検出素子１４１Ｘに入射する特性Ｘ線の波長λ_Xと分光結晶１３における回折角θ_Xは

【数1】

の関係を満たす。一方、距離Xと距離Lの関係は

【数2】

である。これら(1)式及び(2)式より、検出素子１４１Ｘに入射する特性Ｘ線の波長λ_Xは、

【数3】

で求められる。

【0051】

(3)式より、分光結晶において回折角θ_Mで回折されるＸ線が入射する位置にＸ線リニアセンサ１４の中心の位置を合わせ、距離Lの値を調整することにより、各検出素子１４１とそれに入射する特性Ｘ線のエネルギーの関係を特定することができる。図６に、各検出素子１４１と特性Ｘ線のエネルギーの関係を特定した一例を示す。

【0052】

(2-3) 各検出素子により検出される特性Ｘ線のエネルギーを較正する方法
Ｘ線リニアセンサ１４は、上記(2-2)節で述べた方法で設計された通りに配置されるのが理想的であるが、実際には、Ｘ線リニアセンサ１４が設計された位置からずれて配置されたり、一旦は設計通りに配置されたとしても、使用中の振動等によりわずかに位置ずれを生じることがある。そのため、本実施形態では以下のように、Ｘ線リニアセンサ１４の位置、すなわち各検出素子１４１で検出されるエネルギー（波長）の較正を行う。まず、較正に用いる標準試料を試料ホルダ１５に取り付け、励起源１１から標準試料の表面の照射領域Ａに励起光を照射する。ここで標準試料には、励起源１１から励起光を照射することによって、エネルギーが既知である少なくとも2つの特性Ｘ線を生成するものを用いる。このように生成される特性Ｘ線のエネルギーが既知でさえあれば、標準試料が含有する元素やその価数は必ずしも既知である必要はない。

【0053】

Ｘ線リニアセンサ１４は、試料Ｓの測定の場合と同様に、励起光の照射により標準試料から放出される特性Ｘ線のうち、スリット１２を通過して分光結晶１３で回折されたもののみを検出する。その際、Ｘ線リニアセンサ１４の各検出素子１４１では、照射領域Ａのうち特定の線状部分から放出され、分光結晶１３への入射角で定まる特定のエネルギーを有する特性Ｘ線のみが入射する。ここでは上記標準試料を用いていることから、Ｘ線リニアセンサ１４では異なる2つのエネルギー（検出強度（個数）が最も大きくなるときのエネルギー＝ピークエネルギー）E₁及びE₂を有する特性Ｘ線が検出される。制御部１６２は、これら2つの特性Ｘ線がそれぞれエネルギーに対応して予め定められた検出素子１４１に入射するように、Ｘ線リニアセンサ位置微調整部１６１を制御することでＸ線リニアセンサ１４を移動させる。

【0054】

具体的には、2つの特性Ｘ線がそれぞれ入射するように予め定められた2個の検出素子１４１Ａ０、１４１Ｂ０間よりも遠い2個の検出素子１４１Ａ１、１４１Ｂ１に入射した場合（図７(a)）には、分光結晶１３に近づける方向にＸ線リニアセンサ１４を移動させる。一方、2つの特性Ｘ線が予め定められた2個の検出素子１４１Ａ０、１４１Ｂ０間よりも近い2個の検出素子１４１Ａ２、１４１Ｂ２に入射した場合（図７(b)）には、分光結晶１３から離れる方向にＸ線リニアセンサ１４を移動させる。これにより、2つの特性Ｘ線がそれぞれ入射する2個の検出素子１４１の間隔を設計通りに修正することができる。そのうえで、検出素子１４１が並ぶ方向にＸ線リニアセンサ１４を移動させる（図７(c)）ことにより、2つの特性Ｘ線がそれぞれ、予め定められた検出素子１４１Ａ０、１４１Ｂ０に入射するようになる。こうして、各検出素子により検出される特性Ｘ線のエネルギーの較正が完了する。

【0055】

なお、ここでは標準試料から放出されるエネルギーが既知の2つの特性Ｘ線を用いて較正を行ったが、標準試料から放出される3つ以上の特性Ｘ線のエネルギーが既知であれば、それら3つ以上の特性Ｘ線を用いることにより、より高精度に較正を行うことができる。

【0056】

また、ここではＸ線リニアセンサ１４を移動させることにより較正を行ったが、Ｘ線リニアセンサ１４の位置は固定したままで、各検出素子１４１に割り当てられるエネルギーの値を変更してもよい。具体的には、2つ（又は3つ以上）の特性Ｘ線がそれぞれ検出された検出素子１４１には、検出された特性Ｘ線のエネルギーを当該検出素子１４１におけるエネルギーの検出値として割り当てる。その他の検出素子１４１には、2つの特性Ｘ線のエネルギーと(3)式に基づいて、Lとn（またはLとnとθ_M）の値を補正して得られる新たな較正曲線の式(3)’を用いて割り当てればよい。例えば、(3)式においてLの値を"L+a"に、nの値を"n+b"に、θ_Mの値を"θ_M +c"に（a, b, cはそれぞれ、L, n, θ_Mを較正する定数）、それぞれ置き換えた新たな較正曲線の式(3)’を用いて、各検出素子１４１の較正を行うことができる。

【0057】

(2-4) 使用する標準試料の例
図８を用いて、エネルギーの較正に用いる標準試料の含有元素及び該含有元素の特性Ｘ線の例を述べる。図８では、3d遷移金属であるSc（スカンジウム）, Ti（チタン）, V（バナジウム）, Cr, Mn, Fe, Co（コバルト）, Ni（ニッケル）, Cu（銅）及びZn（亜鉛）につき、励起線を照射することにより放出されるKα₁線（図中の黒丸）及びKβ_{1, 3}線（同白丸及び二重丸）のエネルギーを示している。図中の二重丸は、測定対象の試料が含有する元素の例である。標準試料は、最低限、エネルギーが既知である2つの特性Ｘ線をＸ線リニアセンサ１４に入射させることができるものであればよいが、以下の標準試料を用いることが望ましい。

【0058】

望ましい標準試料の第１の例は、それが含有する同一の元素から放出されるKα₁線及びKβ_{1, 3}線のエネルギーが既知である場合である。図８中に符号(a)を付して太線で結んだものは、NiのKα₁線及びKβ_{1, 3}線を示している。標準試料から放出されるこれら2つの特性Ｘ線を用いて較正を行ったうえで、測定対象の試料では、較正で用いたものと同じ元素であるNiのKβ_{1, 3}線を測定する。なお、ここでNiを挙げたのは一例を示したに過ぎず、他の元素が測定対象の元素である場合には、標準試料から放出される当該元素のKα₁線及びKβ_{1, 3}線を用いて較正を行ったうえで、測定対象の試料では当該元素のKβ_{1, 3}線を測定すればよい。

【0059】

望ましい標準試料の第２の例は、それが含有する2つ（又は3つ以上）の元素から放出されるKα₁線のエネルギーがそれぞれ既知である場合である。図８中に符号(b-1)を付して太線で結んだものは、NiのKα₁線及びCuのKα₁線を示している。標準試料から放出されるこれら2つの特性Ｘ線を用いて較正を行ったうえで、測定対象の試料では、較正で用いたものと同じ元素であるNiのKβ_{1, 3}線を測定する。また、図８中に符号(b-2)を付して示したように、測定対象のNiのKβ_{1, 3}線にエネルギーが近いCuのKα₁線及びZnのKα₁線を用いてもよい。あるいは、図８中に符号(b-3)を付して示したように、原子番号が2つ離れたCrのKα₁線とFeのKα₁線を用いてエネルギーの較正を行い、CrのKβ_{1, 3}線を測定してもよい。(b-3)の場合には、CrのKβ_{1, 3}線の他に、CrのKα₁線及びFeのKα₁線とエネルギーが近いVやMnのKβ_{1, 3}線を測定対象としてもよい。いずれの場合にも、検出素子１４１で検出される強度が大きいKα₁線を用いて、高精度に較正を行うことができる。

【0060】

(2-5) 検出した特性Ｘ線のフィッティング
標準試料から放出されてＸ線リニアセンサ１４で検出される特性Ｘ線のエネルギースペクトルをローレンツ関数でフィッティングすることにより、該特性Ｘ線のピークにおけるエネルギーを精度良く求めることができ、当該エネルギーを用いて各検出素子１４１で検出される特性Ｘ線のエネルギーを高精度に較正することができる。図９にFeのKα線について、図１０にMnのKβ線について、それぞれローレンツ関数でフィッティングを行った結果を示す。図９では、Kα₁線によるローレンツ関数とKα₂線によるローレンツ関数の重ね合わせとしてフィッティングを行い、Kα₁線のピークにおけるエネルギーを特定した。Kα₁線のピークとKα₂線のピークの間に形成される谷における強度I_vは、Kα₁線のピークにおける強度I₁の1/2以下となっている。この例では、Kα₁線とKα₂線を明瞭に分離することができた。Ｘ線分光分析装置のエネルギー分解能が悪く、谷の強度I_vが、Kα₁線のピークにおける強度I₁の1/2以下にならない場合には、Kα₁線のピークエネルギーを正確に特定することができない。図１０では、Kβ_{1, 3}線によるローレンツ関数とKβ’線によるローレンツ関数の重ね合わせとしてフィッティングを行い、Kβ_{1, 3}線のピークにおけるエネルギーを特定した。

【0061】

ここでは標準試料から放出される、検出素子１４１のエネルギーの較正に用いる特性Ｘ線のエネルギースペクトルをローレンツ関数でフィッティングしたが、測定対象の試料から放出される特性Ｘ線のエネルギースペクトルをローレンツ関数でフィッティングしてもよい。これにより、測定対象の試料が含有する元素の価数等の化学状態を高精度に分析することができる。

【0062】

(2-6) 標準曲線の作成
第１実施形態のＸ線分光分析装置１０は、前述の各構成要素の他に、標準曲線作成部１７（図１参照）を備えていてもよい。標準曲線作成部１７は、含有する元素及び該元素の価数が既知であって、該価数が異なる複数個の標準試料からそれぞれ放出される特性Ｘ線のピークエネルギーに基づいて、価数に対するピークエネルギーを示す標準曲線を作成する。例えば、図１１に示すように、対象とする元素をMnとし、標準試料としてMnO（+2価）、Mn₂O₃（+3価）、MnO₂（+4価）及びKMoO₄（+7価）を用い、それら各標準試料から放出されるKβ_{1, 3}線のエネルギーを測定した。この測定により得られたエネルギーと価数の関係を１次関数で表すことにより、図１１に示した標準曲線を作成した。

【0063】

次に、Mn原子の数の比が約1：1となるようにMn₂O₃とMnO₂を混合した試料についてＸ線分光分析装置１０を用いて測定し、得られたKβ_{1, 3}線のエネルギーの値を図１１の標準曲線に適用したところ、「3.59価」との価数の値が得られた。この価数は、当該試料におけるMnの平均価数である。

【0064】

(2-7) 第１実施形態のＸ線分光分析装置の第１変形例
図１２に、第１実施形態の第１の変形例であるＸ線分光分析装置１０Ａの概略構成を示す。このＸ線分光分析装置１０Ａでは、上述のＸ線リニアセンサ位置微調整部１６１及び制御部１６２の代わりに、コンピュータのＣＰＵ等のハードウエア及びソフトウエアにより具現化されるエネルギー較正部１６Ａを有する。

【0065】

第１変形例のＸ線分光分析装置１０Ａでは、エネルギー較正部１６Ａは、標準試料が生成する3つ以上の特性Ｘ線のエネルギーに基づいて、Ｘ線リニアセンサ１４の基準検出素子とスリット１２の間の光路長、及び分光結晶１３の傾斜角を最小二乗法で求めることにより、Ｘ線リニアセンサ１４の各検出素子で検出される特性Ｘ線のエネルギーを求める。ここでは、基準検出素子はＸ線リニアセンサ１４の中心の検出素子１４１Ｍとする。そうすると、Ｘ線リニアセンサ１４の基準検出素子とスリット１２の距離は上記距離L、分光結晶１３の傾斜角は上記回折角θ_Mが該当する。従って、上記(3)式、又は(3)式中の波長λ_xをエネルギーExに書き換えた下記(4)式

【数4】

に基づいて、距離L及び回折角θ_Mを求めることとなる。ここで、エネルギーExを電子ボルト(eV)単位で表す場合、(4)式中の係数kは、プランク係数h、光速c、分光結晶１３の結晶面間隔d及び電子素量eを用いて
k=(hc)/(2de)
と表される。

【0066】

この例では、標準試料にはFe及びCrを用い、FeのKα₁線、FeのKα₂線、CrのKα₁線、及びCrのKα₂線という4つの特性Ｘ線のエネルギーをＸ線分光分析装置１０のＸ線リニアセンサ１４で検出した。各特性Ｘ線のエネルギーと、各特性Ｘ線を検出した検出素子のチャネル番号を表１に示す。ここでチャネル番号は、Ｘ線リニアセンサ１４の両端にある検出素子１４１のうち、より低エネルギー（長波長、分光結晶１３での回折角が大）であるＸ線が入射する方の検出素子を1番として、Ｘ線リニアセンサ１４で並んでいる順に各検出素子１４１に整数で付した番号である。但し、1つの特性Ｘ線が複数の検出素子に亘って入射することから、それら複数の検出素子の各検出強度がガウス分布に従うものとして、当該ガウス分布のピークに当たる位置を小数のチャネル番号で表した。

【表1】

【0067】

これら4つの特性Ｘ線のエネルギーとチャネル番号（前述の通り、Ｘ線リニアセンサ１４の中心から距離Xに対応）を(4)式に適用し、最小二乗法によって距離L及び回折角θ_Mを求めると、L=0.4970m、θ_M=31.49°となった。各検出素子１４１での平均のエネルギー誤差は二乗平均平方根(rms)で表すと0.09eVである。

【0068】

図１３に、このように最小二乗法で求めた距離L及び回折角θ_Mを(4)式に適用し、チャネル番号を変数とする関数でエネルギーを表した曲線で示す。この曲線から、各チャネル番号の検出素子１４１で検出される特性Ｘ線のエネルギーを特定（較正）することができる。

【0069】

第１変形例のＸ線分光分析装置１０Ａでは、上記のように各検出素子１４１で検出される特性Ｘ線のエネルギーを較正した後、第１実施形態のＸ線分光分析装置１０と同様に、標準曲線作成部１７で標準曲線を作成することができる。

【0070】

以上で説明した第１変形例では4つの特性Ｘ線のエネルギーを較正に用いたが、特性Ｘ線のエネルギーの数は3つ又は5つ以上であっても、この第１変形例と同様に、最小二乗法を用いて距離L及び回折角θ_Mを求め、(3)式又は(4)式により各検出素子１４１で検出される特性Ｘ線の波長又はエネルギーを特定（較正）することが可能である。また、第１変形例ではFeとCrという2種類の元素を有する標準試料を用いたが、3つ以上の特性Ｘ線を生成できるのであれば、標準試料が含有する元素は1種類のみであってもよいし、3種類以上であってもよい。

【0071】

(2-8) 第１実施形態のＸ線分光分析装置の第２変形例
図１４に、第１実施形態の第２の変形例であるＸ線分光分析装置１０Ｂの概略構成を示す。第２変形例では、試料ホルダ１５Ｂは、測定対象の試料Ｓを保持する測定試料保持部１５１と、標準試料ＳＳを保持する標準試料保持部１５２とを有する。これら測定試料保持部１５１及び標準試料保持部１５２がそれぞれ設けられている範囲はいずれも、励起源１１から励起線が照射される照射領域Ａを含んでいる。測定試料保持部１５１及び標準試料保持部１５２はいずれも、スリット１２が延びる方向（図１４中のＹ方向）に垂直な方向（同・Ｘ方向）に幅を有している。試料ホルダ１５Ｂ以外のＸ線分光分析装置１０Ｂの構成は、上記Ｘ線分光分析装置１０と同様である。

【0072】

第２変形例のＸ線分光分析装置１０Ｂでは、測定対象の試料Ｓを測定試料保持部１５１に保持させると共に、この試料Ｓが含有していないと想定される元素から成り2つ以上の特性Ｘ線を生成する標準試料ＳＳを標準試料保持部１５２に保持させた状態で、それら試料Ｓ及び標準試料ＳＳに励起源１１から励起線を照射する。これにより、試料Ｓで生成される特性Ｘ線と、標準試料ＳＳで生成される特性Ｘ線は共に、該特性Ｘ線のエネルギーに対応した、試料ホルダ１５Ｂ上でＹ方向に延びる線状領域（図中のＡ１、Ａ２等）からスリット１２を通過して分光結晶１３で回折されたものが、Ｘ線リニアセンサ１４中の検出素子１４１で検出される。

【0073】

制御部１６２は随時、標準試料ＳＳで生成された2つ以上の特性Ｘ線のエネルギーの各々に対応して予め定められた検出素子１４１又はその近傍の検出素子１４１での検出信号に基づいて、これら2つの特性Ｘ線が予め定められた検出素子１４１に入射するように、Ｘ線リニアセンサ位置微調整部１６１を制御することでＸ線リニアセンサ１４を移動させる。これにより、各検出素子１４１で検出される特性Ｘ線のエネルギーを較正する。一方、標準試料ＳＳが生成する特性Ｘ線のエネルギーに対応したもの以外の検出信号は、測定対象の試料Ｓが生成する特性Ｘ線として検出し、該試料Ｓの分析に用いる。

【0074】

第２変形例のＸ線分光分析装置１０Ｂによれば、試料Ｓの特性Ｘ線と同時に標準試料ＳＳの特性Ｘ線も測定することができるため、試料Ｓの測定時に随時エネルギーの較正を行うことができる。そのため、例えばＸ線分光分析装置１０Ｂの分光結晶１３やＸ線リニアセンサ１４の温度や、Ｘ線分光分析装置１０Ｂの各構成要素を収容する筐体（図１４に図示せず）が測定中の温度の変化によって膨張又は収縮しても、直ちにエネルギーの較正を行い、正確な測定を行うことができる。

【0075】

なお、第２変形例のＸ線分光分析装置１０Ｂにおいても上記と同様に、特性Ｘ線のエネルギーを較正した後、標準曲線作成部１７で標準曲線を作成することができる。

【0076】

(3) 第２実施形態のＸ線分光分析装置
図１５に、第２実施形態のＸ線分光分析装置１０Ｃの概略構成を示す。このＸ線分光分析装置１０Ｃは、第１実施形態のＸ線分光分析装置１０におけるＸ線リニアセンサ位置微調整部１６１及び制御部１６２の代わりに、コンピュータのＣＰＵ等のハードウエア及びソフトウエアにより具現化されるエネルギー較正部１６Ｃと、温度測定部１８とを有する。その他の較正は第１実施形態のＸ線分光分析装置１０と同様である。以下、第１実施形態のＸ線分光分析装置１０との相違点について説明する。

【0077】

温度測定部１８は、Ｘ線分光分析装置１０Ｃ中の所定位置における温度を測定するものである。図１５では、Ｘ線リニアセンサ１４の近傍に温度センサ１８１を設けた例を示すが、Ｘ線リニアセンサ１４のうちＸ線の入射面以外の位置に温度センサ１８１を接触させてもよい。あるいは、温度センサ１８１を分光結晶１３の近傍に設けたり、分光結晶１３のうちＸ線の入射面以外の位置に接触させてもよい。さらには、Ｘ線分光分析装置１０Ｃの各要素を筐体（図示せず）の壁に固定し、温度センサ１８１を筐体の壁の近傍に設けたり、筐体の壁に接触させてもよい。

【0078】

エネルギー較正部１６Ｃは、温度センサ１８１で測定される温度が異なる複数の場合について、Ｘ線リニアセンサ１４の各検出素子１４１で検出されるエネルギーの値を記録したデータのテーブルを記憶する記憶部１６１Ｃと、エネルギーの較正時に温度センサ１８１で測定される温度と前記テーブルのデータに基づいて各検出素子１４１で検出されるエネルギーの値を決定するエネルギー決定部１６２Ｃとを有する。

【0079】

記憶部１６１Ｃに記憶されるデータは、予め複数の温度においてそれぞれ、エネルギーが既知である2つ以上の特性Ｘ線をＸ線リニアセンサ１４で測定することにより、各検出素子１４１で検出されるエネルギーの値を求めることにより取得しておく。ここで、記憶部１６１Ｃのテーブルでは複数の離散的な温度でのみエネルギーの値が得られていることから、エネルギー決定部１６２Ｃは、エネルギーの較正時に温度センサ１８１で測定される温度（測定温度）の上下でそれぞれ最近接しているテーブル中の2つの温度と該2つの温度に対応するエネルギーの値で補間することにより、測定温度におけるエネルギーの値を求める。

【0080】

第２実施形態のＸ線分光分析装置１０Ｃによれば、測定対象の試料Ｓで生成される特性Ｘ線を検出する際に、温度測定部１８で所定位置の温度を測定し、その温度に基づいてエネルギー較正部１６Ｃが各検出素子１４１で検出されるエネルギーの値を決定することでエネルギーを随時較正するため、温度変化による膨張又は収縮に伴って各検出素子１４１で検出されるエネルギーの値が変化しても、測定対象の試料Ｓで生成される特性Ｘ線のエネルギーを正しく特定することができる。

【0081】

第２実施形態のＸ線分光分析装置１０Ｃでは、エネルギーの較正のために標準試料を用いる必要はない。

【0082】

なお、ここでは記憶部１６１Ｃには温度と検出素子１４１毎のエネルギーの値の関係をテーブルとして記憶するようにしたが、その代わりに、検出素子１４１毎にそれら両者の関係を示す関数を記憶部１６１Ｃに記憶し、エネルギー較正部１６Ｃでは温度センサ１８１で測定される温度を当該関数に適用することで検出素子１４１毎のエネルギーの値を求めるようにしてもよい。

【0083】

以上、本発明の第１実施形態及びその変形例のＸ線分光分析装置、第２実施形態のＸ線分光分析装置、並びにそれらのＸ線分光分析装置を用いた化学状態分析方法の実施形態を説明したが、本発明はこれらの実施形態には限定されず、種々の変形が可能である。

【符号の説明】

【0084】

１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、９０…Ｘ線分光分析装置
１１、９１…励起源
１２、９２…スリット
１３、９３…分光結晶
１４、９４…Ｘ線リニアセンサ
１４１、１４１１、１４１２、１４１Ｌ、１４１Ｍ、１４１Ｘ、１４１Ａ０、１４１Ｂ０、１４１Ａ１、１４１Ｂ１、１４１Ａ２、１４１Ｂ２、９４１…検出素子
１５、１５Ｂ…試料ホルダ
１５１…測定試料保持部
１５２…標準試料保持部
１６、１６Ａ、１６Ｃ…エネルギー較正部
１６１…Ｘ線リニアセンサ位置微調整部
１６１Ｃ…記憶部
１６２…制御部
１６２Ｃ…エネルギー決定部
１７…標準曲線作成部
１８…温度測定部
１８１…温度センサ
Ａ…照射領域
Ａ１、Ａ２…照射領域の線状部分
Ｓ…試料
ＳＳ…標準試料

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】