JPH0566548U - Ｘ−線分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 Ｘ−線分析装置にて、Ｘ線源からのＸ線ビー
ムにより照射されて試料から出るＸ線放射を検出する検
出装置による検出測定信号から暗電流及びバックグラウ
ンド電流を除去する。 【構成】 Ｘ−線分析装置は検出すべき試料９を照射す
るためのＸ線ビーム17を発生するＸ線源１と、試料から
出るＸ線放射19を検出するための検出装置11とを有して
いる。検出装置11を複合フォトダイオード半導体検出器
21；41で構成する。これら検出器のさまざまな検出素子
を別々に、または群別して信号読取装置13に接続する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は検査すべき試料を照射するためのＸ−線ビームを発生するＸ−線源と 、試料から出るＸ−線放射を検出する検出装置とを具えているＸ−線分析装置に 関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

Ｘ−線粉末回折計の形態をしている斯種のＸ−線線装置は米国特許第3,852,59 4 号から既知である。この米国特許に記載されている回折計では比較的狭い細長 形焦点から出るＸ−線ビームによって試料を照射する。試料にて回折されたＸ− 線ビームをＸ線検出器により測定する。この目的のために、検出器用の入射スリ ットを回折Ｘ−線ビームの像平面に位置させると共に、回折Ｘ−線ビームのビー ム通路にコリメータを位置させている。回折図を求めるために、検出器は円弧に 沿って移動させる。この回転中に試料も検出器の回転軸線を中心に回転させる。 なお、この際検知器は試料の回転角速度の２倍の角速度で回転させる。斯くして 回折図を得る。この場合、放射線の物点およびごく僅かではあるが、検出器に対 する試料の角度位置の精度は測定精度を直接決定することになる。これがため、 回転機構は極めて正確に作動させる必要があり、しかもコリメータおよび検出器 の入射スリットは最適位置に不変的に位置させたり、調整したりする必要がある 。斯様な回転機構の詳細についてはフィリップス・テクニカル・レビュー（Phil ips Technical Rev.) No.27. 第304 〜314 頁を参照することができる。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】

本考案の目的は、解像力の損失なしに複数の検出法の内から幅広い選択を可能 とする従来とは異なる検出手段を使用するＸ−線分析装置を提供することにある 。

【０００４】

【課題を解決するための手段】 この目的のため、本考案によれば冒頭にて述べた種類のＸ−線分析装置におい て、検出装置が合成フォトダイオード半導体検出器を具え、この検出器の種々の 検出素子を別々に、または群別にして信号読取装置に接続するようにしたことを 特徴とする。

【０００５】

【作用】

シリコン フォトダイオードの如きフォトダイオードは左程難なく種々の形態 および寸法に製造することができ、しかもＸ−線量による長期照射後でも高い安 定性を呈する。信号を読取る場合には演算増幅器を直接使用することができる。 電磁放射線そのものを測定するフォトダイオードは既知であるが、これらのデバ イスは通常パルスをカウントすべく用いられ、入射放射線によって発生される光 電流を直接測定するようには用いられていない。

【０００６】 斯種ダイオードを具えている装置の解像力を決定付けるダイオードの寸法を最 適化することによって、例えば斯かる解像力が検出器の機械的なスリットによる 代わりに検出セルの有効幅によって決定されるようにすることができる。従って 、例えば適合させたダイオード検出器を具えている粉末回折計では、構成が簡単 で、しかも廉価な装置によって少なくとも同等の解像力を実現することができる 。またＸ−線分光計も同様に解像力の損失なしに廉価に、しかも簡単に構成する ことができる。ダイオードの寸法は製造中に既に規定され、その寸法は光放射系 に他の手段を講じなくても適合させることができる。互いに並べて配置した数個 のフォトダイオードを電子的に組合わせることによってスリット幅を段歩状に調 整することができ、これを例えば種々の測定に対する通常のスリット交換に代え ることもできる。フォトダイオードを適当に組合わせたり、またはフォトダイオ ードそのものの構成を適合させることによって、フォトダイオードの温度依存− 暗電流が測定結果に及ぼす影響を十分に低減させることができる。

【０００７】 本考案の好適例では、検出装置を例えば有効幅が0.05mmで、長さが10mmの素子 形態を成す一連のシリコンフォトダイオードで構成する。なお、斯かる幅寸法は 装置の解像力を決定し、検出器の所望検出入射幅は互いに並置する素子の組合わ せによって調整することができる。上記有効幅の寸法を大きくすると検出信号の 強度は強くなるが、解像力は低下し、逆に幅を小さくすると検出信号の強度は弱 くなるが、解像力は向上する。検出素子を組合わせ、かつ斯くして得られる組合 わせ信号を適切に処理することによって、測定結果からバックグラウンド電流お よび暗電流を除去することができる。検出器の有効表面の境界領域に入射する光 子の影響は、ガードダイオードによって除去することができる。さらに、非対称 スペクトル線は適切なコンボリューション（たたみ込み）処理によって対称スペ クトル線に変換することができる。斯様な変換は、ドイツ国特許第2,345,406 号 に開示されているダイアフラムに基づいてフォトダイオード検出器に有効表面領 域を設けることによって直接行なうこともできる。これは検出素子を組合わせる だけでなく、フォトダイオード素子に測定に適った重み係数を割当てたり、或い はフォトダイオードの構成を適合させることによって直接的に達成することがで きる。この場合、フォトダイオード検出器の有効表面積は、該当する放射線の測 定すべき強度分布のレプリカを有効に構成する。

【０００８】 本考案の好適例では、集束光学系と同時にシリコンフォトダイオードのアレイ を用いることによってＸ−線分析装置を分光計の形態に簡単に実現することがで きる。従って、分析装置は品質に悪影響を及ぼすことなく相当廉価に構成するこ とができ、またフォトダイオードそのものが測定すべき放射線に対する検出入射 スリットとして作用すると云う光学的利点も有する。

【０００９】 ブラッグ−ブレンタノ原理に基づいて作動する粉末−線回折計の形態の他の好 適例では、検出器にさらに少なくとも１個のフォトダイオードを設ける。特に、 検出器スリットおよび例えばガス充填検出器を設けるのが普通の検出系はフォト ダイオード検出器と取り替えることができる。

【００１０】 本考案の好適例によれば、可動部分を使用しない集束回折計の如き所謂簡単な 構成の位置回折計によってＸ−線分析装置を構成する。この場合、試料は固定位 置を占め、検出器の動作は位置−感応検出器の使用によって中和され、このよう な検出器としてフォトダイオードのアレイが特に好適である。

【００１１】

【実施例】

図１にはＸ−線粉末回折計における陽極３および射出窓５を有しているＸ−線 源１と、試料支持体７に取り付けた多結晶の試料９と、信号読取装置13を具える 検出器11とを示してある。Ｘ−線源１によって放出され、かつ例えばニッケルフ ィルター15を通過した放射線ビーム17は、フィルターを通過後実質上Ｋ放射線を 含んでおり、斯かる放射線ビームは試料９にてその一部19を角度20で回折する。 斯かる放射線ビームの一部分は検出器11の検出セル21によってトラップされる。 図面では一連の結晶面に対する回折ビーム19−１および19−２を示してあり、こ れらのビームは検出セル21−１および21−２によってトラップされる。これらの 回折ビームのトラップは検出セル21を回転させながら行なうこともできる。Ｘ− 線管（源）１の陽極３および試料９を焦球面23上に位置させると、回折ビーム19 はこの球面上に集束するようになる。これがため、検出器11も球面23と一致する ように配置する。斯くして結晶構造に応じた種々の回折線を検出器上に形成し、 回折図(diffractogram) を記録することができる。例えば、試料中に存在する結 晶構造についての情報は斯かる回折図から得ることができる。

【００１２】 測定データを表示させるために、書込装置またはモニタ27を信号読取装置13に 接続することができ、また測定データを記憶させるために、斯かる読取装置には 記憶装置29を接続することができる。ディジタル処理、即ちディジタル記憶処理 をするにはアナログ−ディジタル変換器を付加することができる。この場合には 、検出器を例えばシリコンフォトダイオード素子で構成し、これらの素子の正面 、即ち入射Ｘ−線ビーム19から見た有効幅を例えば0.05mmとし、長さを例えば10 mmとする。後に詳述するように、検出素子は幅方向に見て数個の隣接素子が組合 わせで読取られるように構成することもできる。検出器は例えば斯様なフォトダ イオード素子200 個で構成する。フォトダイオードの入射側は、周囲光が入射し ないようにするために窓で覆う。この窓は検出すべきＸ−線に対しては透過性の ものとし、これは例えばベリリウムで構成する。フォトダイオードのアレイは球 形にし得るシリコン細条の内側面に配置することができる。アレイは、各々が例 えば24個の並置フォトダイオードから成る複数個のユニット（これらのユニット それ自体は平坦である）で構成することもできる。この場合、例えば20個のこの ようなユニットは擬似円の弧に沿って480 個の連続配置の検出チャネルを構成す る。検出器は極めて薄い層でしか有効に作用しないことからして、斯様な構成に よりＸ−線が検出器に如何様に傾斜して入射しても何等不都合な結果は生じない 。

【００１３】 図２はＸ−線分光計における陽極31および射出窓33を有しているＸ−線源30と 、試料35と、保持器39に取り付けた二重集束結晶37と、検出器41を示したもので ある。Ｘ−線源30はＸ−線ビーム43で試料35を照射する。このＸ−線ビームの波 長に応じ、試料にて発生される種々の元素に特有のけい光Ｘ−線部分（これはブ ラッグの条件を満足する）は結晶37によりトラップされて、焦球面45上に一直線 に集束される。斯くして例えば周辺光線によって制限される部分のＸ−線47を該 当波長に関連する物体線49の結晶に対して焦線51で集束させる。従って、球断面 45上の該当する焦線の位置は試料にて発生され、かつその試料中に存在する元素 特有のけい光Ｘ−線の波長に依存する。回折Ｘ−線の強度は検出器41によって位 置−感応検出法にて検出するようにすることができる。これがため、検出器（こ の場合にもシリコンフォトダイオードで構成する）は球断面45に沿って移動可能 とする。この場合にも後に詳述するように、検出処理中に検出素子を組合わせる ことによって追加情報を得ることができる。

【００１４】 図３はマクロ材料の応力を測定するＸ−線回折装置を極めて簡単に線図的に示 したものである。このＸ−線分析装置によって、連続する結晶面間の距離が限定 されるため、これにより例えば結晶中の純粋な歪みを分析することができる。応 力測定はこの情報から始める。この目的のためには、測定を相当迅速に行なうこ とができると共に、輸送可能な装置を使用するのが望ましい。特に輸送の可能性 は、例えば大きな加工片等を部分的に測定するのに必要である。マクロ的応力に より得られる結晶転位は大抵相当小さいため、上述したような要求を満足させる ことによって測定精度が悪影響を受けないようにする必要がある。図示の装置に おける陽極52を有しているＸ−線源50はＸ−線ビーム54を発生し、このビームに よって射出窓56を経て試料58を照射することができる。この試料58は検査すべき 大きな材料の一部を成すものと見なすことができる。例えば、米国特許第3,934, 138 号に記載されている斯かるタイプの既知の装置では、例えばビーム60および 62のような試料から出るＸ−線ビームを検出するのに位置−感応イオン化チャン バとして構成される位置−感応検出器を用いる。この場合には装置にて発生する 位置−依存性のデフォーカシング（焦点はずれ）および測定すべきＸ−線ビーム の傾斜入射によって妨害の影響を受ける。本考案によれば、図示の装置に第１フ ォトダイオード検出器64と第２フォトダイオード検出器66とを設け、これらの両 検出器を信号処理装置68に接続する。両検出器64および66のフォトダイオードの 有効表面は簡単に円筒形とすることができ、しかもこれらの検出器は前述したよ うにビームが入射する方向には実質上無関係であるため、この場合には前述した ような欠点は生じない。検出素子そのものの構成、或いはこれら素子の電子的な 組合わせにより最適な有効検出幅を選択でき、この幅で任意のマクロ的材料の応 力により生ずる焦線の変位量を測定することができる。検出器は簡単に最適に位 置付けることができ、この場合検出器は集束円78と一致し、この円上に陽極52、 試料の正接点70およびビーム60と62の焦線74および76を位置させる。このような 測定用の装置の他の例としては本願人の出願に係る特願昭５９−１７２１８号（ 特開昭５９−１５３１５２号）の図５の例を参照することができる。

【００１５】 図４および図５は組合わせで読取るべき数個のフォトダイオードを有している 本考案による検出装置の種々の例を示したものである。

【００１６】 図４ａは斯種検出装置の一例を示したものであり、この場合には14個隣接して 配置した一連の検出素子80（これらの各検出素子は例えばその幅を0.05mmとし、 かつ長さを10mmとする）で検出器を構成する。この場合、検出器の入射スリット の全幅は0.7 mmとなる。この幅は異なる数の検出素子を使用したり、または素子 毎の幅寸法を相違させることによって諸要求に適応させることができる。この例 の場合には検出器を図示のように上側のフォトダイオード列82と下側のフォトダ イオード列84とにさらに分割する。このような分割はフォトダイオードを半導体 材料で形成する場合には簡単に行なうことができる。上側列の内のこの場合中央 に配置された６個のフォトダイオードは演算増幅器87の非反転入力端子に接続す ると共に、この上側列の中央６個のフォトダイオードの両外側に位置するフォト ダイオードは演算増幅器87の反転入力端子88に接続する。演算増幅器87の非反転 入力端子は通常抵抗90を経て固定電位点92に接続し、また演算増幅器87の反転入 力端子とその増幅器の出力端子との間には抵抗94を接続する。下側列のフォトダ イオードも同様に接続するが、この下側列では全体を２セル分だけ変位させる。 このようにして中央に配置される６個のフォトダイオードは演算増幅器101 の非 反転入力端子100 に接続すると共に、これら６個のフォトダイオードに隣接する 両外側の３個づつのフォトダイオードは演算増幅器101 の反転入力端子102 に接 続する。演算増幅器101 の非反転入力端子は抵抗104 を経て固定電位点に接続し 、反転入力端子102 は抵抗106 を経て増幅器101 の出力端子108 に接続する。演 算増幅器87および101 の両出力端子96および108 は電気信号読取処理装置110 に 接続し、この読取処理装置には記録／再生装置112 を接続する。斯種の検出装置 によって、個別の総体的信号を組合わせることにより最終測定信号からバックグ ラウンド電流および暗電流を除去することができ、かつピークシフトを準二次派 生(quasi second derivation) 信号から見出すことができる。該当するピークに 対する正確な位置は２つの信号間の比から決定することができ、かつその位置に よって振幅値を導出することができる。

【００１７】 図４ｂは検出素子120 を細分割しない検出回路を示したものである。この場合 にも検出素子を群別して演算増幅器123 の反転入力端子122 、その増幅器の非反 転入力端子124 、演算増幅器127 の反転入力端子126 、およびこの増幅器の非反 転入力端子128 にそれぞれ接続する。この例では図示のように、フォトダイオー ド素子を高さ方向にて細分しなくてもバックグラウンド電流および暗電流を除去 することができ、かつピークシフトを二次派生測定によって確かめることができ る。測定すべきピーク121 の２位置をそれぞれ実線と破線にて示してある。従っ て、測定時にピーク121 は矢印125 の方向に変位される。

【００１８】 図５ａは上記補正を一層直接的に実行でき、かつ二次派生信号を一層正確に測 定し得る検出器の例を示したものである。素子の幅が相違するために、通常の入 射線プロフィールの幅方向に見た例えば0.5 mmの全幅を維持しつつ、中央に配置 される素子130 とその両側の素子132 との有効表面積は、これらの素子の両外側 に配置される２個づつの素子134, 136および138 の全素子の有効表面積と等しく する。この場合にも中央に配置する素子は演算増幅器141 の非反転入力端子142 に接続すると共に、偏心位置における素子134 〜138 は演算増幅器141 の反転入 力端子140 に接続する。

【００１９】 図５ｂに示すような形態の検出器の場合、検出器の有効表面の形態は、正確な ピーク位置測定を実行可能ならしめる要求を既に満足するが、この場合には、図 面の高さ方向に見た測定すべき放射線ビームのエネルギー分布を均一にすると云 う条件が課せられる。測定処理に当たっては、中央部分150 を例えば演算増幅器 152 の反転入力端子に接続すると共に、２つの縁部分を斯かる増幅器の非反転入 力端子154 に接続する。図５ａおよび図５ｂにつき述べた例によれば、非対称ピ ークを一層対称的なピークに変換するためのドイツ国特許第2,345,406 号に記載 されているダイヤフラムに対応する検出器有効面を半導体材料で形成することも できる。

【００２０】 図５ｃに示す種類のシリコンフォトダイオード検出器は４個の能動検出領域、 即ち第１検出細条160 と、ベル状領域162 と、第２検出細条164 と、第２ベル状 領域166 とを有している。検出細条160 および164 の寸法は例えば0.1 ×８mm² とする。これらの各細条の表面積は、関連するベル状領域の表面積に等しくする 。これがため、検出細条およびベル状領域の暗電流は第１近似で等しくなる。表 面積の差以外の相違により暗電流の差が決定しなくならない場合、これは追加の 能動領域168 および170 によって補正することができる。これらの領域はシリコ ンで形成すると共に、表面積の比を例えば１：３とし、かつこれらの領域を演算 増加器の反転または非反転入力端子に随意接続して、暗電流を追加的に補正する ことができる。最新の補償工程のように、ガード(guard)172と能動検出面との間 の信号に属さない電荷キャリヤを排出するために印加する電圧を相対的に変える ことによって制御することができ、これにより２つの細条間の有効境界部をごく 僅かの距離ではあるが、変位させることができる。種々の領域およびガード等を 外部接続するために、結線部174 を設ける。

【００２１】 あらゆる補償手段によりすべての測定条件下にて最適な補償を行なうことがで きるために、温度補償は不変的に完了させることができる。さらに、検出装置の 能動部分の幅全体にわたり位置的に直線状に変化するバックグラウンド信号も除 去されると云う利点がある。

【００２２】 所要に応じ、幅狭ピークの測定は個々の検出細条160 および164 の一方で行な い、幅広ピークは双方の検出細条を一緒にして測定することができる。これら２ つの状態の切り換えは読取装置にて簡単に行なうことができ、かつ自動的に行な うことができる。ピーク測定に係わる絶対表面積が、その両側における負部分の ためにゼロとなることからして、時定数の大きな回路に接続される検出装置の変 動は直流阻止のＲＣ結合回路により補償することができる。しかしこの場合には 、ビームが細条領域とベル状領域の双方をカバーするようにする必要がある。

【００２３】 ベル状領域の少なくとも一部を例えば鉛の薄層によって遮蔽すれば、バックグ ラウンド信号は温度補償しながら測定することができる。

【００２４】 本考案によるフォトダイオード検出器は、単一結晶の測定、例えば拡散現象を 測定するのに利用される解像力の高い回折計に首尾良く用いることもできる。な お、斯種の回折計については本願人の出願に斯かる特願昭５８−２２０４６９号 （特開昭５９−１０８９４５号）を参照することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案による集束粉末回折計の一例を示す線図
である。

【図２】本考案による集束Ｘ−線分光計の一例を示す線
図である。

【図３】本考案による材料応力およびその応力の構成を
測定する装置の概要を示す線図である。

【図４】ａ〜ｂは本考案によるＸ−線分析装置用のフォ
トダイオード検出器の好適例をそれぞれ示す線図であ
る。

【図５】ａ〜ｃは本考案によるＸ−線分析装置用のフォ
トダイオード検出器の好適例をそれぞれ示す線図であ
る。

【符号の説明】

１ Ｘ−線源 ３ 陽極 ５ 射出窓 ７ 試料支持体 ９ 試料 11 検出器 13 信号読取装置 15 ニッケルフィルター 17 放射線ビーム 19 回折ビーム 21 検出セル 23 焦球面 27 書込装置またはモニタ 29 記憶装置 30 Ｘ−線源 31 陽極 33 射出窓 35 試料 37 二重集束結晶 39 保持器 41 検出器 43 Ｘ−線ビーム 45 焦球面 47 回折Ｘ−線 49 物体線 50 Ｘ−線源 51 焦線 52 陽極 54 Ｘ−線ビーム 56 射出窓 58 試料 60, 62 試料からのＸ−線ビーム 64 第１フォトダイオード検出器 66 第２フォトダイオード検出器 68 信号処理装置 70 試料の正接点 74, 76 焦線 78 集束円 80 検出素子 82 上側フォトダイオード列 84 下側フォトダイオード列 87 演算増幅器 90, 94 抵抗 101 演算増幅器 104, 106 抵抗 110 信号読取処理装置 112 記録／再生装置 120, 130〜138, 150, 158 検出素子 123, 127, 141, 152 演算増幅器 160 〜170 検出能動領域 172 ガード 174 外部結線部

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 検査すべき試料を照射するためのＸ−線
   ビームを発生するＸ−線源と、試料から出るＸ−線放射
   を検出するための検出装置とを有しているＸ−線分析装
   置において、前記検出装置が合成フォトダイオード半導
   体検出器（11, 41) を具え、この検出器の種々の検出素
   子(120) を別々に、または群別して信号読取装置(13)に
   接続するようにしたことを特徴とするＸ−線分析装置。