JP5858922B2 - 多重配置ｘ線光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には、Ｘ線ビーム装置に関する。

調整ビームを利用する様々な用途があり、指向性Ｘ線、単色Ｘ線、平行Ｘ線又は集束Ｘ線を含むが、これらに限定されない。例えば、医学的な放射線治療装置は、Ｘ線を利用して、悪性組織を破壊し、Ｘ線回折又は散乱解析装置は、Ｘ線放射を試料、結晶又は非晶質に向け、その構造に対応した回折又は散乱パターンを発生させ、Ｘ線蛍光及び分光装置は、Ｘ線ビームを用いて、二次放射線を発生させ、二次放射線を解析して、組成情報を取得する。

Ｘ線回折の分野においては、Ｘ線機器、例えば回折装置は、空間解像度（例えば平行度）、スペクトル純度及び強度を含む特定の要件と、同様に他の要件とを満たすために、光学系によって調整されたＸ線ビームを用いている。しかしながら、これらのパラメータは、通常、互いに依存しており、したがって、独立して最適化することができない。すなわち、通常、１つのパラメータを改善又は最適化すると、多くの場合、他のパラメータが必ず犠牲となる。

上述のＸ線装置において異なる目的のための異なる光学系、例えば、単色平行ビームを生成する放物面多層膜反射鏡と、Ｋα１平行ビームを生成するチャンネルカットモノクロメータに接続された放物面多層膜反射鏡と、単色集束ビームを生成する楕円多層膜反射鏡とが開発されてきた。

異なる用途のためには、異なる光学系が必要であり、さもなければ、回折装置の性能は限定される。光学系を取り付け又は交換するたびに、交換し、調整するためのかなりの努力が必要とされる場合がある。さらに、これらの様々な光学系を設けることは、高価になる可能性がある。

上述の要求を満たす際に、本発明は、複数の種類のビームを供給する改良Ｘ線光学装置を提供する。装置は、Ｘ線を放射するＸ線源と、Ｘ線を調整して、２つのビームを形成する第１の光学素子と、第１の光学素子からの２つのビームのうちの１つを更に調整して、それを所望の位置に出射する第２の光学素子及び任意の第３の光学素子とを含む。所望の位置は、試料が配置される位置又は検出器が配置される位置とすることができる。第１の光学素子は、少なくとも１つの面で平行にされた２つのビームを出射する。しかしながら、２つのビームは、互いに平行である必要はない。

発明の幾つかの実施の形態は、以下の効果を奏することができる。光学系は、最少限の部品数で、及び部品を調整する最少の努力で、異なる形式のビームを生成する。

発明の更なる効果及び特徴は、以下の詳細な説明から、及び特許請求の範囲から明らかになる。

明細書に組み込まれ、その一部を構成する添付の図面は、本発明の幾つかの特徴を表しており、詳細な説明と共に、発明の原理を説明するのに役立つ。図中の部品が必ずしも一定の比率であるというわけではなく、その代わりに、発明の原理を説明する上で強調されている。そのうえ、図面において、同じ参照番号は、図面を通じて対応する部分を表している。
発明に基づいたＸ線装置の概略図である。 発明に基づいたスリット及び検出器を含む図１ａのＸ線装置の断面模式図である。また、全ての反射が断面平面内で起こるＸ線装置の一次元系としての断面図である。 発明に基づいたＸ線装置の他の実施の形態の概略図である。 発明に基づいたスリット及び検出器を含む図２ａのＸ線装置の断面模式図である。また、全ての反射が断面平面内で起こるＸ線装置の一次元系としての断面図である。 発明に基づいたＸ線装置の更に他の実施の形態の概略図である。 発明に基づいたスリット及び検出器を含む図３ａのＸ線装置の断面模式図である。また、全ての反射が断面平面内で起こるＸ線装置の一次元系としての断面図である。 発明に基づいたスリット及び検出器を含む図３ａのＸ線装置の断面模式図である。また、全ての反射が断面平面内で起こるＸ線装置の一次元系としての断面図である。

発明で開示するＸ線ビーム装置は、主にＸ線散乱及びＸ線回折に関する。

次に、図１ａに示すように、本発明の原理を説明するＸ線装置を１０で示す。その主要部品として、Ｘ線装置１０は、Ｘ線源１２、例えば、光学系が一次元系である場合、点形状又は線形状の実験室Ｘ線源と、第１の光学素子１４と、第２の光学素子１６とを含んでいる。第１の光学素子１４は、２つの平行ビームを出射し、第２の光学素子１６は、第１の光学素子によって出射された２つビームのうちの１つを更に調整する。第１の光学素子１４は、２つの光学部品を含むカークパトリック・バエズ光学系とすることができ、各光学部品の２つの反射面のうちの少なくとも１つは、多層膜反射鏡である。特に、光学部品は、２つの反射鏡が互いに対向し、第３の反射鏡が２つの第１の反射鏡に直交した「２−角」並列光学素子とすることができる。第３の反射鏡は、多層膜反射鏡とすることができる。一般的に、多層膜反射鏡は、高フラックス及びより良好なスペクトル解像度の反射面として用いることができる。

二次元系としての特定の配置のＸ線装置１０の断面図を、図１ｂに示す。さらに、留意すべきことは、他の配置において、図１ｂは、また、装置の断面図を一次元系として示し、そこにおいて、全ての反射が断面平面内で起こることである。Ｘ線装置１０は、矢１９によって示すように移動可能なスリット１８と、検出器２１とを含んでいてもよい。第１の光学素子１４は、２つの作用ゾーン、すなわち光学部品２０、２２を含み、第２の光学素子１６は、通常、反射面２４を有する集束素子である。

Ｘ線源１２は、第１の光学素子１４に向かってＸ線２６を放射し、次に、第１の光学素子１４は、Ｘ線２６を調整して、２つの平行ビーム２８ａ、３０を形成する。ビーム２８ａ、３０は、光学素子が多層膜反射鏡であるとき、一般的に、反射平面又は回折平面において平行ビームである。反射平面又は回折平面の両方は、図面に示すような断面平面、すなわち用紙の平面によって表される。この実施の形態に示すように、反射平面と、回折平面と、断面平面とは同じである。ビーム２８ａ、３０は、断面平面内において互いに平行であっても、平行でなくてもよい。図１ｂに示すように、１つのビーム３０が試料Ｓに向かい、一方、第２の光学素子１６は、ビーム２８ａを集束ビーム２８ｂとして、試料Ｓの位置又は場所に集束する。第２の光学素子１６は、集束ビーム２８ｂを、検出器２１又はＸ線装置１０の用途に応じた他のいかなる適切な位置に集束することができる。特定の用途においては、何時でも、ビーム２８ｂ、３０の１つだけが、スリット１８の開口３２を通過する。すなわち、スリット１８を用いて、ビーム３０を選択し、集束ビーム２８ｂを遮断することができ、あるいは他の状況においては、スリット１８は、集束ビーム２８ｂを遮断し、平行ビーム３０が開口３２を通過することを許す。ある用途においては、スリットは、両方の集束ビーム２８ｂ及び平行ビーム３０が開口３２を通過できるようにすることができる。

反射平面又は回折平面に直交する、したがって断面平面に直交する軸平面で見たとき、第１の光学素子１４から出射されたビーム２８ａ、３０は、発散ビーム、平行ビーム又は集束ビームであってもよい。第１の光学素子１４の作用ゾーン２０、２２が一次元光学部品、例えば放物柱鏡である場合、ビーム２８ａ、３０は、軸平面において拡散する。この場合、作用ゾーン２０、２２に直交する反射面は用いられない。

ビーム２８ａ、３０が、軸平面において平行ビームである場合、光学部品２０、２２は二次元平行光学部品である。光学部品２０又は光学部品２２のどちらか（あるいは両方の光学部品２０、２２）は、米国特許第６，０４１，０９９号及び米国特許第６，０１４，４２３号に記載されているように、カークパトリック・バエズ配置、直列又は「並列」配置の２つの反射鏡で作ることができ、それらの両方とも、それらの全体を引用することによって、本願に援用される。幾つかの実施の形態においては、第１の光学素子１４は、スリットに連結した完全な回転体の放物面光学部品で作ることができ、それは同様に２つの平行ビームを出射する。

ビーム２８ａ、３０が、軸平面において集束ビームであり、試料Ｓ、検出器２１又は他のあらゆる所望の位置に集束される場合、第１の光学素子１４の各光学部品２０、２２は、カークパトリック・バエズ配置、直列又は並列配置の２つの反射鏡で作ることができ、また、作ってもよい。このような配置において、両方の反射鏡２０、２２は、平行反射鏡、例えば放物面反射鏡であり、反射鏡２０、２２に略直交した他の反射鏡は、集束反射鏡、例えば楕円反射鏡である。

次に、図２ａに示すように、Ｘ線装置１００は、チャンネルカットモノクロメータ１０２を、スペクトル純度、角分解又はその両方を向上させる第２の光学素子として含む。二次元系としての特定の配置のＸ線装置１００の断面図を、図２ｂに示す。さらに、留意すべきことは、他の配置において、図２ｂは、また、装置の断面図を一次元系として示し、そこにおいて、全ての反射が断面平面内で起こることである。図２ｂに示すように、Ｘ線装置１００は、また、Ｘ線装置１０に関して上述した、移動可能なスリット１８と、検出器２１とを含んでいてもよい。

チャンネルカットモノクロメータ１０２は、２つの反射面１０４、１０６を含んでいる。チャンネルカットモノクロメータ１０２と第１の光学素子１４は、チャンネルカットモノクロメータ１０２の反射面１０６が、ビーム２８ａをビーム２８ｃとしてビーム３０に向けて反射するように配置されている。チャンネルカットモノクロメータ１０２の反射面１０４は、ビーム２８ａがチャンネルカットモノクロメータ１０２によって更に調整されるように、ビーム２８ｃを、ビーム３０に一致したビーム２８ｄとして更に反射する。ビーム３０は、高フラックスの特性を有する。ビーム２８ｄは、高エネルギ分解能及び高空間分解能の両方の特性を有する。この配置では、ビーム３０とビーム２８ｄ間の切換は、チャンネルカットモノクロメータ１０２の位置決め及び調整を必要とする。

チャンネルカットモノクロメータ１０２を有するＸ線装置１００の光学系は、鮮明なスペクトルを有する高平行ビームを出射する。高フラックスを有するビームは、チャンネルカットモノクロメータ１０２をビーム３０の経路の外に移動することによって、選択することができる。より良好な解像度を有するビームは、チャンネルカットモノクロメータ１０２をその適切な動作位置に配置することによって、選択することができる。

チャンネルカットモノクロメータ１０２の２つの反射面１０４、１０６が互いに平行であるとき、Ｘ線を反射する２つの原子面は、同一である。この場合、第１の光学素子１４によって出射される２つの平行ビームは、互いに平行である。このようなチャンネルカットモノクロメータは、一般に（＋ｎ，−ｎ）モノクロメータと呼ばれる。十分なスペクトル純度を得るために、異なる原子面を有する２つの反射面１０４、１０６を有するチャンネルカットモノクロメータを用いることもある。このようなチャンネルカットモノクロメータは、多くの場合、（＋ｍ，−ｎ）チャンネルカットモノクロメータと呼ばれる。（＋ｍ，−ｎ）チャンネルカットモノクロメータは、ある角度の（すなわち互いに平行でない）２つの反射面を有する。（＋ｍ，−ｎ）チャンネルカットモノクロメータを利用するためには、第１の光学素子１４は、チャンネルカットによって出射されるビーム２８ｄがビーム３０と一致するように、２つの平行ビームを（＋ｍ，−ｎ）チャンネルカットに一致した角度で出射する。

発明で開示するＸ線ビーム装置は、主にＸ線散乱及びＸ線回折に関する。チャンネルカットモノクロメータ１０２は、例えば単結晶シリコン又はゲルマニウムから作られた結晶とすることができる。

Ｘ線装置１００が使用中のとき、第１の光学素子１４の多層膜光学部品の配置を用いて、特定の特性線Ｋαを選択することができる。そして、チャンネルカットモノクロメータを用いて、微細構造Ｋα２、あるいは好ましくは、Ｋα２よりも非常に強いＫα１を選択することができる。

図３ａに示すように、Ｘ線装置２００は、二ビーム光学素子１４と、チャンネルカットモノクロメータ１０２と、放物面反射鏡１６とを１つの装置に組み合わせている。二次元系としての特定の配置のＸ線装置２００の断面図を、図３ｂ、３ｃに示す。さらに、留意すべきことは、他の配置において、図３ｂ、３ｃは、また、装置の断面図を一次元系として示し、そこにおいて、全ての反射が断面平面内で起こることである。さらに、図３ｂ、３ｃは、上述したスリット１８及び検出器２１を有するＸ線装置２００を示す。Ｘ線装置２００の用途に応じて、Ｘ線装置２００は、高解像度スペクトル及び角分解能を有する平行ビーム、あるいは高解像度スペクトルを有する集束ビームを出射する。

試料Ｓを通過する平行ビーム２８ｄを出射するとき、チャンネルカットモノクロメータ１０２は、図３ｂに示すように配置される。このような配置において、ビーム３０は、チャンネルカットモノクロメータによって遮断され、平行ビーム２８ｄは、図２ｂに関して上述したように生成される。

ビームを、試料Ｓに、又は検出器２１に、又は他のいかなる適切な位置に集束するとき、最初に図３ｂに示す位置にあるチャンネルカットモノクロメータ１０２は、図３ｃに示すように、軸１０８の回りに１８０°反転される。これにより、チャンネルカットモノクロメータ１０２は、第１の光学素子１４からのビーム２８ａを遮断し、一方、反射面１０６は、ビーム３０を、ビーム３０ａとして反射面１０４に向けて反射し、次に、反射面１０４は、ビーム３０ａを、ビーム３０ｂとして放物面反射鏡１６に向けて反射する。そして、放物面反射鏡１６は、ビーム３０ｂを、集束ビーム３０として試料Ｓ、又は検出器２１、又は他のいかなる所望の位置に向けて反射する。もちろん、図３ｂに示す配置に戻すには、図３ｃに示す位置にあるチャンネルカットモノクロメータを、図３ｂに示す位置に軸１０８の回りに１８０°反転させることが単に必要である。

光学素子１４、１６のＸ線反射鏡は、全反射光学部品又は多層膜光学部品のどちらかとすることができる。第１の二ビーム光学素子１４は、一次元Ｘ線光学部品とすることができ、すなわち、それは、多層膜反射鏡である場合、一般的に反射平面又は回折平面と呼ばれる１つの平面内だけでＸ線を反射する。このような平面を、図１ｂ、図２ｂ及び図３ｂにおいて断面平面として示す。また、第１の二ビーム光学素子１４は、二次元光学部品とすることができ、すなわち、それは、２つの平面、すなわち反射／回折平面と軸平面の両方でＸ線を反射して、二次元ビーム（「ペンシル状」ビーム）を形成する。

第１の二ビーム光学素子１４が一次元光学部品である場合、光学素子１６の放物面反射鏡２４は、１つの平面内で集束するビームを出射する。そして、第１の二ビーム光学素子１４が二次元光学部品であり、軸平面において集束特性を有する場合、放物面反射鏡２４は、一次元光学部品であり、ビーム３０ｃを試料Ｓ、又は検出器２１、又は他のいかなる所望の位置に集束する。

他の配置において、第１の二ビーム光学素子１４が二次元光学部品であり、軸平面において平行特性を有する場合、放物面反射鏡２４を有する光学素子１４は、ビーム３０ｃを１つの平面内だけで集束する一次元光学部品、あるいはビーム３０ｃを試料Ｓ、又は検出器２１、又は他のいかなる適切な位置の点に集束する二次元光学部品のどちらかとすることができる。

Ｘ線光学装置１０、１００、２００の何れも、Ｘ線回折装置として用いるとき、多くの場合、固有の特性輝線が選択される。他と同様に、代表的な特性線は、Ｃｏ Ｋα、Ｃｒ Ｋα、Ｃｕ Ｋα、Ｍｏ Ｋα、Ａｇ Ｋαを含む。多層膜光学部品は、多くの場合、連続スペクトルからこれらの特性線のうちの１つを選択するために用いられ、さらに、これらの光学部品は、Ｘ線を平行／集束して、ビームを形成するために用いられる。しかしながら、これらの上述した特性線は、複数の揮線を含む微細構造を有する。例えば、特性線Ｃｕ Ｋαは、Ｋα１とＫα２とを含む２重線であり、Ｋα１は強度がＫα２の約２倍である。特定用途において、例えば高分解能回折測定においては、光学素子１４の多層膜光学部品とチャンネルカットモノクロメータ１０２の組合せを用いて、これらの複数の微細構造線のうちのただ１つだけを選択することより、高解像度スペクトルを得ている。

要約すると、上述した装置は、以下のテーブルに示すように、異なる空間及び分光特性の様々なビームを出射することができる。

他にも特徴があるが、上述した装置によって生成されるビームは、同じ所望の位置（試料）を通過する。これを達成するために、これらの装置は、光学位置、曲率及び面間隔設計、チャンネルカット選択及びビーム変位の設計を含めて、全ての光学素子が互いに整合するように、配置される。

さらに、幾つかの用途においては、上述した装置によって生成される４つのビームのうちの何れも、２つの素子だけの、例えばチャンネルカットモノクロメータとスリットの位置を変えることによって、試料位置に出射することができる。スリットの位置を変えることは、その主要機能が不要なビームを遮断することであるので、装置の調整にまったく影響を与えず、その開口は、ビームの作用横断面よりも広くすることができる。

チャンネルカットモノクロメータは、精密な素子であり、その位置を変えた後は、再調整しなければならない可能性がある。しかしながら、チャンネルカットモノクロメータの２つの動作位置は、その回折面の軸の回りに回転することによって実現できるので、このような回転及び位置決めは、微調整だけを要するように、精密な機械部品を用いることによって、良い精度で実現することができる。

最後に、上述の装置によって、少数の部品を手動で単に動かして、微調整し、あるいはコンピュータ制御自動手段を用いることによって、特定の用途の最適解を選択することができる。それによって、多くの精巧な光学系を必要とし、交換及び装置調整に時間がかかることを防止し、したがって、コスト及び努力を節約する。

当業者には容易に明らかなように、上述の説明は、この発明の原理の実施の形態の説明を意図したものである。この説明は、以下の請求の範囲で特定されるように、この発明の要旨を逸脱することなく、発明が修正、変更及び交換することが可能であるという点で、この発明の範囲又は用途を限定するものではない。

Claims (21)

1. Ｘ線を放射するＸ線源と、
   上記Ｘ線を調整して、２つの平行ビームを形成する第１の反射光学素子と、
   上記第１の光学素子からの２つの平行ビームのうちの第１の平行ビームを更に調整する少なくとも第２の光学素子とを含み、
   上記第２の光学素子は、反射光学素子であり、上記第１及び第２の光学素子によって調整された上記第１のビームは、所望の位置に向けられ、上記第１の光学素子によって調整された上記２つの平行ビームのうちの第２の平行ビームは、該所望の位置に向けられ、
   上記第２の光学素子は、チャンネルカット結晶モノクロメータであり、該チャンネルカット結晶モノクロメータは、上記第１の光学素子からの上記２つのビームのうちの上記第１のビームを調整して、該チャンネルカット結晶モノクロメータによって調整された第１のビームが有する該モノクロメータ以降のビーム経路は、該第１の光学素子からの上記第２のビームのビーム経路と一致しているＸ線光学装置。
2. 上記第１の光学素子は、Ｘ線を１つの平面内で反射して、１つの平面内で平行の２つのビームを形成する一次元光学素子である請求項１記載のＸ線光学装置。
3. 上記一次元光学素子は、１つの平面内で平行の２つの単色ビームを形成する２つの多層膜放物面反射鏡でできている請求項２記載のＸ線光学装置。
4. 上記第１の光学素子は、Ｘ線を２つの平面内で反射する二次元光学素子であり、上記第１及び第２の平行ビームの両方は、共通平面内で平行にされている請求項１記載のＸ線光学装置。
5. 上記第１の光学素子は、２つの光学部品を含む請求項４記載のＸ線光学装置。
6. 上記２つの光学部品は、２つのカークパトリック・バエズ光学部品であり、各カークパトリック・バエズ光学部品は、互いに直交する２つの反射面を有する請求項５記載のＸ線光学装置。
7. 上記カークパトリック・バエズ光学部品は、並列カークパトリック・バエズ光学部品である請求項６記載のＸ線光学装置。
8. 上記２つのカークパトリック・バエズ光学部品は、互いに対向した２つの反射鏡と、該２つの反射鏡に直交した第３の反射鏡との３つの反射鏡を有する請求項６記載のＸ線光学装置。
9. 上記カークパトリック・バエズ光学部品が有する上記２つの反射面のうちの少なくとも１つは、単色ビームを出射する多層膜反射面である請求項６記載のＸ線光学装置。
10. 上記第１の光学素子は、スリットに接続された放物面光学部品であり、該放物面光学部品によって形成されるビームの一部を遮断することによって、２つの平行ビームを形成する請求項４記載のＸ線光学装置。
11. 上記放物面光学部品は、単色ビームを出射する多層膜光学部品である請求項１０記載のＸ線光学装置。
12. 上記第１の光学素子からの上記２つの平行ビームは、互いに平行である請求項１記載のＸ線光学装置。
13. 上記第２の光学素子は、放物面反射鏡である請求項１記載のＸ線光学装置。
14. 上記放物面反射鏡は、多層膜放物面反射鏡である請求項１３記載のＸ線光学装置。
15. 上記チャンネルカットモノクロメータは、２つの異なる原子面を有する２つの反射面を含む請求項１記載のＸ線光学装置。
16. 上記チャンネルカットモノクロメータは、同じ原子面を有する２つの反射面を含む請求項１記載のＸ線光学装置。
17. 第３の光学素子を更に含み、
    上記チャンネルカットモノクロメータは、上記第１の光学素子と上記第３の光学素子間に位置し、
    上記第３の光学素子は、上記チャンネルカットモノクロメータからの上記第１のビームを更に調整する請求項１記載のＸ線光学装置。
18. 上記第３の光学素子は、上記チャンネルカットモノクロメータによって調整された第１のビームを集束する放物面反射鏡である請求項１７記載のＸ線光学装置。
19. 上記第１の光学素子及び上記第２の光学素子によって調整された上記第１のビームが上記所望の位置に達し、あるいは該第１の光学素子、該第２の光学素子及び上記第３の光学素子によって調整された集束ビームが該所望の位置に達するように、上記チャンネルカットモノクロメータは、軸の回りに約１８０度回転可能である請求項１７記載のＸ線光学装置。
20. 上記第１の光学素子及び上記チャンネルカットモノクロメータによって調整された上記第１のビームが上記所望の位置に達し、あるいは、上記第１の光学部品によって調整された上記第２のビームが該所望の位置に達するように、上記チャンネルカット結晶モノクロメータは、回転可能である請求項１記載のＸ線光学装置。
21. 上記第１及び第２のビームのうちの１つを遮断し、他のビームが通過することができるスリットを更に含む請求項１記載のＸ線光学装置。

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