X線の集光方法について

質問

X線の集光方法について勉強中なのですが、初心者でよく理解できないので教えてください。
回折レンズ（回折格子と同じこと？）と屈折レンズ（X線凹レンズ）ともに集光作用があると思うのですが、どちらが効率が良いのでしょうか？吸収要素、発散要素による損失がぞれぞれあると考えているのですが。
フレネルゾーンプレートは回折レンズになるのでしょうか？もしそうならばこれと普通の回折レンズの違いは？あと回折レンズには透過型と反射型があるという記述をを見たのですが、これは、ゾーンプレートのことなのでしょうか？ゾーンプレートにも透過型と反射型があると思うのですが。この反射型と透過型の使い分けについても教えてください。よろしくお願いします。

回答No.7

k-fon · ベストアンサー

>新たな疑問がでてきました。分光を必要とする、しないということですが、これは素子一つで分光集光の両方の作用があるということですよね？？。

Ｘ線の分光方式は大きく分けて二種類あります。
ひとつは吸収端を用いたフィルターによる方式（１）と、回折条件を利用した方式（２）です。

Ｘ線管の場合で特性Ｘ線のみ抜き出したい場合はいずれの方式でも良いですが、放射光の場合は（２）になります。Ｘ線管の場合も、波長を変えたい場合は（２）の方式になります。
（１）の方式の利点は構造が簡単なこと、欠点は決まった波長のみしか取り出せず集光機構もなく、また半値幅も広いことです。
これに対して（２）は、分光と同時に集光が可能で、取り出し波長を連続可変でき、波長純度も自由に設計できる等の利点があります。
#4の素子でいえば、1,4,5,6がこれにあたります。
2と3はこれ自身で分光できないので、別途分光機構が必要になります。

集光したＸ線が分光されている必要がないのなら2,3の素子を、分光したい場合は1,4,5,6の素子を選択すれば良いでしょう。
（これはかなり乱暴な分け方で、実際はより細かい条件等によって決まってきますが）

お礼

有難うございました大変助かりました。
周りに専門的な方がいないので、今後？（＾＾）
宜しくお願いいたします。

回答No.6

k-fon

ちょうど、９／５～７の期間に幕張メッセで「分析展」が開催されます。
入場無料ですので、お近くならば行かれてはいかがでしょうか？

http://www.jaima.or.jp/show/index.html

#4で紹介した各社のブースがあるので、そこでカタログがもらえます。
Si等結晶については、ＥＳＣＡのカタログに載っています。

参考URL：

http://www.jaima.or.jp/show/index.html

お礼

大変、有難うございました。URLまで紹介していただきまして。回答を見させていただいた後、勉強すると、なるほど！と、とても頭に入りやすいです。私の勘違いの部分が多いことに気づきました。このたびの分析展には都合で行くことはできませんが、機会があれば、ぜひ展示会にも足を運びたいと考えています。また再度ご質問させていただくことがあるかもしれませんがそのときは宜しくお願いいたします。できる限りないように勉強に励みます・・・。

補足

すいません。お礼を言ったすぐあとで申し訳ないのですが、新たな疑問がでてきました。分光を必要とする、しないということですが、これは素子一つで分光集光の両方の作用があるということですよね？？。分光素子を別途設置すれば、分光をしない素子でも同様に使えると判断してよいのでしょうか？（たとえばキャピラリー＋分光素子みたいに）まあ設置場所をとるので実用的ではありませんが原理的にはということです。分光素子を使う場合、分光してから集光している模式図をみるのですが、集光した後に分光したらいけないのでしょうか？集光サイズが変わってしまう？それとも光学収差等の問題なのでしょうか？そのほうが集光後の分光素子をはずすはずさないで全エネルギーと特定のエネルギーの両方を使えるからいいような気がするのですが？使う用途によるからだとは思いますが、この順序でないといけないといけないのでしょうか？ちんぷんかんぷんなことを聞いているのでしたら申し訳ございません。宜しくお願いいたします。

回答No.5

k-fon

#4の補足です。

素子の性質上、集光結像時に、分光するタイプと分光しないで全範囲を結像するタイプとがあります。
前述の例で言えば、
分光するタイプ＝1.ZP，4.BFL，5.多層膜ミラー，6.Si湾曲レンズ
分光無しで全範囲を結像するタイプ＝2.キャピラリー，3.全反射系
となります。
この特性の違いにより最適な素子を決める必要があります。

回答No.4

k-fon

まず、下記のサイトをご覧ください。
各種Ｘ線光学素子を売っている会社です。
ZP、キャピラリ、多層膜ミラー等各種資料があります。

［多層膜等各種光学素子］
http://www.osmic.com/Products/Products.htm
http://www.osmic.com/Products/Ovonyx/ovonyx.htm
［ポリキャピラリ］
http://www.xrayoptics.com/technology.htm
［シングルキャピラリ応用装置］
http://global.horiba.com/products_e/xgt2000w_e/index.htm

各種素子の主な使用可能エネルギー範囲ですが、以下の通りです。
1.ZP：数百eV～10keV，2.キャピラリー：＜10keV，3.全反射系：＜10keV(ガラス製斜入射ミラーの場合)，4.BFL：？，5.多層膜ミラー：＜数十keV，6.Si湾曲レンズ：～10keV（Siを他の結晶に変更すれば、より広く可能です）
いずれも最新資料で確認していないので多少違っている所もあるかもしれません。今回紹介したURLでご確認下さい。

>あとブラッグ条件というのは、反射のことではないんですか？

結晶で用いているブラッグ条件は、各結晶面間の距離を利用しています。2dsinθ=nλのdが結晶の面の間隔です。各面からの光路差が波長の整数倍になれば良いのです。
（回折格子の場合は溝の間隔に相当する距離です）
なお、これについては、良い文献がありました。こちらをご覧下さい。
http://www.techno-qanda.net/dscgi/ds.py/Get/File-4558/X線分光集光.pdf
http://wwwxray.ess.sci.osaka-u.ac.jp/thesis/ogata_master_thesis.pdf

回答No.3

k-fon

>・Si結晶を湾曲させたものというのは、屈折レンズのことでしょうか？全反射ではない？

ブラッグの回折条件(2dsinθ=nλ)を利用しています。ということで、回折を利用しています。形状により板型やトロイダル型，ヨハン型やヨハンソン型等があります。Ｘ線源の発光点を一対一で結像するのでＸ線焦点径はＸ線管の出力サイズと同じになります。
詳細な説明は物理の教科書に載っていると思いますので、そちらをご参考ください。

>・ZPの透過型といううのは、回折現象を利用しているのではないのでしょうか？回折レンズとは全くことなるのでしょうか？

回折現象を利用した素子です。

>・焦点距離をできるだけ短く、集光サイズもμオーダーとしたい場合、集光効率は、１，３，４で実際何％程度なのでしょう。同程度なのでしょうか？
私がみたものでは、キャピラリーは、100%と認識しているのですが。これは間違いでしょうか？

Ｘ線の集光効率の計算は、簡単そうで実際はかなり面倒です。
キャピラリの場合も、入口に浅い角度で入ったＸ線ならばかなりの高効率で出力端より出てきますが、数度以上角度がついて入ったＸ線や入口からはずれたＸ線は当然出力されません。全てのＸ線をこの条件を満たすようにキャピラリーに入れるのが難しく、ここでトータルの効率が決まってしまいます。
これは他の素子についても同様で、入射Ｘ線の条件が正確に決まっていなければ効率は出せません。どの素子が効率が高いかについても、その兼ね合いで一概には言えません。

>X線の集光について調べてみたいのですが、各素子について、まとめて書かれている資料、URL、参考書等あれば教えただきたいのですが。

これがありそうでなかなか無いのです。^_^;
URLは、”Ｘ線光学素子”あたりで検索かければいっぱい出てきそうですが。
本は「X-ray Microscopy series」(Springer Verlag)がいろいろと載っています。大学等の図書館ならばあると思います。

お礼

概要はなんとなくわかってきました。詳しいことは簡単には説明できず、勉強してみないとわからないということですね。もう少し勉強してみます。といっても文献を読むしかないようですね。度重ねて回答していただき有難うございました。またご質問させていただくかもしれませんが宜しくお願いいたします。多分すると思います・・・。

補足

すいません。最後？の質問です。
各レンズの適用エネルギー範囲（何eV～何keVという表現)がわかれば教えてください。一般的でよいです。
なかなかのっていないもので。こちらがメインの質問です。
1.ZP　2.キャピラリー　3.全反射系　4.BFL 5.多層膜ミラー　6.Si湾曲レンズ

補足の質問
あとブラッグ条件というのは、反射のことではないんですか？ブラッグ反射といううのがありますが。回折なのですか？湾曲レンズというと全反射をイメージしますが？溝があったり、回折格子などがあればわかりますが、単結晶でというのがわかりにくいのですが？すいません手元の物理の本にはのっていなかったもので。
宜しくお願いいたします。

回答No.2

k-fon

以下の内容は一般的な話しで、かなり詳細をはしょっていますので、その点、御了承下さい。

数keV～数十keVの範囲ということで説明します。
この範囲で一般的に用いられている集光素子としては、[1]Ｓｉ等結晶を湾曲させたもの，[2]ＦＺＰ，[3]斜入射ミラー，[4]キャピラリーファイバー等があります。
回折格子は一般的には、より低エネルギーで使用されていると思います。
上記素子の集光効率ですが、Ｘ線源からある程度の発散角をもってＸ線が放出されている場合は「１」，[３]，[４]が良いでしょう。集光と同時に分光も行いたい場合は[１]を、分光は行わず全波長を集光する場合は」[３]，[４]が良いと思います。
また、ＳＲのようにある程度発散角が抑えられているＸ線を集光する場合は、「１」～[４]のいずれでも良いでしょう。実際の選択は、Ｘ線発散角と分光の有無、素子から集光点までの距離、集光サイズ等を考慮して選定するので、一概には特定できません。

Ｘ線用ゾーンプレートについてですが、私は透過型しか知りません。（そもそも反射型は成り立たないような気がしますが）透過型と反射型があるのは回折格子(グレーティング)です。またゾーンプレートは原理的に波長依存性が強く、白色Ｘ線をきれいなスポットのみに集光はできません。（スポット周辺に他波長のすそが出ます)また現在の技術では最高でも１０keV程度までで、その場合の直径は１００ミクロン程度になってしまい、ＳＲでもかなり質の良いところでなければまともに集光はできません。

以上、とりとめのない話になってしまいました。

補足

以下の点について教えてください。
・Si結晶を湾曲させたものというのは、屈折レンズのことでしょうか？全反射ではない？
・ZPの透過型といううのは、回折現象を利用しているのではないのでしょうか？回折レンズとは全くことなるのでしょうか？
・焦点距離をできるだけ短く、集光サイズもμオーダーとしたい場合、
集光効率は、１，３，４で実際何％程度なのでしょう。同程度なのでしょうか？
私がみたものでは、キャピラリーは、100%と認識しているのですが。これは間違いでしょうか？
X線の集光について調べてみたいのですが、各素子について、まとめて書かれている資料、URL、参考書等あれば教えただきたいのですが。
重ね重ね申し訳ありませんが宜しくお願いいたします。

回答No.1

k-fon

どの位の波長（エネルギー）のＸ線を考えていらっしゃるのでしょうか？

それにより使用する集光素子は全く異なってきます。
（一口にＸ線といっても、数百ｅＶから１００ｋｅｖ以上までありますので）

補足

波長依存性があるという話は聞きましたが、波長によって集光素子は決まってしまうのでしょうか？この波長（エネルギー）だとこの素子というのがありましたら、教えていただきたいのですが、文献を見る限りでは、数keV～数10KeVで考えているのですが、この範囲では何種類かありました。ということは、回折レンズと屈折レンズも同じ波長領域では使えないということなのでしょうか？（確か両方使えるというふうに記憶しているのですが。考えられるのは、屈折レンズのほうがエネルギーは高くないといけない、回折レンズでは、波長が短いと集光しにくいような気はしますが。）使える場合の前記質問の損失のことについても教えてください。よろしくお願いいたします。