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JP7726044B2 - X-ray spectrometer and elemental analysis method - Google Patents
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JP7726044B2 - X-ray spectrometer and elemental analysis method - Google Patents

X-ray spectrometer and elemental analysis method

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JP7726044B2 JP2021195149A JP2021195149A JP7726044B2 JP 7726044 B2 JP7726044 B2 JP 7726044B2 JP 2021195149 A JP2021195149 A JP 2021195149A JP 2021195149 A JP2021195149 A JP 2021195149A JP 7726044 B2 JP7726044 B2 JP 7726044B2
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Description

本開示は、X線分光分析装置および元素分析方法に関する。 This disclosure relates to an X-ray spectrometer and an elemental analysis method.

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(蛍光X線)を分光して波長ごとの強度を検出する装置としてX線分光分析装置が知られている。このようなX線分光分析装置として、国際公開第2018/053272号(特許文献1)には、一つのローランド円の円周に沿って湾曲型の分光結晶および検出器を配設するものが記載されている。特許文献1に記載のX線分光分析装置は、ローランド円の内部に配置された光源からの特性X線を湾曲型の分光結晶にて集光すると同時に分光し、検出器にてこれを検出する。 X-ray spectrometers are known as devices that disperse characteristic X-rays (fluorescent X-rays) emitted by a sample irradiated with excitation rays such as primary X-rays or electron beams, and detect the intensity of each wavelength. International Publication No. 2018/053272 (Patent Document 1) describes such an X-ray spectrometer in which a curved dispersing crystal and detector are arranged along the circumference of a single Rowland circle. The X-ray spectrometer described in Patent Document 1 focuses and simultaneously disperses characteristic X-rays from a light source positioned inside the Rowland circle using a curved dispersing crystal, which then detects the X-rays using a detector.

国際公開第2018/053272号International Publication No. 2018/053272

しかしながら、特許文献1に記載のX線分光分析装置において、互いにピーク波長が異なる特性X線群を湾曲型の分光結晶のような分光素子で分光する場合、特性X線群のそれぞれの特性X線を分光素子のどの分光範囲で分光させるべきかについて配慮がなされていない。特性X線群の全てのピーク波長をカバーさせようと分光範囲を設定すると、分光素子の分光面のローランド円に沿った長さが大きくなってしまう。この長さが大きくなってしまうと、ローランド円と分光素子との曲率半径の違いから、ローランド円から離れる分光素子の領域において、検出器における特性X線の検出精度が低下してしまうという問題が発生する。 However, in the X-ray spectrometer described in Patent Document 1, when a group of characteristic X-rays with different peak wavelengths is dispersed using a dispersing element such as a curved dispersing crystal, no consideration is given to the spectroscopic range of the dispersing element in which each of the characteristic X-rays of the group of characteristic X-rays should be dispersed. If the spectroscopic range is set to cover all peak wavelengths of the group of characteristic X-rays, the length along the Rowland circle of the spectroscopic surface of the dispersing element becomes large. When this length becomes large, the difference in the radius of curvature between the Rowland circle and the dispersing element causes a problem in that the detection accuracy of the characteristic X-rays by the detector decreases in areas of the dispersing element that are far from the Rowland circle.

本開示は、係る実情に鑑みてなされたものであり、検出器において精度よく特性X線を検出することができるX線分光分析装置を提供することを一つの目的とする。 This disclosure has been made in consideration of these circumstances, and one of its objectives is to provide an X-ray spectrometer capable of detecting characteristic X-rays with high accuracy using a detector.

本開示のある局面に従うX線分光分析装置は、励起源と、湾曲形状の分光素子と、位置敏感型の検出器と、演算部とを備える。励起源は、試料ホルダに保持される試料に励起線を照射して、互いにピーク波長が異なる特性X線群を発生させる。湾曲形状の分光素子は、特性X線群を分光する。位置敏感型の検出器は、分光素子が分光した特性X線群の少なくとも一部を検出する。演算部は、検出器の検出結果に基づいて試料中に含まれる元素の分析を行う。分光素子および検出器は、一つのローランド円の円周に沿って配設される。ローランド円に沿った分光素子の分光面の長さは、試料ホルダに照射される励起線の照射面のローランド円の面内での長さより短い。特性X線群を分光素子の共通の分光範囲で分光するように、分光素子と試料ホルダとが配設されている。 An X-ray spectroscopic analysis apparatus according to one aspect of the present disclosure includes an excitation source, a curved dispersing element, a position-sensitive detector, and a calculation unit. The excitation source irradiates an excitation beam onto a sample held in a sample holder, generating a group of characteristic X-rays with different peak wavelengths. The curved dispersing element disperses the group of characteristic X-rays. The position-sensitive detector detects at least a portion of the group of characteristic X-rays dispersed by the dispersing element. The calculation unit analyzes the elements contained in the sample based on the detection results of the detector. The dispersing element and detector are arranged along the circumference of a single Rowland circle. The length of the dispersing surface of the dispersing element along the Rowland circle is shorter than the length of the irradiation surface of the excitation beam irradiated onto the sample holder within the plane of the Rowland circle. The dispersing element and sample holder are arranged so that the group of characteristic X-rays is dispersed within the common spectroscopic range of the dispersing element.

本開示の別の局面に従う元素分析方法は、試料ホルダに保持される試料に励起線を照射して、互いにピーク波長が異なる特性X線群を発生させるステップと、発生した特性X線群を湾曲形状の分光素子に入射させ、入射した特性X線群を分光素子が分光させ、分光した特性X線群の少なくとも一部を位置敏感型の検出器に検出させるステップと、検出器の検出結果に基づいて試料中に含まれる元素の分析を行うステップとを含み、分光素子および検出器は、一つのローランド円の円周に沿って配設され、ローランド円に沿った分光素子の分光面の長さは、試料ホルダに照射される励起線の照射面のローランド円の面内での長さより短く、特性X線群を分光素子の共通の分光範囲で分光するように、分光素子と試料ホルダとが配設されている。 An elemental analysis method according to another aspect of the present disclosure includes the steps of irradiating an excitation ray onto a sample held in a sample holder to generate a group of characteristic X-rays having different peak wavelengths; directing the generated group of characteristic X-rays into a curved spectroscopic element, which disperses the incident group of characteristic X-rays, and causing a position-sensitive detector to detect at least a portion of the dispersed group of characteristic X-rays; and analyzing the elements contained in the sample based on the detection results of the detector, wherein the spectroscopic element and the detector are arranged along the circumference of a single Rowland circle, the length of the spectroscopic surface of the spectroscopic element along the Rowland circle is shorter than the length of the irradiation surface of the excitation ray irradiated onto the sample holder within the plane of the Rowland circle, and the spectroscopic element and sample holder are arranged so that the group of characteristic X-rays is dispersed within the common spectroscopic range of the spectroscopic element.

本開示によれば、湾曲形状の分光素子の有効な分光範囲をローランド円の円周に接する領域近傍に限定することができるため、ローランド円と分光素子との曲率半径の違いによる特性X線の検出精度の低下を防止することができる。これにより、検出器において精度よく蛍光X線を検出することができる。 According to the present disclosure, the effective spectral range of the curved dispersing element can be limited to the area tangent to the circumference of the Rowland circle, preventing a decrease in the detection accuracy of characteristic X-rays due to differences in the radii of curvature between the Rowland circle and the dispersing element. This allows the detector to detect fluorescent X-rays with high accuracy.

X線分光分析装置の全体構成を概略的に示す図である。1 is a diagram schematically illustrating the overall configuration of an X-ray spectroscopic analysis device. X線分光分析装置とローランド円との関係を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the relationship between an X-ray spectroscopic analyzer and Rowland circles. 湾曲形状の分光素子の一例を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a curved light-splitting element. 検出器の受光面から見たCoのKα1線の投影像のシミュレーション結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the simulation results of a projected image of the Co Kα1 ray as viewed from the light receiving surface of the detector. 検出器の受光面から見たCoのKα1線の投影像のシミュレーション結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the simulation results of a projected image of the Co Kα1 ray as viewed from the light receiving surface of the detector. 検出器の検出結果に基づく分析結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing analysis results based on the detection results of a detector. 検出器の検出結果に基づく分析結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing analysis results based on the detection results of a detector. 検出器の検出結果に基づく分析結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing analysis results based on the detection results of a detector. コリメーターの例を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a collimator. コリメーターの例を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a collimator. 変形例1に係るX線分光分析装置とローランド円との関係を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the relationship between an X-ray spectroscopic analysis apparatus according to Modification 1 and Rowland's circle. 変形例2に係るX線分光分析装置とローランド円との関係を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the relationship between an X-ray spectroscopic analysis apparatus according to Modification 2 and Rowland's circle. 変形例3に係るX線分光分析装置とローランド円との関係を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the relationship between an X-ray spectroscopic analysis apparatus according to Modification 3 and Rowland's circle. 変形例4に係る試料ホルダおよび回転機構を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a sample holder and a rotation mechanism according to a fourth modified example.

以下、各実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一又は相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Each embodiment will be described in detail below with reference to the drawings. Note that identical or equivalent parts in the drawings will be given the same reference numerals and their descriptions will not be repeated.

[X線分光分析装置10]
図1は、X線分光分析装置10の全体構成を概略的に示す図である。
[X-ray spectrometer 10]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic overall configuration of an X-ray spectrometer 10. As shown in FIG.

図1に示すように、X線分光分析装置10は、励起源としてのX線管11と、湾曲形状の分光素子12と、位置敏感型の検出器14と、演算部15とを備える。 As shown in FIG. 1, the X-ray spectrometer 10 includes an X-ray tube 11 as an excitation source, a curved spectroscopic element 12, a position-sensitive detector 14, and a calculation unit 15.

演算部15は、X線分光分析装置10の動作を制御するとともに、検出器14の検出結果に基づいて試料中に含まれる元素の分析を行うように構成される。演算部15は、プロセッサおよびメモリなどから構成される。これらの各部は、バスを介して互いに通信可能に接続される。 The calculation unit 15 is configured to control the operation of the X-ray spectrometer 10 and to analyze the elements contained in the sample based on the detection results of the detector 14. The calculation unit 15 is composed of a processor, memory, etc. These components are connected to each other via a bus so that they can communicate with each other.

プロセッサは、典型的には、CPU(Central Processing Unit)またはMPU(Micro Processing Unit)などの演算処理部である。プロセッサは、メモリに記憶されたプログラムを読み出して実行することで、X線分光分析装置10の各部の動作を制御する。メモリは、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)およびフラッシュメモリなどの不揮発性メモリによって実現される。メモリは、プロセッサによって実行されるプログラム、またはプロセッサによって用いられるデータなどを記憶する。 The processor is typically an arithmetic processing unit such as a CPU (Central Processing Unit) or MPU (Micro Processing Unit). The processor controls the operation of each part of the X-ray spectrometer 10 by reading and executing programs stored in memory. The memory is realized by non-volatile memory such as RAM (Random Access Memory), ROM (Read Only Memory), and flash memory. The memory stores programs executed by the processor, data used by the processor, etc.

X線管11は、試料ホルダ108に保持される試料に励起X線(単に「励起線」とも称する)を照射して、互いにピーク波長が異なる特性X線群(波長範囲が異なる複数の特性X線)を発生させる。具体的には、試料ホルダ108は、一辺の長さをL2とする矩形状の照射面108aを有する。照射面108aは、試料ホルダ108の開口部であり、照射面108a全体に励起線が照射される。この照射面108a内全体に試料が保持されているため、照射面108aから特性X線群が発生することになる。 The X-ray tube 11 irradiates the sample held in the sample holder 108 with excitation X-rays (also simply referred to as "excitation rays"), generating a group of characteristic X-rays (multiple characteristic X-rays with different wavelength ranges) with different peak wavelengths. Specifically, the sample holder 108 has a rectangular irradiation surface 108a with a side length of L2. The irradiation surface 108a is the opening of the sample holder 108, and the excitation rays are irradiated onto the entire irradiation surface 108a. Because the sample is held entirely within this irradiation surface 108a, a group of characteristic X-rays is generated from the irradiation surface 108a.

湾曲形状の分光素子12は、照射面108aからの特性X線群を分光する。位置敏感型の検出器14は、分光素子12が分光した特性X線群の少なくとも一部を検出する。以下、本実施の形態においては、X線で励起されて発生する特性X線を「蛍光X線」とも称する。 The curved spectroscopic element 12 disperses the characteristic X-rays from the irradiation surface 108a. The position-sensitive detector 14 detects at least a portion of the characteristic X-rays dispersed by the spectroscopic element 12. Hereinafter, in this embodiment, the characteristic X-rays generated by excitation with X-rays are also referred to as "fluorescent X-rays."

位置敏感型の検出器14は、一次元検出器であってもよい。一次元検出器は、たとえば、シリコンストリップ型検出器である。位置敏感型の検出器14として一次元検出器を用いることで、二次元検出器であるCCD(Charge Coupled Device)カメラやCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)カメラに比べ、装置の低コスト化が期待できる。また、2次元データを1次元に再構成する手間が不要となる。 The position-sensitive detector 14 may be a one-dimensional detector. The one-dimensional detector is, for example, a silicon strip detector. By using a one-dimensional detector as the position-sensitive detector 14, it is expected that the cost of the device will be lower than that of two-dimensional detectors such as CCD (Charge Coupled Device) cameras and CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) cameras. In addition, it eliminates the need to reconstruct two-dimensional data into one dimension.

演算部15は、X線管11を制御して励起線を照射させるとともに、検出器14が検出した特性X線群の検出結果を取得して試料中に含まれる元素の分析を行う。これにより、試料中の元素の価数(平均価数)を分析することができる。価数の分析では、試料中に含まれる元素およ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(特性X線群のそれぞれ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(例えば、エネルギーと価数の関係を1次関数で表したもの)を作成する。価数の値は、X線分光分析装置10を用いて試料を測定し、検出器14の検出結果に基づき得られる特性X線群のそれぞれのエネルギーの値を標準曲線に適用することで得られる。また、X線分光分析装置10は、回転機構110を備えてもよい。演算部15は、回転機構110を制御して、試料ホルダ108を回転させることが可能である。回転機構110については、図10を用いて後述する。 The calculation unit 15 controls the X-ray tube 11 to emit excitation rays and acquires the detection results of the characteristic X-ray group detected by the detector 14 to analyze the elements contained in the sample. This allows the valence (average valence) of the elements in the sample to be analyzed. In valence analysis, the elements contained in the sample and the valence of the elements are known, and a standard curve (e.g., a linear function representing the relationship between energy and valence) showing the peak energy versus valence is created based on the peak energies of the characteristic X-rays (respective peak energies of the characteristic X-ray group) emitted from multiple standard samples with different valences. The valence value is obtained by measuring the sample using the X-ray spectrometer 10 and applying the energy values of each of the characteristic X-ray group obtained based on the detection results of the detector 14 to the standard curve. The X-ray spectrometer 10 may also include a rotation mechanism 110. The calculation unit 15 can control the rotation mechanism 110 to rotate the sample holder 108. The rotation mechanism 110 will be described later using FIG. 10 .

ここで、L2は、試料ホルダ108に照射される励起線の照射面108aのローランド円104(図2)の面内での長さである。L1は、ローランド円104に沿った分光素子12の分光面の長さである。本実施の形態においては、分光素子12および検出器14は、一つのローランド円104の円周に沿って配設される。以下、図2を用いて具体的に説明する。 Here, L2 is the length of the irradiation surface 108a of the excitation beam irradiated onto the sample holder 108 within the plane of the Rowland circle 104 (Figure 2). L1 is the length of the spectroscopic surface of the spectroscopic element 12 along the Rowland circle 104. In this embodiment, the spectroscopic element 12 and the detector 14 are arranged along the circumference of one Rowland circle 104. A specific explanation will be given below using Figure 2.

図2は、X線分光分析装置10とローランド円104との関係を示す図である。図2に示すように、試料ホルダ108およびX線管11は、半径Rのローランド円104の円内に配設されている。分光素子12の分光面は、ローランド円104の円周に沿った形状・配置を有する。本実施の形態では、検出器14は、その検出面が、ローランド円104の円周に1点で接するのではなく、2点(図2における焦点134,138)で交差するように配置されている。一般に、X線分光分析装置10では、一元素から放出される複数エネルギーのX線(たとえばKα線とKβ線)、複数元素からそれぞれ放出される異なるエネルギーのX線(たとえばMnからのKα線とNiからのKα線)の検出が必要となる場合がある。本実施形態のように検出器14を配置することで、この要求を満たすことができる。このようにすることで、X線分光分析装置10は、異なるエネルギーのX線を高分解能で検出することができる。ただし、分光素子12、検出器14は、本発明の作用効果を奏する範囲で上記と異なる形状・配置を有していてもよい。 Figure 2 shows the relationship between the X-ray spectrometer 10 and the Rowland circle 104. As shown in Figure 2, the sample holder 108 and X-ray tube 11 are arranged within the Rowland circle 104, which has a radius R. The spectroscopic surface of the spectroscopic element 12 is shaped and positioned along the circumference of the Rowland circle 104. In this embodiment, the detector 14 is positioned so that its detection surface intersects the circumference of the Rowland circle 104 at two points (focal points 134 and 138 in Figure 2) rather than tangent to a single point. Generally, the X-ray spectrometer 10 may need to detect X-rays of multiple energies emitted from a single element (e.g., Kα and Kβ rays) or X-rays of different energies emitted from multiple elements (e.g., Kα rays from Mn and Kα rays from Ni). Arranging the detector 14 as in this embodiment satisfies this requirement. In this manner, the X-ray spectrometer 10 can detect X-rays of different energies with high resolution. However, the spectroscopic element 12 and detector 14 may have shapes and arrangements different from those described above as long as the effects of the present invention are achieved.

まず、X線管11からの励起X線は、照射面108a内の試料ホルダ108に照射され、試料に含有されている元素固有の蛍光X線が発生する。次に、試料から発生した蛍光X線は、ローランド円104の円周に沿って配設された分光素子(分光結晶)12にてブラッグ反射し、その表面がローランド円104と2点(焦点134,138)で交差するように配設された検出器14にて検出される。照射面108aから分光素子12に入射する特性X線の入射方向に対して、照射面108aが垂直になるように試料ホルダ108を配設することが望ましく、本実施の形態では、L2は、照射面108aが垂直であるとした場合の長さを指す。検出器14は、ローランド円104の円周に沿って配設されてもよい。 First, excitation X-rays from the X-ray tube 11 irradiate the sample holder 108 within the irradiation surface 108a, generating fluorescent X-rays specific to the elements contained in the sample. Next, the fluorescent X-rays generated from the sample are Bragg-reflected by the dispersing element (dispersing crystal) 12 arranged along the circumference of the Rowland circle 104 and are detected by the detector 14 arranged so that its surface intersects the Rowland circle 104 at two points (foci 134, 138). It is desirable to arrange the sample holder 108 so that the irradiation surface 108a is perpendicular to the direction of incidence of the characteristic X-rays incident on the dispersing element 12 from the irradiation surface 108a. In this embodiment, L2 refers to the length when the irradiation surface 108a is perpendicular. The detector 14 may also be arranged along the circumference of the Rowland circle 104.

試料は、電池、触媒など、励起線を照射することにより特性X線を発生する金属材料を含む任意のものを使用できる。たとえば、試料は、Mn(マンガン)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)の三元素を含んでいてよい。具体例では、試料は、正極材料としてLi(Mn1/3Co1/3Ni1/3)Oを含むリチウムイオン電池(LIB)であってもよい。試料は、Fe(鉄)を含んでいてもよい。 The sample can be any material containing a metal material that generates characteristic X-rays when irradiated with excitation rays, such as a battery or a catalyst. For example, the sample may contain the three elements Mn (manganese), Co (cobalt), and Ni (nickel). In a specific example, the sample may be a lithium-ion battery (LIB) containing Li(Mn 1/3 Co 1/3 Ni 1/3 )O 2 as the positive electrode material. The sample may also contain Fe (iron).

その場合、まず、含有元素の一つであるMnから発生した第1のピーク波長(「第1の波長範囲」とも称する)を持つ蛍光X線は、試料表面の第1の範囲140から発光した成分が、分光素子12の分光範囲173に到達してブラッグ反射し、光学パス116,118で示す範囲を通過して、ローランド円104上の焦点138に集光する。 In this case, first, fluorescent X-rays having a first peak wavelength (also referred to as the "first wavelength range") generated from Mn, one of the contained elements, emit from a first range 140 on the sample surface. The components reach the spectroscopic range 173 of the spectroscopic element 12 and are Bragg-reflected, pass through the ranges indicated by optical paths 116 and 118, and are focused at a focal point 138 on the Rowland circle 104.

ここで、第1の範囲140と分光範囲173を結んでできるローランド円上の仮想焦点を焦点128で示す。幾何学的には、焦点128から蛍光X線が出射し(光学パス125,127で示す範囲)、から光学パス116,118で示す範囲を通過して焦点138に集光しているものと考えることができる。 Here, the virtual focus on the Rowland circle formed by connecting the first range 140 and the spectral range 173 is indicated by focus 128. Geometrically, it can be considered that fluorescent X-rays are emitted from focus 128 (the range indicated by optical paths 125 and 127), pass through the range indicated by optical paths 116 and 118, and are then focused at focus 138.

また、Coから発生した第2のピーク波長(「第2の波長範囲」とも称する)を持つ蛍光X線は、試料表面の第2の範囲142から発光した成分が、分光素子12の分光範囲173に到達してブラッグ反射し、光学パス120,122で示す範囲を通過して、ローランド円上の焦点136が集光位置となる。 Furthermore, the fluorescent X-rays having a second peak wavelength (also referred to as the "second wavelength range") generated from Co emit components from a second range 142 on the sample surface, reach the spectroscopic range 173 of the spectroscopic element 12, undergo Bragg reflection, pass through the range indicated by optical paths 120 and 122, and are focused at the focus 136 on the Rowland circle.

ここで、第2の範囲142と分光範囲173を結んでできるローランド円上の仮想焦点を焦点130で示す。幾何学的には、焦点130から蛍光X線が出射し(光学パス121,123で示す範囲)、から光学パス120,122で示す範囲を通過して焦点136に集光しているものと考えることができる。 Here, the virtual focus on the Rowland circle formed by connecting the second range 142 and the spectral range 173 is indicated by focus 130. Geometrically, it can be considered that fluorescent X-rays are emitted from focus 130 (the range indicated by optical paths 121 and 123), pass through the range indicated by optical paths 120 and 122, and are then focused at focus 136.

さらに、Niから発生した第3のピーク波長(「第3の波長範囲」とも称する)を持つ蛍光X線は、試料表面の第3の範囲144から発光した成分が、分光素子12の分光範囲173に到達してブラッグ反射し、光学パス124,126で示す範囲を通過して、ローランド円上の焦点134に集光する。 Furthermore, the fluorescent X-rays having a third peak wavelength (also referred to as the "third wavelength range") generated from Ni, the components emitted from the third range 144 on the sample surface, reach the spectroscopic range 173 of the spectroscopic element 12, undergo Bragg reflection, pass through the ranges indicated by optical paths 124 and 126, and are focused at the focal point 134 on the Rowland circle.

ここで、第3の範囲144と分光範囲173を結んでできるローランド円上の仮想焦点を焦点132で示す。幾何学的には、焦点132から蛍光X線が出射し(光学パス117,119で示す範囲)、から光学パス124,126で示す範囲を通過して焦点134に集光しているものと考えることができる。 Here, the virtual focus on the Rowland circle formed by connecting the third range 144 and the spectral range 173 is indicated by focus 132. Geometrically, it can be considered that fluorescent X-rays are emitted from focus 132 (the range indicated by optical paths 117 and 119), pass through the range indicated by optical paths 124 and 126, and are then focused at focus 134.

このように、特性X線(蛍光X線)は、互いにピーク波長が異なる特性X線群(波長範囲が異なる複数の特性X線、この場合、Mn、Co、Niからそれぞれ発生する特性X線)を含んでいる。また、本実施形態においては、これら特性X線群を分光素子12の共通の分光範囲で分光するように、分光素子12と試料ホルダ108とが配設されている。 In this way, the characteristic X-rays (fluorescent X-rays) contain a group of characteristic X-rays (multiple characteristic X-rays with different wavelength ranges; in this case, characteristic X-rays generated by Mn, Co, and Ni) with different peak wavelengths. In this embodiment, the spectroscopic element 12 and sample holder 108 are arranged so that these characteristic X-ray groups are dispersed within the common spectroscopic range of the spectroscopic element 12.

具体的には、上記で説明したように、Mn、Co、Niのいずれから発生した特性X線も、共通の分光範囲である「分光範囲173」で分光する。そして、これらが分光範囲173で分光するように、分光素子12と試料ホルダ108とが配設されている。本実施の形態では、ローランド円104に沿った分光素子12の分光面の長さL1は、試料ホルダ108に照射される励起線の照射面のローランド円104の面内での長さL2より短くなるように、分光素子12と試料ホルダ108とが配設されている。 Specifically, as explained above, the characteristic X-rays generated from Mn, Co, and Ni are all dispersed in a common spectral range, "spectral range 173." The spectroscopic element 12 and sample holder 108 are arranged so that these are dispersed in spectral range 173. In this embodiment, the spectroscopic element 12 and sample holder 108 are arranged so that the length L1 of the spectroscopic surface of the spectroscopic element 12 along the Rowland circle 104 is shorter than the length L2 of the irradiation surface of the excitation light irradiated on the sample holder 108 within the plane of the Rowland circle 104.

特性X線群の分光範囲が共通でなくそれぞれ異なる場合、ローランド円104に沿った分光素子12の分光面の長さL1が長くなってしまう。分光素子12がヨハン型である場合、その曲率半径は2Rとなる。この場合、半径Rのローランド円104に対して分光素子12のサイズが大きいと、分光素子12周辺部ではローランド円104からのずれが大きくなり、その結果、光学収差による焦点ずれが生じる。これにより、検出器14の検出精度が低下してしまう。 If the spectral ranges of the characteristic X-ray groups are not common but different, the length L1 of the spectral surface of the spectral element 12 along the Rowland circle 104 will be long. If the spectral element 12 is a Johann type, its radius of curvature will be 2R. In this case, if the size of the spectral element 12 is large relative to the Rowland circle 104 of radius R, the deviation from the Rowland circle 104 will be large at the periphery of the spectral element 12, resulting in focus deviation due to optical aberration. This will reduce the detection accuracy of the detector 14.

また、特性X線群の分光範囲がそれぞれ完全に分離される構成である場合、結晶の欠陥があった場合は、検出器14へ入射する蛍光X線の位置ずれを起こし、これによりピークシフトが生ずる問題が生じる。このため、価数が正しく評価できない可能性がある。たとえば、国際公開第2018/053272号においては、複数のX線の分光範囲は、それぞれ171,173,175であり(図2)、完全に分離されている。 Furthermore, in a configuration in which the spectral ranges of the characteristic X-ray groups are completely separated from one another, if there is a defect in the crystal, the fluorescent X-rays incident on the detector 14 will be misaligned, resulting in a peak shift. This may result in incorrect evaluation of the valence. For example, in WO 2018/053272, the spectral ranges of the multiple X-rays are 171, 173, and 175, respectively (Figure 2), and are completely separated.

本実施の形態においては、特性X線群を共通の分光範囲173のみで分光させ、試料のサイズに対して分光素子12の分光範囲が小さくなるように構成した。これにより、湾曲形状の分光素子12の有効な分光範囲173をローランド円104の円周に接する領域近傍に限定することができるため、ローランド円104と分光素子12との曲率半径の違いによる特性X線の検出精度の低下を防止することができる。このようにして、検出器14において精度よく蛍光X線を検出することができる。 In this embodiment, the characteristic X-rays are dispersed only within the common spectral range 173, and the spectral range of the spectral element 12 is configured to be small relative to the size of the sample. This allows the effective spectral range 173 of the curved spectral element 12 to be limited to the vicinity of the area tangent to the circumference of the Rowland circle 104, preventing a decrease in the detection accuracy of characteristic X-rays due to differences in the radii of curvature between the Rowland circle 104 and the spectral element 12. In this way, fluorescent X-rays can be detected with high accuracy in the detector 14.

また、これにより、次のような3つの利点が考えられる。第1に、共通の分光範囲173で分光させることで、分光素子12をコンパクト化でき、これにより分光素子12の製造コストを下げることができる。第2に、分光素子12に欠陥があった場合、1元素の検査のみで欠陥を調査することができる。第3に、分光素子12の欠陥があった場合でも、分光範囲173が共通であるためピークシフトが生じない。 This also has the following three advantages. First, by dispersing light in a common spectral range 173, the spectral element 12 can be made more compact, thereby reducing the manufacturing cost of the spectral element 12. Second, if there is a defect in the spectral element 12, the defect can be investigated by inspecting only one element. Third, even if there is a defect in the spectral element 12, no peak shift occurs because the spectral range 173 is common.

図3は、湾曲形状の分光素子12の一例を示す図である。本実施の形態では、図3に示すように、分光素子12は、二重湾曲型の分光結晶である。 Figure 3 shows an example of a curved dispersing element 12. In this embodiment, as shown in Figure 3, the dispersing element 12 is a doubly curved dispersing crystal.

分光素子12は、湾曲面状に研磨された台座1020上に、分光結晶となる薄板1022を貼り付けて作製されている。台座の材料はSUSなどの金属や低膨張ガラスを用いる。分光結晶の材料は、Si、Ge、LiF、水晶などの単結晶が好適である。 The spectroscopic element 12 is made by attaching a thin plate 1022, which serves as the spectroscopic crystal, to a base 1020 that has been polished to a curved surface. The base is made of a metal such as SUS or low-expansion glass. Suitable materials for the spectroscopic crystal include single crystals such as Si, Ge, LiF, and quartz.

図1、図2において説明した長さL1は、ローランド円104に沿った分光素子12の分光面の長さである。図3におけるx方向は、ローランド円104に沿った方向であり、以下「分光方向」とも称する。y方向は、x方向と垂直の分光素子12に沿った方向であり、以下「集光方向」とも称する。 The length L1 described in Figures 1 and 2 is the length of the spectroscopic surface of the spectroscopic element 12 along the Rowland circle 104. The x direction in Figure 3 is the direction along the Rowland circle 104 and is hereinafter also referred to as the "spectroscopic direction." The y direction is the direction along the spectroscopic element 12 that is perpendicular to the x direction and is hereinafter also referred to as the "light-collecting direction."

分光素子12のサイズは分光方向にWx、集光方向にWyである。図1,図2で示した例において、Wx=L1である。また、Wy=L1×6である。ただし、この値に限定されるものではない。 The size of the spectroscopic element 12 is Wx in the spectroscopic direction and Wy in the focusing direction. In the example shown in Figures 1 and 2, Wx = L1. Also, Wy = L1 x 6. However, this is not limited to these values.

分光素子12の凹面は、分光方向(x方向)に半径Rx、集光方向(y方向)に半径Ryの曲率を持っている。最適な曲率を与える厳密解は、ローランド円の半径をRとすると、Rx=2R,Ry=2R×sinθで表される。ここで、θは、分光結晶(分光素子12)の格子間隔と入射X線の波長で決まるブラッグ反射角度である。 The concave surface of the dispersing element 12 has a curvature of radius Rx in the dispersing direction (x direction) and radius Ry in the focusing direction (y direction). The exact solution that gives the optimal curvature is expressed as Rx = 2R and Ry = 2R × sin 2 θB , where R is the radius of the Rowland circle. Here, θB is the Bragg reflection angle determined by the lattice spacing of the dispersing crystal (dispersing element 12) and the wavelength of the incident X-rays.

検出器14としては、Siのストリップ検出器(SSD:Si Strip Detector)を用いる。SSDの一例として、Dectris社(スイス)製の一次元の半導体アレイ検出器Mythen2を用いることができる。Mythen2は、その一画素のサイズが50μm(x方向;ローランド円104に沿った方向)×8mm(y方向:x方向と垂直の検出器に沿った方向)で、x方向に1280画素(チャンネル)を集積している。トータルの視野サイズは、64mm(x方向)×8mm(y方向)となる。 A silicon strip detector (SSD) is used as the detector 14. One example of an SSD is the Mythen2, a one-dimensional semiconductor array detector manufactured by Dectris (Switzerland). Mythen2 has a pixel size of 50 μm (x direction; direction along the Rowland circle 104) x 8 mm (y direction; direction along the detector perpendicular to the x direction), and integrates 1,280 pixels (channels) in the x direction. The total field of view size is 64 mm (x direction) x 8 mm (y direction).

[CoのKα1線の投影像のシミュレーション結果]
図4A,図4Bは、検出器14の受光面から見たCoのKα1線の投影像のシミュレーション結果を示す図である。
[Simulation results of Co Kα1 line projection image]
4A and 4B are diagrams showing the simulation results of a projected image of the Co Kα1 ray as viewed from the light receiving surface of the detector 14. FIG.

ここでは、試料ホルダ108に照射される励起線の照射面108aのローランド円104に沿った方向をx方向、x方向と垂直の照射面108aに沿った方向をy方向とする。図1の例で説明したL2は、試料ホルダ108における照射面108aのx方向の長さである。また、照射面108aのy方向の長さもL2であるとする。 Here, the direction along the Rowland circle 104 of the irradiation surface 108a of the excitation beam irradiated onto the sample holder 108 is defined as the x direction, and the direction along the irradiation surface 108a perpendicular to the x direction is defined as the y direction. L2, as described in the example of Figure 1, is the length of the irradiation surface 108a of the sample holder 108 in the x direction. The length of the irradiation surface 108a in the y direction is also defined as L2.

図4A,図4Bでは、L2(x方向)×L2(y方向)の大きさを持つ試料の照射面(図1での照射面108a)からCoKα1線(6.9303keV)が一様に発光したと仮定した場合、その光線が検出器の検出面にどの様な投影像を結ぶかを、モンテカルロ・シミュレーション(レイトレーシング)にて計算した結果を示している。分光結晶(分光素子12)はGe(220)の単結晶を仮定している。 Figures 4A and 4B show the results of Monte Carlo simulation (ray tracing) calculations of the image that the CoKα1 line (6.9303 keV) projects onto the detection surface of the detector, assuming that CoKα1 radiation (6.9303 keV) is emitted uniformly from the irradiation surface (irradiation surface 108a in Figure 1) of a sample measuring L2 (x direction) x L2 (y direction). The dispersing crystal (dispersing element 12) is assumed to be a Ge(220) single crystal.

図4Aは、分光素子12のサイズが、Wx=L1,Wy=L1×6である場合のシミュレーション結果であり、図4Bは、分光素子12のサイズが、Wx=L1×6,Wy=L1×6である場合のシミュレーション結果である。本実施の形態においては、L2=L1×4であるとする。 Figure 4A shows the simulation results when the size of the spectroscopic element 12 is Wx = L1, Wy = L1 x 6, and Figure 4B shows the simulation results when the size of the spectroscopic element 12 is Wx = L1 x 6, Wy = L1 x 6. In this embodiment, L2 = L1 x 4.

図4Bの場合は、検出器14の検出面においてx方向に収差による尾引きが見られる。その一方で、図4Aの場合は、このような尾引きが見られず、良好な分光特性が得られることが分かる。 In the case of Figure 4B, aberration tailing is observed in the x direction on the detection surface of the detector 14. On the other hand, in the case of Figure 4A, no such tailing is observed, and it can be seen that good spectral characteristics are obtained.

このように、分光素子12のx方向のサイズがWx=L1×6である場合(図4Bの例)よりも、分光素子12のx方向のサイズが1/6であるWx=L1である場合(図4B)の例)の方が良好な分光特性が得られた。 As such, better spectral characteristics were obtained when the x-direction size of the spectroscopic element 12 was 1/6, that is, Wx = L1 (example of Figure 4B), than when the x-direction size of the spectroscopic element 12 was Wx = L1 × 6 (example of Figure 4B).

シミュレーション結果からは、試料ホルダ108における照射面108aのx方向の長さL2の少なくとも1/2以下、好ましくは1/4以下に分光素子12のサイズWx(=L1=L2/4)を絞ることで、良好な検出特性が得られた。 The simulation results showed that good detection characteristics were obtained by narrowing the size Wx (= L1 = L2/4) of the spectroscopic element 12 to at least 1/2 or less, and preferably 1/4 or less, of the length L2 in the x-direction of the irradiation surface 108a of the sample holder 108.

図1,図2で説明した本実施の形態においても、L1(ローランド円104に沿った分光素子12の分光面のうち分光範囲における分光面の長さ)は、L2(照射面のローランド円104の面内での長さ)の1/2以下となるように設計している。 In the present embodiment described with reference to Figures 1 and 2, L1 (the length of the spectral surface of the spectral element 12 in the spectral range along the Rowland circle 104) is also designed to be 1/2 or less of L2 (the length of the irradiation surface within the plane of the Rowland circle 104).

検出器14で検出された含有元素の蛍光X線波形は、ソフトウエアによるデータ処理によって、そのピーク中心エネルギー、半値幅、ピーク高さが計算され、そのいずれかの値が試料の物理特性と関連付けられる。例えば、ピーク中心エネルギーは、含有元素の価電子状態と相関があり、ピーク中心エネルギーの微小な変化から、試料の価数の変化を知ることができる。詳細は、以下の文献Aに詳しい。 The fluorescent X-ray waveform of the contained elements detected by the detector 14 is processed by software to calculate its peak center energy, half-width, and peak height, any one of which values is associated with the physical properties of the sample. For example, the peak center energy is correlated with the valence electron state of the contained elements, and minute changes in the peak center energy can indicate changes in the valence state of the sample. For more details, see Reference A below.

[文献A]K. Sato, T. Yoneda, T. Izumi, T. Omori, S. Tokuda, S. Adachi, M. Kobayashi, T. Mukai, H. Tanaka and M. Yanagida, Analytical Chemistry, Vol. 92(1), pp. 758-765, 2020.
なお、Mn、Co、Niの蛍光X線であるKα線は、Kα1線とKα2線の二本から構成されている。Mnのエネルギーは、Kα1線が5898.7eVでありKα2が5887.6eVである。Coのエネルギーは、Kα1線が6930.3eVでありKα2が6915.3eVである。Niのエネルギーは、Kα1線が7478.1eVでありKα2が7460.9eVである。
[Reference A] K. Sato, T. Yoneda, T. Izumi, T. Omori, S. Tokuda, S. Adachi, M. Kobayashi, T. Mukai, H. Tanaka and M. Yanagida, Analytical Chemistry, Vol. 92(1), pp. 758-765, 2020.
The Kα rays, which are fluorescent X-rays of Mn, Co, and Ni, are composed of two rays, Kα1 and Kα2. The energy of Mn is 5898.7 eV for the Kα1 ray and 5887.6 eV for the Kα2 ray. The energy of Co is 6930.3 eV for the Kα1 ray and 6915.3 eV for the Kα2 ray. The energy of Ni is 7478.1 eV for the Kα1 ray and 7460.9 eV for the Kα2 ray.

一般に、Kα1線とKα2線は、量子力学的なゆらぎと検出システムのノイズの影響で、測定される波形はある有限の幅を持つピークとなり、その裾野は一部重なって検出される。そのため、カーブフィッティングにより、それぞれをピーク分離することが好ましく、そのためには、両線を含む所定のエネルギー範囲(波長範囲)のデータを連続的に取得することが必要となる。 Generally, due to quantum mechanical fluctuations and noise in the detection system, the measured waveforms of Kα1 and Kα2 lines are peaks with a finite width, and the bases of these peaks are detected as partially overlapping. For this reason, it is preferable to separate the peaks using curve fitting, which requires continuous acquisition of data over a specified energy range (wavelength range) that includes both lines.

波形解析に好適なエネルギー範囲(波長範囲)としては,Kα1線とKα2線のエネルギー差の少なくとも2倍以上、好ましくは3倍以上が一つの目安となる。本実施の形態においてはKα線の信号を取得するようにしているが、これに限らず、Kβ線の信号を取得するように構成してもよい。その場合は、Kα1線をKβ1,3線に、Kα2線をKβ’線に置き換えて好適なエネルギー範囲(波長範囲)を計算することができる。 A good guideline for the energy range (wavelength range) suitable for waveform analysis is at least twice, and preferably three times, the difference in energy between the Kα1 and Kα2 lines. In this embodiment, the signal from the Kα line is acquired, but this is not limiting; it may also be configured to acquire a signal from the Kβ line. In that case, the suitable energy range (wavelength range) can be calculated by replacing the Kα1 line with the Kβ1,3 line and the Kα2 line with the Kβ' line.

図5A~図5Cは、検出器14の検出結果に基づく分析結果を示す図である。図5AはFe、図5BはCo、図5CはNiのそれぞれに関する結果である。図5Aに示すように、検出器14のx方向の所定の位置に、FeのKα1およびKα2のそれぞれのスペクトルピークが好適に検出されている。CoおよびNiについても同様に、Kα1およびKα2のそれぞれのスペクトルピークが好適に検出されている。 Figures 5A to 5C show analysis results based on the detection results of detector 14. Figure 5A shows the results for Fe, Figure 5B shows the results for Co, and Figure 5C shows the results for Ni. As shown in Figure 5A, the Kα1 and Kα2 spectral peaks of Fe are clearly detected at a predetermined position in the x-direction of detector 14. Similarly, the Kα1 and Kα2 spectral peaks of Co and Ni are clearly detected.

[変形例]
以下、本実施の形態における変形例について説明する。
[Modification]
Modifications of this embodiment will be described below.

<変形例1>
本実施の形態においては、図2で示したように、共通の分光範囲である分光範囲173は、ローランド円104に沿った分光素子12の分光面の長さ(L1)によって画定されるように構成されている。
<Modification 1>
In this embodiment, as shown in FIG. 2, the common spectral range 173 is configured to be defined by the length (L1) of the spectral surface of the spectral element 12 along the Rowland circle 104.

しかし、これに限らず、コリメーター(コリメーター180~183)を備え、コリメーターが共通の分光範囲を画定する(定める)るようにしてもよい。コリメーターは、試料ホルダ108から分光素子12を経由して検出器14に到達するまでの特性X線群の経路上に配設されるようにする。 However, this is not a limitation, and collimators (collimators 180-183) may be provided to define (set) a common spectroscopic range. The collimators are arranged on the path of the characteristic X-rays from the sample holder 108, through the spectroscopic element 12, to the detector 14.

図6A,図6Bは、コリメーター(コリメーター180,183)の例を示す図である。図6Aは、単開口型のコリメーター180を示す図であり、図6Bは、複数開口型のコリメーター183を示す図である。 Figures 6A and 6B are diagrams showing examples of collimators (collimators 180, 183). Figure 6A shows a single-aperture collimator 180, and Figure 6B shows a multiple-aperture collimator 183.

単開口型のコリメーター180は、図6Aに示すように、1つの開口部181aを有する。これに対して、複数開口型のコリメーター183は、図6Bに示すように、3つの開口部(開口部184a~184c)を有する。 The single-aperture collimator 180 has one aperture 181a, as shown in Figure 6A. In contrast, the multiple-aperture collimator 183 has three apertures (apertures 184a to 184c), as shown in Figure 6B.

図7は、変形例1に係るX線分光分析装置10aとローランド円104との関係を示す図である。X線分光分析装置10aの構成は、さらにコリメーター180が配設されている以外は、基本的にはX線分光分析装置10と同じであるので、詳細な説明は省略する。 Figure 7 is a diagram showing the relationship between the X-ray spectrometer 10a according to Variation 1 and the Rowland circle 104. The configuration of the X-ray spectrometer 10a is basically the same as that of the X-ray spectrometer 10, except that a collimator 180 is further provided, so a detailed description will be omitted.

図7に示すように、コリメーター180は、試料ホルダ108から分光素子12を経由して検出器14に到達するまでの特性X線群の経路上に配設されている。具体的には、分光素子12の近傍に配設されることで、共通の分光範囲173がコリメーター180の開口部181aによって狭められ、これにより分光範囲が画定される。 As shown in Figure 7, the collimator 180 is disposed on the path of the characteristic X-rays from the sample holder 108 through the spectroscopic element 12 to the detector 14. Specifically, by being disposed near the spectroscopic element 12, the common spectroscopic range 173 is narrowed by the opening 181a of the collimator 180, thereby defining the spectroscopic range.

つまり、分光素子12のサイズに依存することなく、コリメーター180の開口部181aのサイズに依存して共通の分光範囲173が画定されることになる。 In other words, the common spectral range 173 is defined depending on the size of the opening 181a of the collimator 180, regardless of the size of the spectral element 12.

分光素子12の端部に信号となるX線が当たると、意図せぬ散乱線が発生することがある。このため、上記のようにコリメーター180を配設することで、意図せぬ散乱線の発生を防止することができる。 When signal X-rays hit the edge of the spectroscopic element 12, unintended scattered rays may be generated. Therefore, by providing the collimator 180 as described above, the generation of unintended scattered rays can be prevented.

<変形例2>
図8は、変形例2に係るX線分光分析装置10bとローランド円104との関係を示す図である。X線分光分析装置10bの構成は、さらにコリメーター181,182が配設されている以外は、基本的にはX線分光分析装置10と同じであるので、詳細な説明は省略する。コリメーター181,182は、コリメーター180と同じく単開口型のコリメーターである。
<Modification 2>
8 is a diagram showing the relationship between an X-ray spectrometer 10b according to Modification 2 and the Rowland circle 104. The configuration of the X-ray spectrometer 10b is basically the same as that of the X-ray spectrometer 10, except that collimators 181 and 182 are further provided, and therefore a detailed description thereof will be omitted. The collimators 181 and 182 are single-aperture collimators, like the collimator 180.

図8に示すように、コリメーター181,182は、試料ホルダ108から分光素子12を経由して検出器14に到達するまでの特性X線群の経路上に配設されている。具体的には、コリメーター181は、試料ホルダ108から分光素子12までの特性X線群の経路上に配設され、コリメーター182は、分光素子12から検出器14に到達するまでの特性X線群の経路上に配設され、これにより、共通の分光範囲173が画定される。 As shown in FIG. 8 , collimators 181 and 182 are arranged on the path of the characteristic X-ray group from the sample holder 108 to the detector 14 via the spectroscopic element 12. Specifically, collimator 181 is arranged on the path of the characteristic X-ray group from the sample holder 108 to the spectroscopic element 12, and collimator 182 is arranged on the path of the characteristic X-ray group from the spectroscopic element 12 to the detector 14, thereby defining a common spectroscopic range 173.

<変形例3>
図9は、変形例3に係るX線分光分析装置10cとローランド円104との関係を示す図である。X線分光分析装置10cの構成は、さらにコリメーター180,183が配設されている以外は、基本的にはX線分光分析装置10と同じであるので、詳細な説明は省略する。
<Modification 3>
9 is a diagram showing the relationship between an X-ray spectrometer 10c according to Modification 3 and the Rowland circle 104. The configuration of the X-ray spectrometer 10c is basically the same as that of the X-ray spectrometer 10, except that collimators 180 and 183 are further provided, and therefore a detailed description thereof will be omitted.

図9に示すように、コリメーター180,183は、試料ホルダ108から分光素子12を経由して検出器14に到達するまでの特性X線群の経路上に配設されている。具体的には、コリメーター180を分光素子12の近傍に配設し、コリメーター183を試料ホルダ108の近傍に配設している。 As shown in Figure 9, collimators 180 and 183 are arranged on the path of the characteristic X-rays from the sample holder 108 through the spectroscopic element 12 to the detector 14. Specifically, collimator 180 is arranged near the spectroscopic element 12, and collimator 183 is arranged near the sample holder 108.

Mnから発生した蛍光X線はコリメーター183の開口部184aを通過し(光学パス125,127で示す範囲)、Coから発生した蛍光X線はコリメーター183の開口部184bを通過し(光学パス121,123で示す範囲)、Niから発生した蛍光X線はがコリメーター183の開口部184cを通過する(光学パス117,119で示す範囲)。さらに、共通の分光範囲173がコリメーター180の開口部181aによって狭められ、分光範囲が画定される。 Fluorescent X-rays generated from Mn pass through opening 184a of collimator 183 (range indicated by optical paths 125 and 127), fluorescent X-rays generated from Co pass through opening 184b of collimator 183 (range indicated by optical paths 121 and 123), and fluorescent X-rays generated from Ni pass through opening 184c of collimator 183 (range indicated by optical paths 117 and 119). Furthermore, the common spectral range 173 is narrowed by opening 181a of collimator 180, defining the spectral range.

このように、コリメーターは、各波長範囲の光線を単独に通過させるもの(コリメーター183)であってもよい。注目する波長範囲以外のX線を遮断することにより、散乱線によるSN比の低下を回避することができる。 In this way, the collimator may be one that passes light rays of each wavelength range separately (collimator 183). By blocking X-rays outside the wavelength range of interest, it is possible to avoid a decrease in the signal-to-noise ratio due to scattered rays.

<変形例4>
図10は、変形例4に係る試料ホルダ109および回転機構110を示す図である。本実施の形態においては、X線分光分析装置10は、回転機構110を備える。演算部15は、回転機構110を制御して、試料ホルダ108を回転させることが可能である。
<Modification 4>
10 is a diagram showing a sample holder 109 and a rotation mechanism 110 according to Modification 4. In this embodiment, the X-ray spectrometer 10 includes the rotation mechanism 110. The calculation unit 15 can control the rotation mechanism 110 to rotate the sample holder 108.

この場合において、試料ホルダ108および照射面108aは矩形状ものとして構成した。しかし、これに限らず、円形状の試料ホルダ109および照射面109aを回転させる回転機構110を備えるようにしてもよい。照射面109aの径はL2である。 In this case, the sample holder 108 and the irradiation surface 108a are configured to be rectangular. However, this is not limited to this, and a rotation mechanism 110 for rotating the circular sample holder 109 and the irradiation surface 109a may also be provided. The diameter of the irradiation surface 109a is L2.

試料ホルダ109内の試料は、欠陥や偏在により必ずしも均一な状態で保持されていない。このように試料が不均一な状態であると、検出器14の検出結果に基づき算出されるピーク強度が変化してしまう。上記のように、試料を保持する試料ホルダ108を回転させることで、ピーク強度の変化を回避することができ、分析結果において高い再現性を期待することができる。なお、X線分光分析装置10は、回転機構110を備えないものであってもよい。 The sample in the sample holder 109 is not necessarily held in a uniform state due to defects or uneven distribution. If the sample is in such a non-uniform state, the peak intensity calculated based on the detection results of the detector 14 will change. As described above, by rotating the sample holder 108 that holds the sample, changes in peak intensity can be avoided, and high reproducibility in the analysis results can be expected. Note that the X-ray spectrometer 10 does not necessarily have to be equipped with a rotation mechanism 110.

<その他の変形例>
分光素子12は、Si、Ge、LiF、水晶などの単結晶であってもよいし、2keV以下の軟X線に対しては人工累積多層膜を用いてもよい。また、湾曲結晶と同等の効果を有する回折格子を用いるものであってもよい。分光素子12の湾曲形状は、ヨハン型であってもよいし、ヨハンソン型であってもよい。
<Other Modifications>
The spectroscopic element 12 may be a single crystal such as Si, Ge, LiF, or quartz, or may be an artificially deposited multilayer film for soft X-rays of 2 keV or less. Alternatively, a diffraction grating having the same effect as a curved crystal may be used. The curved shape of the spectroscopic element 12 may be a Johann type or a Johansson type.

分光素子12の湾曲形状は、球面であってもよいし、トロイダル面であってもよい。また、楕円面や放物面など、中央部が球面に近ければ、その他の形状であってもよい。分光方向(x方向)と集光方向(y方向)の曲率は、上述のように、Rx=2R,Ry=2R×sinθにて決められることが好ましいが、厳密に一致していなくてもよい。特に集光方向については、製造の容易さを考慮して分光方向と同じ曲率としてもよい。 The curved shape of the light-splitting element 12 may be a spherical surface or a toroidal surface. Furthermore, other shapes, such as an ellipsoid or a paraboloid, may be used as long as the central portion is close to a sphere. The curvatures of the light-splitting direction (x direction) and the light-collecting direction (y direction) are preferably determined by Rx = 2R and Ry = 2R × sin 2 θ B , as described above, but they do not have to be strictly the same. In particular, the light-collecting direction may have the same curvature as the light-splitting direction, taking ease of manufacture into consideration.

励起線はX線であってもよいし、電子線や中性子線、陽子線であってもよい。また、位置敏感型の検出器14は、二次元検出器であるCCDやCMOSカメラであってもよい。 The excitation beam may be an X-ray, an electron beam, a neutron beam, or a proton beam. The position-sensitive detector 14 may also be a two-dimensional detector such as a CCD or CMOS camera.

[態様]
上述した例示的な実施の形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。
[Aspects]
It will be appreciated by those skilled in the art that the exemplary embodiments described above are examples of the following aspects.

(第1項)一態様に係るX線分光分析装置は、励起源と、湾曲形状の分光素子と、位置敏感型の検出器と、演算部とを備える。励起源は、試料ホルダに保持される試料に励起線を照射して、互いにピーク波長が異なる特性X線群を発生させる。湾曲形状の分光素子は、特性X線群を分光する。位置敏感型の検出器は、分光素子が分光した特性X線群の少なくとも一部を検出する。演算部は、検出器の検出結果に基づいて試料中に含まれる元素の分析を行う。分光素子および検出器は、一つのローランド円の円周に沿って配設される。ローランド円に沿った分光素子の分光面の長さは、試料ホルダに照射される励起線の照射面のローランド円の面内での長さより短い。特性X線群を分光素子の共通の分光範囲で分光するように、分光素子と試料ホルダとが配設されている。 (Item 1) An X-ray spectroscopic analysis device according to one embodiment includes an excitation source, a curved dispersing element, a position-sensitive detector, and a calculation unit. The excitation source irradiates an excitation beam onto a sample held in a sample holder, generating a group of characteristic X-rays with different peak wavelengths. The curved dispersing element disperses the group of characteristic X-rays. The position-sensitive detector detects at least a portion of the group of characteristic X-rays dispersed by the dispersing element. The calculation unit analyzes the elements contained in the sample based on the detection results of the detector. The dispersing element and detector are arranged along the circumference of a single Rowland circle. The length of the dispersing surface of the dispersing element along the Rowland circle is shorter than the length of the irradiation surface of the excitation beam irradiated onto the sample holder within the plane of the Rowland circle. The dispersing element and sample holder are arranged so that the group of characteristic X-rays is dispersed within the common spectroscopic range of the dispersing element.

第1項に記載のX線分光分析装置によれば、湾曲形状の分光素子の有効な分光範囲をローランド円の円周に接する領域近傍に限定することができるため、ローランド円と分光素子との曲率半径の違いによる特性X線の検出精度の低下を防止することができる。これにより、検出器において精度よく蛍光X線を検出することができる。 The X-ray spectroscopic analysis device described in paragraph 1 can limit the effective spectroscopic range of the curved dispersing element to the vicinity of the area tangent to the circumference of the Rowland circle, preventing a decrease in the detection accuracy of characteristic X-rays due to differences in the radii of curvature between the Rowland circle and the dispersing element. This allows the detector to detect fluorescent X-rays with high accuracy.

(第2項)第2項に記載のX線分光分析装置では、検出器は、その表面がローランド円と2点で交差するように配置されている。 (Item 2) In the X-ray spectrometer described in item 2, the detector is positioned so that its surface intersects the Rowland circle at two points.

第2項に記載のX線分光分析装置によれば、異なるエネルギーのX線を高分解能で検出することができる。 The X-ray spectrometer described in paragraph 2 can detect X-rays of different energies with high resolution.

(第3項)第1項に記載のX線分光分析装置では、共通の分光範囲を画定するコリメーターをさらに備える。コリメーターは、試料ホルダから分光素子を経由して検出器に到達するまでの特性X線群の経路上に配設されている。 (Item 3) The X-ray spectrometer described in Item 1 further includes a collimator that defines a common spectroscopic range. The collimator is disposed on the path of the characteristic X-rays from the sample holder through the spectroscopic element to the detector.

第3項に記載のX線分光分析装置によれば、分光素子の端部からの意図せぬ散乱線の発生を防止することができる。 The X-ray spectroscopic analysis device described in paragraph 3 can prevent unintended scattered radiation from the edge of the spectroscopic element.

(第4項)第1項または第2項に記載のX線分光分析装置では、コリメーターは、特性X線群のそれぞれに対応して複数の開口部を有する。 (4) In the X-ray spectrometer described in paragraph 1 or 2, the collimator has multiple openings corresponding to each of the characteristic X-ray groups.

第4項に記載のX線分光分析装置によれば、注目するピーク波長(波長範囲)以外の特性X線を遮断することにより、散乱線によるSN比の低下を回避することができる。 The X-ray spectrometer described in paragraph 4 can avoid a decrease in the signal-to-noise ratio due to scattered rays by blocking characteristic X-rays outside the peak wavelength (wavelength range) of interest.

(第5項)第1項~第4項のいずれか1項に記載のX線分光分析装置では、ローランド円の円周に沿った分光素子の分光面のうち分光範囲における分光面の長さは、照射面のローランド円の面内での長さの1/2以下である。 (Item 5) In the X-ray spectroscopic analysis device described in any one of Items 1 to 4, the length of the spectroscopic surface of the spectroscopic element along the circumference of the Rowland circle in the spectroscopic range is equal to or less than half the length of the irradiation surface within the plane of the Rowland circle.

第5項に記載のX線分光分析装置によれば、湾曲形状の分光素子の有効な分光範囲をローランド円の円周に接する領域近傍に限定することができるため、ローランド円と分光素子との曲率半径の違いによる特性X線の検出精度の低下を防止することができる。これにより、検出器において精度よく蛍光X線を検出することができる。 The X-ray spectroscopic analysis device described in paragraph 5 can limit the effective spectral range of the curved dispersing element to the area tangent to the circumference of the Rowland circle, preventing a decrease in the detection accuracy of characteristic X-rays due to differences in the radii of curvature between the Rowland circle and the dispersing element. This allows the detector to detect fluorescent X-rays with high accuracy.

(第6項)第1項~第5項に記載のX線分光分析装置では、検出器は、一次元検出器である。 (Item 6) In the X-ray spectrometer described in items 1 to 5, the detector is a one-dimensional detector.

第6項に記載のX線分光分析装置によれば、装置の低コスト化が期待できる。また、二次元検出器のような2次元データを1次元に再構成する手間が不要となる。 The X-ray spectroscopic analysis device described in paragraph 6 is expected to reduce the cost of the device. It also eliminates the need to reconstruct two-dimensional data into one dimension, as is required with two-dimensional detectors.

(第7項)第1項~第6項のいずれか1項に記載のX線分光分析装置では、試料ホルダを回転させる回転機構をさらに備える。 (Item 7) The X-ray spectrometer described in any one of Items 1 to 6 further includes a rotation mechanism for rotating the sample holder.

第7項に記載の分析X線分光分析装置によれば、ピーク強度の変化を回避することができ、分析結果の高い再現性を期待することができる。 The analytical X-ray spectrometer described in paragraph 7 can avoid changes in peak intensity, allowing for high reproducibility of analysis results.

第8項に記載の元素分析方法によれば、試料ホルダに保持される試料に励起線を照射して、互いにピーク波長が異なる特性X線群を発生させるステップと、発生した特性X線群を湾曲形状の分光素子に入射させ、入射した特性X線群を分光素子が分光させ、分光した特性X線群の少なくとも一部を位置敏感型の検出器に検出させるステップと、検出器の検出結果に基づいて試料中に含まれる元素の分析を行うステップとを含み、分光素子および検出器は、一つのローランド円の円周に沿って配設され、ローランド円に沿った分光素子の分光面の長さは、試料ホルダに照射される励起線の照射面のローランド円の面内での長さより短く、特性X線群を分光素子の共通の分光範囲で分光するように、分光素子と試料ホルダとが配設されている。 The elemental analysis method described in paragraph 8 includes the steps of irradiating an excitation ray onto a sample held in a sample holder to generate a group of characteristic X-rays having different peak wavelengths; directing the generated group of characteristic X-rays into a curved spectroscopic element, which disperses the incident group of characteristic X-rays, and having a position-sensitive detector detect at least a portion of the dispersed group of characteristic X-rays; and analyzing the elements contained in the sample based on the detection results of the detector, wherein the spectroscopic element and detector are arranged along the circumference of a single Rowland circle, the length of the spectroscopic surface of the spectroscopic element along the Rowland circle is shorter than the length of the irradiation surface of the excitation ray irradiated onto the sample holder within the plane of the Rowland circle, and the spectroscopic element and sample holder are arranged so that the group of characteristic X-rays is dispersed within the common spectroscopic range of the spectroscopic element.

第8項に記載の元素分析方法によれば、湾曲形状の分光素子の有効な分光範囲をローランド円の円周に接する領域近傍に限定することができるため、ローランド円と分光素子との曲率半径の違いによる特性X線の検出精度の低下を防止することができる。これにより、検出器において精度よく蛍光X線を検出することができる。 The elemental analysis method described in paragraph 8 allows the effective spectral range of the curved dispersing element to be limited to the vicinity of the area tangent to the circumference of the Rowland circle, preventing a decrease in the detection accuracy of characteristic X-rays due to differences in the radii of curvature between the Rowland circle and the dispersing element. This allows the detector to detect fluorescent X-rays with high accuracy.

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiments disclosed herein should be considered in all respects to be illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the claims, not the above description, and is intended to include all modifications that are equivalent in meaning to and within the scope of the claims.

10,10a,10b,10c X線分光分析装置、11 X線管、12 分光素子、14 検出器、15 演算部、104 ローランド円、108,109 試料ホルダ、108a,109a 照射面、110 回転機構、116~127 光学パス、128,130,132,134,136,138 焦点、140 第1の範囲、142 第2の範囲、144 第3の範囲、173 分光範囲、180~183 コリメーター、181a,184a~184c 開口部、1020 台座、1022 薄板。 10, 10a, 10b, 10c X-ray spectroscopic analysis device, 11 X-ray tube, 12 spectroscopic element, 14 detector, 15 calculation unit, 104 Rowland circle, 108, 109 sample holder, 108a, 109a irradiation surface, 110 rotation mechanism, 116-127 optical path, 128, 130, 132, 134, 136, 138 focus, 140 first range, 142 second range, 144 third range, 173 spectroscopic range, 180-183 collimator, 181a, 184a-184c opening, 1020 base, 1022 thin plate.

Claims (8)

試料ホルダに保持される試料に励起線を照射して、互いにピーク波長が異なる特性X線群を発生させる励起源と、
前記特性X線群を分光する湾曲形状の分光素子と、
前記分光素子が分光した前記特性X線群の少なくとも一部を検出する位置敏感型の検出器と、
前記検出器の検出結果に基づいて前記試料中に含まれる元素の分析を行う演算部とを備え、
前記分光素子および前記検出器は、一つのローランド円の円周に沿って配設され、
前記ローランド円に沿った前記分光素子の分光面の長さは、前記試料ホルダに照射される前記励起線の照射面の前記ローランド円の面内での長さより短く、
前記特性X線群を前記分光素子の共通の分光範囲で分光するように、前記分光素子と前記試料ホルダとが配設されている、X線分光分析装置。
an excitation source that irradiates an excitation beam onto a sample held in a sample holder to generate a group of characteristic X-rays having different peak wavelengths;
a curved spectroscopic element that disperses the characteristic X-rays;
a position-sensitive detector that detects at least a part of the characteristic X-ray group dispersed by the spectroscopic element;
a calculation unit that analyzes elements contained in the sample based on the detection results of the detector,
the spectroscopic element and the detector are arranged along the circumference of one Rowland circle,
a length of the spectroscopic surface of the spectroscopic element along the Rowland circle is shorter than a length of an irradiation surface of the excitation beam irradiated onto the sample holder within the plane of the Rowland circle;
an X-ray spectroscopic analysis device, wherein the spectroscopic element and the sample holder are arranged so as to disperse the characteristic X-rays in a common spectroscopic range of the spectroscopic element;
前記検出器は、その表面が前記ローランド円と2点で交差するように配置されている、請求項1に記載のX線分光分析装置。 The X-ray spectrometer according to claim 1, wherein the detector is positioned so that its surface intersects the Rowland circle at two points. 前記共通の分光範囲を画定するコリメーターをさらに備え、
前記コリメーターは、前記試料ホルダから前記分光素子を経由して前記検出器に到達するまでの前記特性X線群の経路上に配設されている、請求項1または請求項2に記載のX線分光分析装置。
a collimator defining the common spectral range;
3. The X-ray spectrometer according to claim 1, wherein the collimator is disposed on a path of the characteristic X-rays from the sample holder through the spectroscopic element to the detector.
前記コリメーターは、前記特性X線群のそれぞれに対応して複数の開口部を有する、請求項3に記載のX線分光分析装置。 The X-ray spectrometer according to claim 3, wherein the collimator has multiple openings corresponding to each of the characteristic X-ray groups. 前記ローランド円の円周に沿った前記分光素子の分光面のうち前記分光範囲における分光面の長さは、前記照射面の前記ローランド円の面内での長さの1/2以下である、請求項1~請求項4のいずれか1項に記載のX線分光分析装置。 An X-ray spectroscopic analysis device according to any one of claims 1 to 4, wherein the length of the spectroscopic surface of the spectroscopic element along the circumference of the Rowland circle in the spectroscopic range is equal to or less than half the length of the irradiation surface within the plane of the Rowland circle. 前記検出器は、一次元検出器である、請求項1~請求項5のいずれか1項に記載のX線分光分析装置。 An X-ray spectrometer according to any one of claims 1 to 5, wherein the detector is a one-dimensional detector. 前記試料ホルダを回転させる回転機構をさらに備える、請求項1~請求項6のいずれか1項に記載のX線分光分析装置。 The X-ray spectrometer according to any one of claims 1 to 6, further comprising a rotation mechanism for rotating the sample holder. 元素分析方法であって、
試料ホルダに保持される試料に励起線を照射して、互いにピーク波長が異なる特性X線群を発生させるステップと、
発生した前記特性X線群を湾曲形状の分光素子に入射させ、入射した前記特性X線群を前記分光素子が分光させ、分光した前記特性X線群の少なくとも一部を位置敏感型の検出器に検出させるステップと、
前記検出器の検出結果に基づいて前記試料中に含まれる元素の分析を行うステップとを含み、
前記分光素子および前記検出器は、一つのローランド円の円周に沿って配設され、
前記ローランド円に沿った前記分光素子の分光面の長さは、前記試料ホルダに照射される前記励起線の照射面の前記ローランド円の面内での長さより短く、
前記特性X線群を前記分光素子の共通の分光範囲で分光するように、前記分光素子と前記試料ホルダとが配設されている、元素分析方法。
1. A method for elemental analysis comprising:
irradiating an excitation beam onto a sample held in a sample holder to generate a group of characteristic X-rays having different peak wavelengths;
making the generated group of characteristic X-rays incident on a curved spectroscopic element, dispersing the incident group of characteristic X-rays by the spectroscopic element, and detecting at least a part of the dispersed group of characteristic X-rays by a position-sensitive detector;
and analyzing the elements contained in the sample based on the detection result of the detector,
the spectroscopic element and the detector are arranged along the circumference of one Rowland circle,
a length of the spectroscopic surface of the spectroscopic element along the Rowland circle is shorter than a length of an irradiation surface of the excitation beam irradiated onto the sample holder within the plane of the Rowland circle;
The method for elemental analysis, wherein the spectroscopic element and the sample holder are arranged so as to disperse the characteristic X-rays in a common spectroscopic range of the spectroscopic element.
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